L70型糧食漏斗車斜撐折彎裂紋失效分析

羊彥倫， 高月琴， 秦寶林， 李偉， 朱進華（南車眉山車輛有限公司，四川眉山620032）

1 裂紋情況概述

L70型糧食漏斗車斜撐件采用折壓的方式進行生產，見圖1。出現折彎位置的裂紋及分段取樣，如圖2所示，出現裂紋的構件材料為Q450NQR1，厚度8.3 mm，構件截面圖見圖3。可以看出，裂紋出現在圓弧與直線段過渡處，非彎曲變形最大處，該處板厚8.2 mm，但是為受力較大處，彎曲部位最薄的尺寸為8.0 mm。

圖1 斜撐折壓

圖2 斜撐裂紋與分段取樣情況

圖3 斜撐截面圖

2 失效分析方法的確定

通過對構件的生產情況的充分了解，并對使用的折壓設備和相關折壓技術參數的分析，擬采用以下試驗方法進行失效分析：1）采用化學法對材料進行成分分析和對比；2）進行材料的抗拉、彎曲性能和沖擊性能的檢驗；3）對出現裂紋（長度160mm）試件進行多截面的宏觀與微觀金相觀察；4）對裂紋附近的組織和化學成分進行EDS分析；5）分析裂紋的種類與產生的原因；6）針對裂紋的防止方法進行分析。

2.1 成分分析

通過材料的化學法成分分析，結果如表1所示。

表1 材料的化學成分質量分數 %

從表1可以看出，該材料的化學成分均符合《鐵道貨車用高強度耐大氣腐蝕熱軋板(帶)訂貨技術條件(暫行)》標準要求。

2.2 材料力學性能檢測

根據 GB/T 228.1-2010、GB/T 232-2010和 GB/T 229-2007標準，進行材料的力學性能檢測，試驗結果見表2。

表2 材料力學性能檢測

材料的力學性能滿足鐵道部相關的標準要求。

2.3 裂紋的宏觀觀察

進行材料的裂紋處的宏觀觀察，材料裂紋處的宏觀金相如圖4所示。

圖4 材料裂紋處的宏觀金相

通過對提供的含裂紋試件和截取的5件有裂紋的小試件的宏觀觀察可以發現，裂紋總長度可達160 mm，裂紋深度0～0.4 mm，裂紋微區的擴展長度為0～1 mm，裂紋從材料表面起裂，斜向15°左右短長度擴展，然后接近平行于材料表面擴展0～1 mm，少量起皮金屬缺失。

2.4 裂紋處的微觀組織觀察

從存在裂紋的構件中取樣，進行5處裂紋截面的微觀組織觀察，觀察結果如圖5～圖9所示。

可以看出，5處材料內部的組織均為鐵素體+珠光體細晶粒組織，裂紋附近的組織由于接近試件的邊緣，個別有比較明顯的滑痕，1#試件的裂紋由于在裂紋的邊緣，已經不是很明顯，但是晶粒比內部要粗一些。每段裂紋處的形態不同是因為每處截面裂紋擴展的深度不同，3#試件的裂紋擴展最長。

2.5 裂紋處的SEM和EDS分析

將3#試件制樣（膠固、磨制、腐蝕、噴金），進行SEM和EDS分析，分析結果如圖10所示。

從圖10（b）中可以看出，裂紋內部還有微裂紋，內部的斷裂面形態比較平滑，并且靠近表面的晶粒度比裂紋靠近材料內部的要稍微粗大一些。

從圖 10（d）中可以看出，裂紋內部的表面有 20 μm左右的組織，并與內部金屬有明顯的區別，采用EDS技術對材料內部、起皮的金屬內部和20 μm左右的不同組織進行化學成分分析，結果見圖11～圖13。

圖5 1#件微觀組織觀察100×

圖6 2#件微觀組織觀察 100×

圖7 3#件微觀組織觀察 100×

圖8 4#件微觀組織觀察

圖9 5#件微觀組織觀察 100×

可以看出，材料內部和起皮的金屬內部的C、Fe元素基本上一樣，但是20 μm左右的不同組織的化學成分和材料內部的元素中含有一定的O元素，可以確定這層不同的組織應該是氧化鐵成分，由于該處很窄，根本不能進行化合物的具體種類的判定（XRD相分析需要至少10×1 mm的樣品），因此只能籠統地判定為氧化鐵相成分。

3 出現裂紋的原因綜合分析

通過前面的試驗驗證可以看出，材料的化學成分和基本性能均能夠滿足相關的技術要求。

圖10 裂紋微觀SEM觀察

圖11 材料內部的化學成分分析

圖12 起皮金屬內部的化學成分分析

圖13 20 μm左右的不同組織的化學成分分析

彎曲件出現裂紋的常見原因如下：

1）材料的塑性低。 原因有：（ 1） 材料的延伸率低；（ 2）晶粒度大小不均；（3）出現了有害的魏氏組織；（4）材料的冷彎性能不符合技術標準規定；（5）表面質量差，有劃痕、銹蝕等缺陷。

2）彎曲線與板材軋制方向夾角不符合變形規律的要求，沖裁前的排樣使彎曲線與板材的軋制方向間的夾角不符合工藝要求。

3）彎曲半徑過小。由于彎曲半徑過小，在彎曲時，外層金屬的變形程度超過了變形極限。

4）沖裁斷面質量差。沖裁件的毛刺比較大或者彎曲部位的板材有裂紋等。

5）凸模和凹模磨損或者模具間隙過小。凹模表面拉毛或者結構不當等原因造成進料阻力增大，而把彎曲件拉裂。

6）潤滑不夠。如果潤滑不充分，摩擦力就大，也容易把彎曲件拉裂。

7）板材厚度嚴重超差，等等。

L70型糧食漏斗車斜撐在生產過程中，板厚8.3 mm，超標不多。彎曲直徑是公稱板厚的1.5倍，因此實際的彎曲直徑還達不到實際板厚的1.5倍，鐵路貨車技術規范上要求的彎曲性能檢測中彎曲直徑應該是板厚的2倍，因此生產中采用的彎曲直徑偏低。當然，彎曲角度只有90°，是可以適當減小彎曲直徑的，試驗驗證了該材料在彎曲直徑為板厚的1.5倍時，彎曲180°后沒有出現裂紋，說明該材料具有較好的延展率。

通過裂紋的局部區域微觀觀察發現，裂紋是因為氧化膜的存在，由于氧化膜脆，在較大的力的作用下拉裂造成，該裂紋沒有出現在最大的變形處。

氧化膜以一定的角度，從表面開始向下延伸，內部的氧化膜和材料表面幾乎平行，深度較淺，在材料軋制過程中出現的幾率較低。

材料內部的氧化膜應該是出現在鋼廠軋制生產過程中。厚板在軋制過程中可能因為軋機系統的原因，造成局部褶皺缺陷，連續軋制時將褶皺擠壓進材料近表面下，因此褶皺表面的氧化膜被擠壓進材料的近表面。當該處表面受到一定量的拉伸變形時，由于氧化膜脆，從而造成開裂，并沿氧化膜的走向形成一定深度和長度的裂紋。

4 裂紋預防措施

由于裂紋是由于材料近表面的氧化膜的存在造成，不是材料自身的力學性能造成的，且裂紋存在于材料的近表面，深度不超過板厚公差的50%，該公司采用機械打磨的方法去除該類缺陷，本身板厚為8.3 mm，大于設計的8 mm厚度，因此，裂紋的機械打磨處理不會影響該處的安全使用。

找到產生裂紋的真正原因，排除了折壓設備及折壓模具等操作原因，避免裂紋產生原因不明而盲目調整折壓設備及模具折彎半徑參數等引起的巨大資金投入，避免了經濟損失。物資采購部門明確要求供應商在以后的鋼板軋制過程中強化生產裝備的良好檢修為維護，避免該類氧化膜缺陷的存在。