車輪踏面裂紋分析

■ 張關(guān)震

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車輪踏面裂紋分析

■ 張關(guān)震

摘 要：針對城軌列車車輪踏面存在的宏觀裂紋，采用化學(xué)分析、硬度測試、金相觀察等方法對踏面裂紋成因進(jìn)行分析。車輪踏面裂紋為列車制動(dòng)引起的熱裂紋。車輪踏面制動(dòng)時(shí)的高熱區(qū)域表層組織會(huì)產(chǎn)生相變，形成馬氏體組織，脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應(yīng)力、制動(dòng)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的相互作用下極易碎裂萌生裂紋，裂紋在輪軌接觸應(yīng)力的持續(xù)作用下逐漸擴(kuò)展，最終發(fā)展為宏觀裂紋。建議城軌列車采用盤型制動(dòng)，為了減少車輪的熱裂敏感性，適當(dāng)降低車輪的碳含量，選用ER8車輪，降低熱裂紋產(chǎn)生的概率。

關(guān)鍵詞：城軌列車；車輪踏面；宏觀裂紋；制動(dòng)熱應(yīng)力

車輪是列車重要的走行部件，因其受力狀況和工作環(huán)境較為復(fù)雜，失效事故屢有發(fā)生。探明車輪失效原因，提高其可靠性，是保證列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

某線路城軌列車車輪在檢修作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其踏面存在宏觀裂紋，經(jīng)鏇修處理后，部分車輪踏面的裂紋仍然存在。針對其中較為典型的一例損傷車輪，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)合理化檢驗(yàn)結(jié)果，分析車輪踏面裂紋的成因。傷損車輪的制動(dòng)方式采用踏面制動(dòng)，材質(zhì)為ER9車輪鋼。

1　試驗(yàn)方法

采用4%的硝酸酒精對車輪進(jìn)行冷酸清洗，觀察酸洗后車輪踏面的形貌。切取車輪輪輞截面，將其浸泡在1︰1的鹽酸水溶液中，加熱至70 ℃后保溫2 min，對車輪踏面裂紋區(qū)域進(jìn)行熱酸浸蝕檢驗(yàn)（低倍檢驗(yàn)）。

利用Leica DMI5000M光學(xué)顯微鏡對傷損車輪進(jìn)行金相觀察。采用FM-7顯微硬度計(jì)對車輪傷損區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測試。

采用ARL4460真空直讀光譜儀對車輪進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)。利用HB-3000型布氏硬度計(jì)、CMT5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)、ZBC1501-AZ擺錘式試驗(yàn)機(jī)分別檢驗(yàn)車輪輪輞的硬度、拉伸及沖擊性能。車輪各性能檢驗(yàn)的取樣位置見圖1。

圖1　車輪各性能檢驗(yàn)的取樣位置

2　理化檢驗(yàn)

2.1宏觀檢查

傷損車輪的整體形貌見圖2，車輪踏面形貌見圖3。車輪踏面可見明顯損傷。有關(guān)研究表明，冷、熱酸洗是鑒別金屬材料受熱損傷的有效手段。對車輪踏面進(jìn)行冷酸清洗處理，酸洗后的車輪踏面沿圓周方向等間距分布著多處異常痕跡（見圖4）。在異常痕跡處均伴有微裂紋，其數(shù)量不等、長度不一。對車輪進(jìn)行熱酸浸蝕檢驗(yàn)（低倍檢驗(yàn)），車輪輪輞斷面的低倍形貌見圖5。經(jīng)熱酸清洗后車輪踏面異常痕跡中的微裂紋顯現(xiàn)得更為清晰。車輪輪輞斷面的低倍組織中未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、殘余縮孔、分層、翻皮、異型偏析和金屬異物等缺陷。

2.2化學(xué)成分分析

對車輪進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。車輪的化學(xué)成分滿足EN 13262：2004+A2：2011中ER9車輪鋼的要求。

2.3殘余應(yīng)力測試

采用鋸切法，按照EN 13262：2004+A2：2011的測試要求對車輪進(jìn)行殘余應(yīng)力檢驗(yàn)。經(jīng)測量，車輪殘余應(yīng)力收縮量為2.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)要求殘余應(yīng)力收縮量≥1 mm。殘余應(yīng)力檢測結(jié)果表明，車輪輪輞的應(yīng)力狀態(tài)屬壓應(yīng)力狀態(tài)，滿足標(biāo)準(zhǔn)中對殘余應(yīng)力收縮量的要求。

2.4硬度、拉伸、沖擊測試

按照EN 13262：2004+A2：2011的測試要求對車輪進(jìn)行硬度、拉伸及沖擊性能的檢驗(yàn)，測試結(jié)果分別見表2—表4。車輪的硬度、拉伸、沖擊性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2　車輪的整體形貌

圖3　車輪踏面形貌（箭頭所指為踏面?zhèn)麚p處）

圖4　冷酸洗后車輪踏面異常痕跡

圖5　車輪輪輞斷面及踏面異常痕跡處的低倍形貌

表1　車輪的化學(xué)成分分析結(jié)果　%（wt）

表2　車輪硬度HB

表3　車輪輪輞和輻板拉伸性能

表4　車輪輪輞室溫沖擊性能　J

2.5金相觀察

依據(jù)GB/T 10561—2005實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)A法對車輪輪輞進(jìn)行非金屬夾雜物含量評定，非金屬夾雜物級別見表5。車輪輪輞的非金屬夾雜物級別符合標(biāo)準(zhǔn)EN 13262：2004+A2：2011的要求，車輪輪輞的純凈度較好。車輪踏面下35 mm以內(nèi)區(qū)域的車輪輪輞顯微組織見圖6。車輪輪輞的顯微組織由鐵素體+珠光體構(gòu)成。

對車輪踏面損傷區(qū)域進(jìn)行金相觀察，車輪裂紋區(qū)域的顯微組織見圖7。車輪踏面損傷處的金相組織可分為區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。同時(shí)，可見呈現(xiàn)“外闊內(nèi)尖”形貌的裂紋自區(qū)域Ⅰ向區(qū)域Ⅲ貫穿，裂紋長度約100 μm。對3個(gè)區(qū)域顯微硬度測試結(jié)果見表6。其中，區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ顯微硬度的壓痕直徑大小差別明顯（見圖8）。結(jié)合顯微硬度測試結(jié)果可以判定，車輪踏面表層區(qū)域Ⅰ存在馬氏體白層組織，測量其厚度約為30 μm，馬氏體白層下方的區(qū)域Ⅱ?yàn)榛鼗鸾M織，其厚度約為30 μm。區(qū)域Ⅲ為車輪正常的顯微組織。

表5　車輪輪輞的非金屬夾雜物級別

圖6　車輪輪輞顯微組織

圖7　車輪裂紋區(qū)域顯微組織

表6　車輪踏面裂紋區(qū)域顯微硬度測試結(jié)果　HV0.1

圖8　顯微硬度壓痕形貌

3　綜合分析

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果，車輪的化學(xué)成分、輪輞硬度、拉伸、沖擊性能及顯微組織和非金屬夾雜物級別均符合相關(guān)技術(shù)要求。表明車輪的材料和熱處理方面不存在質(zhì)量問題。

由于裂紋深度淺無法打開觀察斷口，但據(jù)其“外闊內(nèi)尖”的形貌可以判斷，裂紋起源于車輪踏面表層異常痕跡區(qū)域，該區(qū)域表層的顯微組織為二次淬火馬氏體組織，非車輪本身組織。引起該組織形成的重要因素之一是車輪踏面表層承受過高熱。

車輪在城軌列車上使用，列車的運(yùn)營有別于干線鐵路車輛，其需要頻繁啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)。車輪的制動(dòng)方式為踏面制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)踏面和閘瓦接觸部位因滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生高熱能，由于車輪與閘瓦的接觸面積小，若城軌車輛閘瓦的散熱性能差，多次頻繁制動(dòng)，車輪與閘瓦摩擦產(chǎn)生的高熱使踏面表層瞬時(shí)加熱到奧氏體相變溫度以上，隨后在空氣中迅速冷卻形成馬氏體組織。脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應(yīng)力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的相互作用下極易碎裂萌生熱裂紋，隨著車輪的持續(xù)滾動(dòng)運(yùn)行，在輪軌接觸應(yīng)力的繼續(xù)作用下，熱裂紋逐漸擴(kuò)展，發(fā)展為宏觀裂紋，若相鄰的熱裂紋貫通后將發(fā)展為剝離。

4　結(jié)論及建議

（1）車輪踏面裂紋是列車制動(dòng)時(shí)閘瓦接觸所引起的熱裂紋。

（2）城軌列車運(yùn)行時(shí)需要頻繁啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，車輪踏面經(jīng)多次頻繁制動(dòng)，車輪與閘瓦摩擦產(chǎn)生的高熱使踏面表層瞬時(shí)加熱到奧氏體相變溫度以上，隨后在空氣中迅速冷卻形成脆硬的二次淬火馬氏體組織，導(dǎo)致車輪踏面表層和次表層之間形成殘余拉應(yīng)力，增加踏面萌生裂紋的可能性。

（3）建議城軌列車采用盤型制動(dòng)，減少或避免車輪踏面制動(dòng)產(chǎn)生的熱損傷。車輪采用含碳量較高的ER9車輪鋼，隨著碳含量的增加車輪的強(qiáng)硬度及耐磨性隨之增加，同時(shí)也會(huì)增加車輪的熱裂敏感性。為了減少城軌列車車輪的熱裂敏感性，適當(dāng)降低車輪的碳含量，可選用ER8車輪，在保證車輪強(qiáng)韌性和耐磨性能的同時(shí)，降低熱裂紋產(chǎn)生的概率。

張關(guān)震：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，助理研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 高紅義

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015J003-E，Z2015J001）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃973項(xiàng)目（2015CB654800）；國家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1334204）。

中圖分類號：U260.331+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0074-04