客轮踏面缺陷分析

http://www.microimage.com.cn(2011-06-21 18:51:44)

马钢质监中心,马鞍山243021)陈 刚(243020)

摘 要:在役25G特快客车用巴西和马钢的车轮上均出现横向裂纹、剥离和剥落等缺陷。对缺陷车轮进行了分析,认为热裂纹源于马氏体层中的微裂纹;近表层区域的应力状态决定了热裂纹的扩展形态,热裂纹扩展的结果导致剥离、剥落缺陷的出现。

关键词:车轮;踏面缺陷;失效分析

1概述

25G120km/h,主要采用踏面制动,同时装配有巴西和马钢车轮。这种车辆自1995年投入运行后,车轮踏面经常出现剥离、剥落和横向裂纹缺陷,严重影响了列车的正常运行。为查明缺陷产生的原因,我们取有踏面缺陷的三个车轮进行了分析,其中巴西车轮两个,马钢车轮一个。各车轮的缺陷概况见表1

2检验与结果

首先对三个车轮进行超声波探伤检查,均未发现内部缺陷。

2.1化学成分分析

2,均符合标准要求。

2.2力学性能试验

GB/T8601-1988标准进行拉伸、冲击、横断面硬度试验,结果均符合标准要求,见表3

2.3低倍分析

对三个车轮进行热酸侵试验,结果在三个车轮踏面表面均有密集分布的横向裂纹,为典型的热裂纹,见图1。在横断面上,两个巴西车轮上均有横向裂纹,距踏面约2mm,与剥离的深度相当,见图2

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2.4金相检验

GB/T8601-1988标准要求取样进行夹杂物检验,未见异常夹杂物。

对剥离断口进行扫描电镜观察,断口无疲劳特征,也均未见夹杂物。可见,缺陷的形成与材质因素无关。

10.35mm;巴西2号车轮的裂纹与踏面近于垂直,末梢分叉,深度为0.70mm(3)0.30mm(4)。从裂纹深度和走向看,裂纹向轮辋内部的扩展受到抑制。

3巴西2100×

在巴西1号车轮近剥离缺陷处截取金相试样,光学显微镜下观察,踏面表层有一厚约1mm的马氏体+屈氏体组织层,由表及里,屈氏体量增多。距该层不远处有一近于平行踏面的裂纹,与剥离区相连,深度为2mm(见图5),该裂纹还与数条垂直于踏面的径向裂纹相连,显然,剥离与热裂纹之间存在内在联系。

在巴西20.04mm的马氏体组织层,其内有许多裂纹,见图6

4100×图5巴西137.5×

6巴西2190×图7180×

在马钢车轮踏面中心截取金相试样,观察横断面裂纹形貌。在踏面表层有一马氏体组织层,层内有微裂纹。表层组织主要为球化组织,垂直于踏面的裂纹在约0.20mm处分叉向两边扩展,分叉点位于球化组织区与正常组织区的交界处,见图7

3讨论

常规检验结果表明,三个车轮化学成分和力学性能均符合GB/T8601-1988标准的要求。

三个车轮的踏面都存在密集的热裂纹,并有马氏体组织层,显示出相互依存的关系,但热裂纹的深度远大于白层厚度。从图6和图7可以看出,在马氏体层中有许多微裂纹,有些裂纹已扩展到黑色组织区。热裂纹的形成过程:运行过程中,由于制动和滑行,车轮经常受热,剧烈制动时,踏面淬火;缓和制动时,马氏体回火;经这样淬、回火的多次反复,其组织比容及组织应力急剧变化,产生表面微裂纹并在组织变化区扩展。国外的研究也证明,初始热裂纹是在马氏体回火时形成。

白层内形成微裂纹后,强烈制动产生的巨大热输入使白层下的原始周向压应力状态转变为周向拉应力状态,使得部分穿越了白层的微裂纹向内部扩展,裂纹的扩展符合热疲劳理论。对于CL60材质车轮来说,500350MPa左右;在600200MPa500℃甚至600℃时,材料在周向压应力作用下才易于塑性变形。这就需要有极高的热输入,否则难以改变应力状态。从组织分析结果看,在马钢车轮的近表层有0.20mm深的球化组织区,其回火索氏体中碳化物颗粒的聚集长大和珠光体中渗碳体片的弯曲、球化都需要700℃左右的高温的反复作用;马氏体层的存在,表明制动时踏面表层金属处于奥氏体化温度区,达到或超过了800600

反复的强烈制动一方面使踏面下部分区域的应力状态转变;另一方面,由表及里的温度梯度造成里外不均匀的热膨胀,必然在温度陡降处产生动态的径向拉应力,形成热冲击。当热裂纹处于周向拉应力区域时,其优先向径向扩展,一旦到达周向压应力区域,裂纹扩展受阻,在动态径向拉应力作用下将择优向周向扩展,从图5和图7中裂纹的扩展方向即可看出这一特点。因此,热裂纹的过早转向、末梢分叉是径向拉应力作用的结果。

踏面下的应力状态决定裂纹扩展的最终结果。三个车轮中,热裂纹有两种发展形态,即裂纹或与踏面成一定角度或垂直于踏面。根据前者裂纹形态可知,剧烈制动的时间短促,踏面下应力状态变化的范围很小,裂纹突破白层后很快受控于径向拉应力而转向,裂纹扩展的结果形成剥落状缺陷;而后者剧烈制动保持的时间较长,踏面下应力状态变化的范围较大,裂纹分叉之前主要受周向拉应力作用,分叉处到达周向压应力区域,其继续沿周向扩展。

综上所述,裂纹扩展导致两种结果,裂纹较浅时,形成剥落状缺陷,如马钢车轮;裂纹较深时,形成剥离缺陷,如巴西车轮。剥离、剥落缺陷都是热裂纹扩展的结果。

4结论

(1)25G客车车轮踏面缺陷属于热损伤缺陷,由不良制动造成。

(2)剥离、剥落都是热裂纹扩展的结果,热裂纹深者形成剥离缺陷,而浅者则形成剥落状缺陷。

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