地鐵列車轉向架構架開裂的失效分析

沈豪

（上海軌道交通維護保障中心車輛公司，上海 200233）

0 引 言

地鐵列車轉向架構架是地鐵列車非常重要的構件之一，由不同形狀和尺寸的St52－3鋼板（為德國生產制造的一種焊接結構用耐侯鋼，具有良好的焊接性能）焊接而成。某型號地鐵列車轉向架構架正常設計壽命為30a，在列車運行約5a后的檢修中發(fā)現(xiàn)了多起轉向架構架開裂現(xiàn)象。因發(fā)現(xiàn)及時，沒有造成嚴重的后果。為防止此類失效問題的再次出現(xiàn)，作者對其失效原因進行了分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

圖1 裂紋位置（構架倒置）Fig.1 Location of the fracture（inverted bogie frame）

開裂處位于轉向架構架“工”型箱體的下表面和垂直表面上，見圖1中箭頭所指的橢圓形標識位置，其基本位于轉向架構架的橫梁上，該處有一個焊接于橫梁上的突出結構，該部位向外凸出處安裝電機，見圖2。

將轉向架構架裂紋部位切割取下，由圖3可見，裂紋基本位于轉向架構架橫梁的母材上，從拐角部位向兩個垂直相交的母材以近45°擴展，垂直方向母材上的裂紋較長，和z向約成45°，水平方向的裂紋和x向也約成45°。

圖4 裂紋開裂面宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the fracture surface at low magnification（a）and medium magnification（b）

將裂紋打開，可見開裂面比較平整，靠近“工”型箱體的內表面存在剪切唇，如圖4（a）所示，可見開裂是從“工”型箱體外表面區(qū)域開始的；在較高放大倍數(shù)下觀察，隱約可見有貝殼紋和放射紋存在，見圖4（b）。根據(jù)放射紋的收斂方向或貝殼紋的逆指向可判斷開裂源位于垂直板材和水平板材的角焊縫處，然后向相互垂直的兩塊焊板擴展。

裂紋源區(qū)斷口的宏觀形貌見圖5，圖5（a）和（b）為兩個相匹配的開裂面，可見存在明顯的孔洞型焊接缺陷以及放射紋和人字紋特征；根據(jù)放射紋和人字紋的收斂方向判斷開裂源位于焊縫上的孔洞型缺陷處；由圖5（b）可以看到，靠近開裂面左上部分存在大致平行的線痕，此為最初制造轉向架構架時切割鋼板留下的加工痕跡，為原始自由表面，屬于未熔合焊接缺陷。

圖5 裂紋源區(qū)上下匹配面的宏觀形貌Fig.5 Macrography of fracture source：（a）top surface and（b）below surface

1.2 化學成分

失效轉向架構架母材的化學成分見表1，可見其含量均符合EN10155（1993）《焊接結構用耐候鋼》中對St52－3鋼的技術要求。

1.3 拉伸性能

從靠近裂紋的垂直焊板上加工出拉伸試樣進行拉伸試驗，結果見表2，可見其母材性能符合EN10155（1993）中對St52－3鋼的技術要求。

1.4 顯微組織

從開裂源區(qū)以及裂紋擴展區(qū)分別取樣做顯微組織分析，由圖6可見，裂紋源區(qū)的顯微組織中焊接特征明顯，存在未熔合和氣泡焊接缺陷，在焊縫區(qū)域還有柱狀晶組織。從靠近開裂面的母材上切取縱向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于LEICA DMLM型光學顯微鏡下觀察，按照 GB／T 10561－2005／ISO4967：1998（E）實際檢驗A法，采用ISO評級圖評定夾雜物級別，檢驗結果為 A0.5，B0，C0，D0.5，無粗系夾雜物。轉向架構架裂紋擴展區(qū)顯微組織為鐵素體和珠光體，存在帶狀組織偏析，為穿晶型斷裂，圖中箭頭所指的剪切唇為最后斷裂區(qū)域；母材的顯微組織也為鐵素體和珠光體，也存在帶狀組織偏析，轉向架構架裂紋附近的鋼板母材組織正常。

表1 失效轉向架構架的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of disable bogie frame（mass） %

表2 拉伸性能測試結果Tab.2 Test results of tensile properties

圖6 轉向架構架不同區(qū)域的顯微組織Fig.6 Microstructure of different regions of bogie frame：（a）fracture source area at low magnification；（b）fracture source area at high magnification；（c）extension area and（d）base metal

1.5 斷口SEM形貌

由圖7可見，轉向架構架開裂源區(qū)及靠近開裂源區(qū)的斷口上覆蓋著一層較厚、個別區(qū)域已經(jīng)龜裂的氧化腐蝕產物和點蝕坑；在原始開裂面和人工斷開面交界處的分界線比較明顯；人工斷開面的主要特征為韌窩；裂紋擴展區(qū)的開裂面比較平坦，存在一些腐蝕產物；該區(qū)域高倍形貌顯示有明顯的疲勞輝紋和少量二次裂紋。

2 分析與討論

由以上分析可知，開裂處無明顯塑性變形，存在少量剪切唇，存在放射紋路和貝殼紋特征，放射紋收斂于焊縫區(qū)域的焊接缺陷處，具有疲勞斷裂的宏觀特征［1］。靠近裂紋源區(qū)的斷裂面氧化腐蝕程度比較嚴重，無法觀察到斷口的微觀形貌，靠近裂紋尖端的斷裂面上觀察到了大量疲勞輝紋和少量二次裂紋，具有疲勞斷裂的微觀特征，可判斷轉向架構架處開裂為疲勞開裂。開裂構架母材的化學成分、拉伸性能和顯微組織均符合技術要求。裂紋源區(qū)的焊縫中存在明顯的氣泡和未熔合等焊接缺陷，根據(jù)開裂面上放射紋和人字紋的收斂方向判斷開裂源于焊縫上的孔洞型缺陷。這說明該轉向架構架的焊接質量較差，焊縫中存在較多的焊接缺陷是產生疲勞開裂的主要原因。

正常情況下，在轉向架構架近裂紋處向外凸出的部位安裝電機，電機懸掛于該處后，“工”型箱體的上表面承受壓應力，下表面承受拉應力，在列車運行期間，由于路況等原因，電機會產生上下振動，使得轉向架構架反面承受交變拉應力，并于應力集中明顯的焊接缺陷處萌生裂紋源［2］，從而導致轉向架構架的疲勞開裂。

3 結論與措施

該轉向架構架的開裂性質為疲勞開裂，裂紋源的產生和焊縫區(qū)域較為嚴重的焊接缺陷及結構不合理有關。列車在運行過程中，裂紋區(qū)域會承受不同程度的交變循環(huán)拉應力，使得焊接缺陷處萌生了裂紋源，從而導致疲勞開裂。

圖7 斷口不同區(qū)域的SEM形貌特征Fig.7 SEM morphology of different regions of fracture：（a）fracture source area；（b）nearby fracture source area；（c）crack extension area and artificial crack area；（d）dimple in artificial crack area；（e）cracks extension area and（f）fatigue striation in cracks extension area

根據(jù)該分析結論，提出不再將電機懸掛于轉向架構架上，并控制焊接質量的措施。該措施實施后經(jīng)近10a的實際運行，轉向架構架再未出現(xiàn)開裂。

［1］張棟，鐘培道，陶春虎.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：132－133.

［2］師昌緒，鐘群鵬，李成功.中國材料工程大典［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005：500.