地鐵車輛抗側(cè)滾扭桿的斷裂原因

樊茜琪

(上海軌道交通檢測技術(shù)有限公司, 上海 200434)

隨著我國高速鐵路及城市軌道交通的快速發(fā)展，對其車輛安全性和舒適性的要求也越來越高。為了提高軌道車輛的抗側(cè)滾剛度，尤其是減小車輛在經(jīng)過彎道或岔道時(shí)的側(cè)滾趨勢，在軌道車輛的設(shè)計(jì)中廣泛采用了抗側(cè)滾裝置[1]。抗側(cè)滾裝置主要由扭桿、軸承支座、扭臂、拉壓桿組件等組成，當(dāng)車輛有側(cè)滾趨勢時(shí)，兩個(gè)扭臂對于扭桿分別有一個(gè)反向的力矩作用，使扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，這時(shí)扭桿的復(fù)原彈性會(huì)提供一個(gè)反扭矩來減小車輛的側(cè)滾趨勢[2]。可見扭桿是主要受力部件，容易在服役過程中發(fā)生斷裂[3-5]。

某地鐵車輛抗側(cè)滾裝置示意圖如圖1所示。扭桿材料為51CrV4彈簧鋼，扭桿總長為2 590 mm，軸段中心處外徑約為47.3 mm，扭桿與扭臂之間采用花鍵連接。扭桿關(guān)鍵生產(chǎn)工藝包括機(jī)械加工、整體淬火與回火、噴丸處理和表面噴漆等。

圖1 抗側(cè)滾裝置示意圖Fig.1 Diagram of an anti-roll device

該車輛在服役過程中一扭桿于軸段中心部位發(fā)生斷裂。該扭桿在裝配前經(jīng)過淬火和回火處理后，在軸段中心部位進(jìn)行了局部加熱和矯直處理。為了分析該扭桿斷裂的根本原因，筆者進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)和分析，以期為改善扭桿性能提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂扭桿的宏觀形貌如圖2所示，可見斷面傾斜于扭桿軸線。在扭桿的一側(cè)，斷口呈弧形分布，其附近沿縱向有大面積油漆摩擦剝落現(xiàn)象，如圖2a)所示；在扭桿的另一側(cè)，斷口呈曲折的臺(tái)階狀，其附近有少量擠壓擦碰痕跡，如圖2b)所示。將扭桿斷裂附近區(qū)域去除表面油漆后用4%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸酒精溶液浸蝕，然后對扭桿進(jìn)行觀察，可見在斷口呈曲折臺(tái)階狀的一側(cè)有三處近似橢圓狀的斑區(qū)，并且部分?jǐn)嗫谖挥谄渲幸话邊^(qū)內(nèi)，如圖2c)所示，表明扭桿斷裂可能與該異常區(qū)域有關(guān)。

圖2 斷裂扭桿的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology on broken torsion bar: a) one side fracture; b) the other side fracture; c) abnormal speckle area

圖3 扭桿斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology on the fracture of torsion bar of: a) the overall; b) the crack initiation area

圖3a)所示為扭桿斷口的宏觀形貌。圖中上側(cè)斷口邊緣有一月牙狀深色區(qū)域，由此區(qū)域起始沿兩側(cè)周向向下形成放射狀條紋花樣(圖中箭頭所示)。兩側(cè)條紋花樣均呈扭轉(zhuǎn)弧形，最終交匯于斷口的右下側(cè)區(qū)域，該區(qū)域斷面粗糙，呈撕裂狀。由扭桿斷口的宏觀形貌可以判斷，斷口的月牙狀區(qū)域?yàn)榱鸭y起始區(qū)，斷口的中心區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，斷口的右下側(cè)區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)。裂紋起始區(qū)恰好在斷口呈曲折臺(tái)階狀的位置，如圖2b)所示，毗鄰裂紋起始區(qū)，裂紋擴(kuò)展初期形成不規(guī)則的起伏臺(tái)階狀斷口。進(jìn)一步觀察裂紋起始區(qū)宏觀形貌，如圖3b)所示，可見斷口較平坦，呈灰褐色輕微氧化狀，可能是扭桿自先期開裂至最終斷裂期間暴露于空氣中受到氧化所致。

圖4 裂紋起始區(qū)SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack initiation area: a) the overall at low magnification; b) the periphery at high magnification; c) away from the periphery at high magnification

1.2 掃描電鏡分析

使用JSM-6610型掃描電鏡(SEM)分析斷口上的裂紋起始區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)形貌，3個(gè)區(qū)域的分析位置見圖3a)中方框A,B,C。裂紋起始區(qū)的SEM形貌如圖4所示。由圖4a)可見，斷面較平坦，局部有受擠壓及擦傷的痕跡，并可見自邊緣向下擴(kuò)展的放射狀條紋。邊緣區(qū)的高倍形貌顯示該區(qū)域主要具有沿晶開裂特征，如圖4b)所示。靠近心部區(qū)域的SEM形貌則呈以沿晶開裂為主、準(zhǔn)解理斷裂為輔的混合特征，但晶粒較邊緣區(qū)域明顯細(xì)化，如圖4c)所示。

圖5所示為裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌。由圖5a)可見，有沿周向自上而下的放射狀條紋；中間有一細(xì)微臺(tái)階，這可能是裂紋擴(kuò)展過程中承載力方向變化所致。高倍下可見近似平行的疲勞輝紋，這些疲勞輝紋與扭轉(zhuǎn)方向(即放射狀條紋的走向)大致垂直，如圖5b)所示。另外，圖5b)所示的二次裂紋表明局部沿晶開裂模式也同時(shí)存在，圖3a)中裂紋擴(kuò)展區(qū)右側(cè)區(qū)域顯現(xiàn)出同樣的斷裂微觀特征。

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack propagation area: a) at low magnification; b) at high magnification

圖6所示為最終斷裂區(qū)的SEM形貌。該區(qū)域表面較粗糙，局部有被擠壓及擦傷的痕跡，如圖6a)所示。在高倍下基本呈準(zhǔn)解理形貌，局部有少量韌窩，如圖6b)所示。

圖6 最終斷裂區(qū)SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the final fracture area: a) at low magnification; b) at high magnification

1.3 金相檢驗(yàn)

分別取扭桿斷口附近以及遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的縱截面制備金相試樣。試樣經(jīng)研磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，使用DMI5000M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，其顯微組織形貌如圖7所示。

扭桿斷口裂紋起始區(qū)附近未見明顯與開裂相關(guān)的夾雜物，如圖7a)所示。扭桿斷口附近的顯微組織沿扭桿軸向呈帶狀分布，且扭桿外表面斑區(qū)的顯微組織有異常，如圖7b)所示。斑區(qū)的顯微組織為細(xì)小條片狀馬氏體和少量殘余奧氏體，如圖7c)所示。斑區(qū)以外的正常區(qū)域顯微組織則為條片狀馬氏體、少量殘余奧氏體和少量鐵素體，如圖7d)和圖7e)所示，其中鐵素體是在熱處理過程中發(fā)生了輕微脫碳所引起的。圖7f)為扭桿中心部位遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織形貌，整體呈明暗相間的帶狀分布，其中明亮條帶主要為細(xì)小條片狀馬氏體和少量殘余奧氏體，而灰暗條帶則主要為粗大條片狀馬氏體和少量殘余奧氏體。圖7f)所示的帶狀組織特征與圖7b)的一致，帶狀組織很可能是合金元素偏析引起的。

1.4 化學(xué)成分分析

在扭桿遠(yuǎn)離斷口處取樣，利用QSN750-Ⅱ型真空直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可知扭桿的化學(xué)成分符合BS EN 10089:2002《淬火和回火彈簧用熱軋鋼——交貨技術(shù)條件》對51CrV4彈簧鋼的技術(shù)要求。

1.5 力學(xué)性能測試

在扭桿中心遠(yuǎn)離斷口處沿軸向取樣，依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，使用棒狀試樣測得材料的室溫力學(xué)性能如下：屈服強(qiáng)度為(1 628.5±5.5) MPa，抗拉強(qiáng)度為(1 952.5±2.5) MPa，斷后伸長率為2.0%±0.1%，斷面收縮率為3.0%±1.0%。扭桿中心處的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)強(qiáng)度(1 500～1 650 MPa)。

圖7 扭桿不同區(qū)域的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of different areas of torsion bar: a) near the crack initiation area (not etched); b) the area near the fracture; c) the area near the speckle; d) speckle area and nearby normal area; e) normal area; f) central area

表1 扭桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of torsion bar (mass fraction) %

在扭桿中心遠(yuǎn)離斷口處沿軸向取樣，依據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，測得試樣的室溫沖擊吸收功(KV2)為(8.1±0.5) J，低于設(shè)計(jì)要求(不小于10 J)。由強(qiáng)度、斷后伸長率和沖擊吸收功的試驗(yàn)結(jié)果可知，扭桿材料中心部位強(qiáng)度明顯偏高，韌性則偏低。

依據(jù)GB/T 230.1-2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法分別測試扭桿中心遠(yuǎn)離斷口處、經(jīng)去漆處理后的正常外表面以及橢圓狀斑區(qū)[圖2c)中黑色箭頭指示的區(qū)域]的洛氏硬度。得到扭桿中心遠(yuǎn)離斷口處、正常外表面和橢圓狀斑區(qū)的硬度分別為(54.9±0.1) HRC，(43.9±0.4) HRC,(52.9±0.8) HRC。可見斑區(qū)的硬度值與中心部位的接近，但明顯比其附近正常外表面的要高。

2 分析與討論

由理化檢驗(yàn)可知，斷裂扭桿的化學(xué)成分符合BS EN 10089:2002對51CrV4彈簧鋼的技術(shù)要求。扭桿基體的顯微組織為條片狀馬氏體和少量殘余奧氏體，馬氏體條片的粗細(xì)相間使得扭桿在淬火、回火處理后顯微組織形貌出現(xiàn)縱向帶狀分布的特征。上述帶狀組織的形成很可能與扭桿材料內(nèi)部合金元素偏析和扭桿在熱加工時(shí)易于形成纖維狀組織有關(guān)。通常粗大馬氏體條片來源于粗化的原始奧氏體晶粒，并且由圖7f)可見粗大的馬氏體在光學(xué)顯微鏡下呈黑色，是因?yàn)槠湮龀隽颂蓟?，容易被硝酸酒精浸蝕，由此判斷這些馬氏體條片已經(jīng)被充分回火。

扭桿正常部位的組織中含有少量鐵素體，這是熱處理過程中表層脫碳所引起的。扭桿中心部位局部區(qū)域有橢圓形斑區(qū)存在。斑區(qū)的組織與正常部位的不同，其主要區(qū)別在于前者條片狀馬氏體較后者更為細(xì)小，并且后者還包含少量鐵素體。斑區(qū)內(nèi)異常組織的形成與扭桿矯直時(shí)局部加熱、矯直工裝接觸部位的局部變形和快速冷卻有關(guān)。分析認(rèn)為由于斑區(qū)位于扭桿矯直時(shí)與工裝接觸的部位，局部加熱和矯直變形在斑區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更多的晶體缺陷，從而促進(jìn)斑區(qū)溫度快速冷卻至Ms點(diǎn)以下的馬氏體形成溫度區(qū)間內(nèi)，促進(jìn)細(xì)小馬氏體條片的形成；并且由于冷卻速度較快，鐵素體的形成被抑制。

脫碳和鐵素體的存在使得扭桿正常外表面的硬度值[(43.9±0.4) HRC]低于設(shè)計(jì)要求范圍(44～47 HRC)，而斑區(qū)的硬度值[(52.9±0.8) HRC]和遠(yuǎn)離外表層的硬度值[(54.9±0.1) HRC]卻顯著高于設(shè)計(jì)值。由沖擊吸收功和斷后伸長率的試驗(yàn)結(jié)果可知，扭桿基體材料的韌性較差，從而使其抵抗疲勞破壞的能力降低。

根據(jù)斷口的宏、微觀形貌可知，扭桿的斷裂模式為疲勞斷裂。扭桿裂紋起始區(qū)附近未見明顯與開裂相關(guān)的夾雜物分布，根據(jù)斷裂面傾斜于扭桿軸線以及斷口宏、微觀形貌可知，扭桿發(fā)生了正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。疲勞裂紋形核位置位于表面硬度異常區(qū)域(斑區(qū))。由于斑區(qū)和基體材料的高硬度和低韌性，結(jié)合圖4可知裂紋起始區(qū)呈現(xiàn)出沿晶開裂為主、準(zhǔn)解理斷裂為輔的混合特征；根據(jù)圖5和圖6可知隨著扭轉(zhuǎn)疲勞載荷的持續(xù)作用，疲勞輝紋沿兩側(cè)周向向下擴(kuò)展，最終形成終斷區(qū)，導(dǎo)致扭桿斷裂。由于扭桿受到擠壓與擦傷，裂紋起始區(qū)無法形成像裂紋擴(kuò)展區(qū)所示正常的疲勞輝紋。另外由圖1可見，扭桿中心部位的直徑較其他部位的要小，同樣的扭矩會(huì)造成中心部位承受更大的剪應(yīng)力(和等效正應(yīng)力)，這也是導(dǎo)致斷裂部位位于扭桿中段的重要原因。

3 結(jié)論及建議

該扭桿發(fā)生了正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。扭桿基體材料強(qiáng)度偏高，韌性偏低；另外，扭桿在矯直時(shí)局部加熱，矯直工裝接觸部位發(fā)生了局部變形，加上冷卻速度過快，使得扭桿中段形成了表面硬度異常區(qū)域。在扭轉(zhuǎn)疲勞載荷的持續(xù)作用下，表面硬度異常區(qū)域形成了沿晶開裂為主、準(zhǔn)解理斷裂為輔的疲勞裂紋源，并不斷擴(kuò)展，最終造成扭桿斷裂。

建議嚴(yán)格控制包括淬火、回火在內(nèi)的扭桿關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。提高扭桿材料的韌性，避免表面存在如組織、性能不均勻等的異常區(qū)域。