高速重載機車車軸疲勞試驗失效分析及對策

文/李利連·大同機車鍛造有限責任公司

高速重載機車車軸疲勞試驗失效分析及對策

文/李利連·大同機車鍛造有限責任公司

背景介紹

隨著我國高速和重載列車的發展，對大功率機車車軸的性能提出了更高的要求。尤其是對機械性能、金相組織、疲勞性能和殘余應力的要求更加明確。HXD2F系列機車車軸型式試驗包括：⑴化學成分、夾雜物和機械性能要求；檢測實物車軸軸座的表面、R/2處、中心和相應部位常溫、-20℃橫向、縱向的沖擊性能；沖擊性能常溫檢測U型缺口，低溫檢測V型缺口；⑵金相組織；⑶疲勞性能；⑷殘余應力試驗；⑸尺寸和其他。

機車車軸的疲勞性能對外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括合理的形狀尺寸（包括盡量避免應力集中）、正確選材，正確使用制造工藝。內在因素包括化學成分、組織形態、純潔度、微觀結構（位錯、空位等）、殘余應力等。

疲勞裂紋一般起源于零件高度應力集中部位或者表面缺陷處，如表面裂紋、軟點、夾雜、急劇的轉角過渡及刀痕等，疲勞破壞對缺陷有很大的敏感性。

大功率重載機車車軸按照標準和有關要求設計完成后，其材料的選擇、形狀尺寸和工況載荷、安全設計壽命等已經確定。HXD2F型機車車軸材質采用標準EN13261中的EA4T，此材料具有足夠高的抗疲勞性能和良好的綜合機械性能。但是在初次進行疲勞試驗時，發生了典型的疲勞失效。其車軸裂紋如圖1所示，圖中的裂紋是在疲勞試驗、磁粉探傷后紫外燈照射下的情況。

針對失效的試驗軸宏觀分析，并結合制造工藝分析，確定其失效的主要原因并對其改進，最終綜合機械性能、殘余應力、疲勞試驗完全符合標準。

影響機車車軸疲勞性能的主要因素和應對措施

機車車軸制造的主要工藝和檢測流程：原材料采購——鍛造——粗加工——調質——機械性能與金相檢測——超聲波探傷——精加工——磁粉探傷——疲勞性能檢測。

圖1 車軸裂紋

分析整個工藝流程，造成此次疲勞試驗失敗是由多方面的綜合因素造成的，主要因素是原材料、熱處理工藝和加工方法。取裂紋處金相試樣檢測其組織表面、1/2處、中心處情況如圖2所示。從圖上可以看出金相組織含有不同程度的鐵素體組織；晶粒度從表面到中心是不均勻的。

原材料

成分分析：試樣位置在輪座處（疲勞失效處），采用光譜儀進行化學成分分析。化學成分在合格的范圍內，但是成分偏析明顯。成分分析如表1所示。

由于化學成分的偏析造成拉伸試驗和沖擊試驗強度不均勻，差距較大，并且三個試樣沖擊功差值差距明顯較大。具體參數如表2所示。

應對措施

我們對EA4T的材質進行優化設計并且與鋼廠制訂了技術協議。

高速重載機車車軸應用標準是EN 13261和UIC811。這兩個標準中對化學成分的要求只規定了上限。選擇材料時對化學成分的范圍、夾雜物及微觀組織缺乏足夠的認識，造成了成分偏析。

通過對改進后的車軸進行解剖，與表1取樣相同位置的化學成分對比，發現成分偏析不明顯。

我們選擇與設計性能要求相適應的化學成分范圍，控制了夾雜物、偏析、內部缺陷，使其避免材料缺陷的風險，滿足機械性能要求。通過熱處理達到性能要求和組織均勻，減少存在于表面夾雜物的應力集中源，避免夾雜物與基體界面結合處過早產生疲勞裂紋。

圖2 金相組織和晶粒度

表1 成分分析

表2 拉伸試驗和沖擊試驗參數

熱處理

熱處理使用懸掛式連續熱處理生產線。原工藝熱處理后形成如圖2的金相組織，存有殘留鐵素體，不完全是標準要求的馬氏體/貝氏體組織。

應對措施：改進熱處理工藝參數——正火加調質。鍛造后進行正火處理，對正火冷卻進行了特殊的規定，消除鍛造缺陷、細化晶粒，為調質處理預備良好組織。

改進熱處理工藝后達到規定的機械性能、沖擊性能和金相組織。解剖多根車軸發現整根車軸表面、R/2處、和中心處趨于一致，符合標準要求并且性能穩定。改進后性能見表3。

改進熱處理工藝后的金相組織均為M+B組織，車軸R/2處、表面和心部，符合標準要求。如圖3所示。

工藝設計

經過對失效車軸的表面應力狀態進行檢測發現是拉應力，當時工藝設計時沒重視成品車軸表面應力狀態。疲勞性能應該要求工件表面最好預制置成壓應力。

⑴在精加工后進行磨削加工使其成為壓應力。

磨削工藝簡單，使用現成設備容易實現，但隨后的應力低。

磨削應力試驗數據如表4所示。

⑵通過輥壓試驗將其成為壓應力。

經過試驗，兩種工藝都能達到要求。輥壓后殘余應力較磨削工藝后壓應力大并且均勻，試驗數據如表5所示。

加工經歷

機械加工過程中，每一次加工都確保表面粗糙度，避免刀痕造成微小缺口，在工件表面形成應力集中，從而降低疲勞應力。抗拉強度越高缺口越敏感，這也證實了第一次疲勞試驗失敗的其中一個因素。

圖3 M+B組織圖片

表4 磨削應力試驗數據

表5 輥壓后的殘余應力試驗數據

通過對以上各個方面改進，進行小試樣（光滑試樣Rfl和帶缺口試樣RfE）的疲勞試驗和實物車軸的疲勞試驗發現全部合格。

最終確定機車車軸制造的主要工藝流程：原材料采購——鍛造——粗加工——正火——調質——超聲波探傷——精加工——輥壓——磁粉探傷——疲勞性能檢測——殘余應力檢測。

結論

產品設計時設法避免或者減弱應力集中，得出可靠安全合理的外形和尺寸。工藝設計全面考慮標準要求的各個環節及其可能出現的問題及其應對措施，注重工藝審查的重要性。

材料的選擇上，選擇脫氣效果好的，化學成分控制在較理想范圍，避免成分和組織偏析，夾雜物控制在要求的范圍內。確保熱處理后的性能和組織穩定。

熱處理時操作者嚴格執行工藝規定——正火加調質，使熱處理后的機械性能和組織均勻一致。

提高工件表面質量，避免表面刀痕或損傷處引起應力集中。機械加工過程中，保證表面粗糙度，避免因為工藝形成表面缺陷。

采用新技術、新工藝改進表面狀態。在工藝允許的情況下，采用磨削、噴丸、輥壓、表面熱處理、表面涂層等方式形成一層預壓力層，使殘余應力預置成一定的壓應力。

李利連，畢業于太原工業大學金屬材料及熱處理專業，高級工程師、技術部部長。2006年開始從事鍛壓工藝和熱處理工藝工作，尤其對各種材質的機車車軸鍛造、熱處理、機車車鉤和牽引座的材質及熱處理研究比較專業和具體，擅長各種形狀和材質工件的離子氮化。獲得活塞頂氮化國家級QC成果一等獎。參加起草的兩項中車標準已經發布實施。