上海軌道交通03A01型車(chē)輛軸箱彈簧斷裂原因分析

沈 豪

(申通南車(chē)(上海)軌道交通車(chē)輛維修有限公司，201814，上海//高級(jí)工程師)

地鐵列車(chē)行駛過(guò)程中，軸箱彈簧往往承受著高頻往復(fù)壓縮運(yùn)動(dòng)，起著緩沖和減振作用，其質(zhì)量好壞對(duì)列車(chē)的平穩(wěn)性、安全性起著至關(guān)重要的作用。地鐵列車(chē)運(yùn)行一定里程后，部分軸箱彈簧會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂失效的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為，內(nèi)部缺陷是造成彈簧早期失效的主要原因，其中包括由材料的異常組織、非金屬夾雜物等原因引起的失效。此外，材料表面的缺陷(如表面脫碳和表面的凹坑、劃痕等)及材料的熱處理工藝也可導(dǎo)致彈簧的失效[1]。而在長(zhǎng)期的使用中，即便沒(méi)有夾雜和組織異常等原因，彈簧的某些部位亦會(huì)在載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂。上海軌道交通3號(hào)線03A01型車(chē)輛檢修階段的軸箱彈簧在長(zhǎng)期交變載荷作用下，部分彈簧發(fā)生了疲勞斷裂現(xiàn)象。鑒于此，本文采用化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及硬度測(cè)試、斷口掃描電鏡等方法，綜合分析導(dǎo)致該型車(chē)輛彈簧失效斷裂的原因，并運(yùn)用磁粉檢測(cè)原理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致車(chē)輛彈簧斷裂失效的表面缺陷。

1 彈簧斷裂原因分析

1.1 化學(xué)元素分析

在上海軌道交通3號(hào)線03A01型車(chē)輛彈簧有效圓圈部位分別取1#試樣和2#試樣進(jìn)行化學(xué)成分元素分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 上海軌道交通3號(hào)線車(chē)輛彈簧化學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)化學(xué)元素分析，該類(lèi)彈簧化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn) EN 10089 《淬火和回火熱軋制彈簧鋼》中關(guān)于51CrV4的要求，初步判斷上海軌道交通3號(hào)線車(chē)輛軸箱彈簧所用原材料為51CrV4。

1.2 金相組織分析

如圖1所示，在上海軌道交通3號(hào)線03A01型車(chē)輛軸箱彈簧有效圓區(qū)域(彈簧的棒料直徑為37.5 mm)沿著圓截面選取1#試樣和2#試樣進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)彈簧中心區(qū)域基體組織為回火屈氏體(見(jiàn)圖2)，基體組織中存在極少量的枝晶偏析，對(duì)組織影響不大。對(duì)中心區(qū)域進(jìn)行洛式硬度測(cè)試，在兩個(gè)試樣各選取3點(diǎn)，測(cè)試硬度值分別為：1#試樣45.0HRC、44.5 HRC、44.5 HRC ；2#試樣45.0 HRC、44.5 HRC、45.0 HRC。測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)試樣的彈簧硬度值均正常。

a) 1#試樣

b) 2#試樣

彈簧變形區(qū)域組織(見(jiàn)圖3)中含有一定量的變形組織，該組織為形變馬氏體，是彈簧在高溫形變時(shí)發(fā)生相變產(chǎn)生的。由于馬氏體組織質(zhì)硬而脆，容易在彈簧的長(zhǎng)久使用過(guò)程中產(chǎn)生裂紋源。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，彈簧表面區(qū)域組織有一定深度的脫碳層(見(jiàn)圖4)，其厚度約為85 μm，遠(yuǎn)小于彈簧棒料直徑的1%(375 μm)。

1.3 斷口掃描分析

在彈簧斷口截面處進(jìn)行取樣(見(jiàn)圖5)，進(jìn)一步分析彈簧斷裂原因。疲勞斷口位于彈簧支撐圈與有效圈的接觸點(diǎn)位置附近(彈簧第1圈至1.2圈)，斷口與彈簧圓鋼軸線約呈45°角[2](圖1彈簧宏觀圖)。斷口清洗后用SEM(掃描電子顯微鏡)觀察微觀形貌。電鏡下彈簧斷口形貌為典型的疲勞斷口，具有三個(gè)特征區(qū)[3]：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。圖6為疲勞源附近微觀形貌圖，疲勞源起始于彈簧表面的受壓部位——有效圈與支撐圈的接觸位置(見(jiàn)圖7)，由于兩者之間接觸面積較小，此區(qū)域在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中相互碰擦產(chǎn)生的交變應(yīng)力大，極易產(chǎn)生疲勞裂紋源。裂紋萌生后隨即向彈簧內(nèi)部擴(kuò)展，形成圓弧形貝紋線。各組貝紋線是以疲勞源為圓心的平行弧線。貝紋線是疲勞區(qū)最典型的特征，是彈簧疲勞源在交變載荷作用下引起的。圖8為瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌，該區(qū)域微觀斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂，從斷口形態(tài)分析，由于斷裂開(kāi)始于彈簧圈邊緣，疲勞源在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，彈簧有效承載截面無(wú)法承受載荷應(yīng)力，發(fā)生瞬間>斷裂。

a) 1#試樣

b) 2#試樣

a) 1#試樣

b) 2#試樣

圖5 彈簧斷口宏觀形貌

1.4 磁粉檢測(cè)分析

為進(jìn)一步控制彈簧裝車(chē)后在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，彈簧檢修階段進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)。由于彈簧油漆層對(duì)磁粉檢測(cè)有影響，在磁粉檢測(cè)前需對(duì)彈簧進(jìn)行無(wú)破壞性脫漆。傳統(tǒng)意義上的脫漆方法如機(jī)械拋丸、噴丸等會(huì)對(duì)彈簧表面施加一定程度的壓應(yīng)力，不利于磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)早期裂紋等缺陷。本文采用中性脫漆劑對(duì)彈簧浸泡脫漆。由于彈簧易發(fā)生氫脆現(xiàn)象[4]，為證明脫漆對(duì)彈簧無(wú)危害性，脫漆后對(duì)彈簧進(jìn)行H元素含量測(cè)定。采用EMGA-821氫測(cè)定儀，按照GB/T 223.82—2007《鋼鐵 氫含量的測(cè)定 惰性脈沖熔融熱導(dǎo)法》測(cè)定脫漆后彈簧H元素含量為0.35 mg/kg，H含量較低。因此，使用中性脫漆劑對(duì)彈簧基體沒(méi)有危害性。

a) 1#彈簧斷口

b) 2#彈簧斷口

圖6 彈簧斷口SEM形貌

a) 俯視圖

b) 側(cè)面圖

圖7 有效圈與支撐圈接觸圖

a) 1#彈簧斷口

b) 2#彈簧斷口

圖8 瞬間斷裂區(qū)SEM形貌

由于彈簧特殊的螺旋結(jié)構(gòu)，采用中心導(dǎo)體法加通電法復(fù)合磁化對(duì)車(chē)輛彈簧進(jìn)行100%磁粉探傷。按照J(rèn)B/T 7367《圓柱螺旋壓縮彈簧 磁粉檢測(cè)方法》和EN 10228-1《鍛鋼件無(wú)損檢測(cè)——第一部分：磁粉檢測(cè)》對(duì)彈簧進(jìn)行磁粉檢測(cè)。圖9為A1-15/50試片貼置彈簧表面產(chǎn)生的人工缺陷磁痕，磁痕顯示清晰完整，證明了該方法的檢測(cè)靈敏度。在檢修階段彈簧實(shí)際檢測(cè)中，磁粉檢測(cè)能夠有效地發(fā)現(xiàn)彈簧表面出現(xiàn)的縱向缺陷(見(jiàn)圖10)以及橫向缺陷(見(jiàn)圖11)。因此，磁粉檢測(cè)對(duì)于本次檢修階段彈簧的表面缺陷具有較好的檢測(cè)靈敏度。

圖9 A1-15/50試片清晰顯示

圖10 彈簧縱向磁痕顯示

2 結(jié)論

(1) 上海軌道交通03A01型車(chē)輛彈簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，材質(zhì)為51CrV4。

(2) 彈簧的金相組織沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，基體組織為回火屈氏體；硬度值正常，為44.5～45.0 HRC；彈簧有約85 μm厚度的脫碳層(遠(yuǎn)小于棒料直徑的1%)。

圖11 彈簧橫向磁痕顯示

(3) 彈簧的斷裂原因?yàn)椋簭椈稍诮蛔冚d荷作用下，彈簧支撐圈與有效圈之間接觸產(chǎn)生碰擦，由于接觸面積小導(dǎo)致應(yīng)力大，使得彈簧在該部位變形萌生裂紋源；裂紋源在交變服役載荷作用下開(kāi)始疲勞擴(kuò)展；最后，彈簧有效承載截面無(wú)法抵抗載荷應(yīng)力，瞬間斷裂。由于上海軌道交通載客量很長(zhǎng)時(shí)間處于滿載負(fù)荷，使得彈簧服役條件惡劣，加劇了疲勞源的萌生及擴(kuò)展。

(4) 磁粉檢測(cè)對(duì)彈簧具有較高的檢測(cè)靈敏度，能有效發(fā)現(xiàn)彈簧表面的縱向缺陷和橫向缺陷。在彈簧檢修階段，對(duì)拆解后的彈簧進(jìn)行磁粉檢測(cè)，能夠有效地檢出彈簧表面缺陷并及時(shí)報(bào)廢，防止彈簧裝車(chē)后在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂失效。