上海軌道交通03A01型車輛軸箱彈簧斷裂原因分析

沈 豪

(申通南車(上海)軌道交通車輛維修有限公司，201814，上海//高級工程師)

地鐵列車行駛過程中，軸箱彈簧往往承受著高頻往復壓縮運動，起著緩沖和減振作用，其質量好壞對列車的平穩(wěn)性、安全性起著至關重要的作用。地鐵列車運行一定里程后，部分軸箱彈簧會出現(xiàn)疲勞斷裂失效的現(xiàn)象。國內學者普遍認為，內部缺陷是造成彈簧早期失效的主要原因，其中包括由材料的異常組織、非金屬夾雜物等原因引起的失效。此外，材料表面的缺陷(如表面脫碳和表面的凹坑、劃痕等)及材料的熱處理工藝也可導致彈簧的失效[1]。而在長期的使用中，即便沒有夾雜和組織異常等原因，彈簧的某些部位亦會在載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂。上海軌道交通3號線03A01型車輛檢修階段的軸箱彈簧在長期交變載荷作用下，部分彈簧發(fā)生了疲勞斷裂現(xiàn)象。鑒于此，本文采用化學成分分析、金相檢驗及硬度測試、斷口掃描電鏡等方法，綜合分析導致該型車輛彈簧失效斷裂的原因，并運用磁粉檢測原理，發(fā)現(xiàn)導致車輛彈簧斷裂失效的表面缺陷。

1 彈簧斷裂原因分析

1.1 化學元素分析

在上海軌道交通3號線03A01型車輛彈簧有效圓圈部位分別取1#試樣和2#試樣進行化學成分元素分析，其結果見表1。

表1 上海軌道交通3號線車輛彈簧化學分析結果

經(jīng)過化學元素分析，該類彈簧化學成分符合標準 EN 10089 《淬火和回火熱軋制彈簧鋼》中關于51CrV4的要求，初步判斷上海軌道交通3號線車輛軸箱彈簧所用原材料為51CrV4。

1.2 金相組織分析

如圖1所示，在上海軌道交通3號線03A01型車輛軸箱彈簧有效圓區(qū)域(彈簧的棒料直徑為37.5 mm)沿著圓截面選取1#試樣和2#試樣進行金相分析，發(fā)現(xiàn)彈簧中心區(qū)域基體組織為回火屈氏體(見圖2)，基體組織中存在極少量的枝晶偏析，對組織影響不大。對中心區(qū)域進行洛式硬度測試，在兩個試樣各選取3點，測試硬度值分別為：1#試樣45.0HRC、44.5 HRC、44.5 HRC ；2#試樣45.0 HRC、44.5 HRC、45.0 HRC。測試結果表明，兩個試樣的彈簧硬度值均正常。

a) 1#試樣

b) 2#試樣

彈簧變形區(qū)域組織(見圖3)中含有一定量的變形組織，該組織為形變馬氏體，是彈簧在高溫形變時發(fā)生相變產(chǎn)生的。由于馬氏體組織質硬而脆，容易在彈簧的長久使用過程中產(chǎn)生裂紋源。同時發(fā)現(xiàn)，彈簧表面區(qū)域組織有一定深度的脫碳層(見圖4)，其厚度約為85 μm，遠小于彈簧棒料直徑的1%(375 μm)。

1.3 斷口掃描分析

在彈簧斷口截面處進行取樣(見圖5)，進一步分析彈簧斷裂原因。疲勞斷口位于彈簧支撐圈與有效圈的接觸點位置附近(彈簧第1圈至1.2圈)，斷口與彈簧圓鋼軸線約呈45°角[2](圖1彈簧宏觀圖)。斷口清洗后用SEM(掃描電子顯微鏡)觀察微觀形貌。電鏡下彈簧斷口形貌為典型的疲勞斷口，具有三個特征區(qū)[3]：疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。圖6為疲勞源附近微觀形貌圖，疲勞源起始于彈簧表面的受壓部位——有效圈與支撐圈的接觸位置(見圖7)，由于兩者之間接觸面積較小，此區(qū)域在車輛運行過程中相互碰擦產(chǎn)生的交變應力大，極易產(chǎn)生疲勞裂紋源。裂紋萌生后隨即向彈簧內部擴展，形成圓弧形貝紋線。各組貝紋線是以疲勞源為圓心的平行弧線。貝紋線是疲勞區(qū)最典型的特征，是彈簧疲勞源在交變載荷作用下引起的。圖8為瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌，該區(qū)域微觀斷裂機制為準解理斷裂和沿晶斷裂，從斷口形態(tài)分析，由于斷裂開始于彈簧圈邊緣，疲勞源在交變應力作用下產(chǎn)生裂紋擴展，當裂紋擴展到一定程度時，彈簧有效承載截面無法承受載荷應力，發(fā)生瞬間>斷裂。

a) 1#試樣

b) 2#試樣

a) 1#試樣

b) 2#試樣

圖5 彈簧斷口宏觀形貌

1.4 磁粉檢測分析

為進一步控制彈簧裝車后在列車運行過程中發(fā)生斷裂失效，彈簧檢修階段進行100%磁粉檢測。由于彈簧油漆層對磁粉檢測有影響，在磁粉檢測前需對彈簧進行無破壞性脫漆。傳統(tǒng)意義上的脫漆方法如機械拋丸、噴丸等會對彈簧表面施加一定程度的壓應力，不利于磁粉檢測發(fā)現(xiàn)早期裂紋等缺陷。本文采用中性脫漆劑對彈簧浸泡脫漆。由于彈簧易發(fā)生氫脆現(xiàn)象[4]，為證明脫漆對彈簧無危害性，脫漆后對彈簧進行H元素含量測定。采用EMGA-821氫測定儀，按照GB/T 223.82—2007《鋼鐵 氫含量的測定 惰性脈沖熔融熱導法》測定脫漆后彈簧H元素含量為0.35 mg/kg，H含量較低。因此，使用中性脫漆劑對彈簧基體沒有危害性。

a) 1#彈簧斷口

b) 2#彈簧斷口

圖6 彈簧斷口SEM形貌

a) 俯視圖

b) 側面圖

圖7 有效圈與支撐圈接觸圖

a) 1#彈簧斷口

b) 2#彈簧斷口

圖8 瞬間斷裂區(qū)SEM形貌

由于彈簧特殊的螺旋結構，采用中心導體法加通電法復合磁化對車輛彈簧進行100%磁粉探傷。按照JB/T 7367《圓柱螺旋壓縮彈簧 磁粉檢測方法》和EN 10228-1《鍛鋼件無損檢測——第一部分：磁粉檢測》對彈簧進行磁粉檢測。圖9為A1-15/50試片貼置彈簧表面產(chǎn)生的人工缺陷磁痕，磁痕顯示清晰完整，證明了該方法的檢測靈敏度。在檢修階段彈簧實際檢測中，磁粉檢測能夠有效地發(fā)現(xiàn)彈簧表面出現(xiàn)的縱向缺陷(見圖10)以及橫向缺陷(見圖11)。因此，磁粉檢測對于本次檢修階段彈簧的表面缺陷具有較好的檢測靈敏度。

圖9 A1-15/50試片清晰顯示

圖10 彈簧縱向磁痕顯示

2 結論

(1) 上海軌道交通03A01型車輛彈簧的化學成分符合標準規(guī)定，材質為51CrV4。

(2) 彈簧的金相組織沒有發(fā)現(xiàn)異常，基體組織為回火屈氏體；硬度值正常，為44.5～45.0 HRC；彈簧有約85 μm厚度的脫碳層(遠小于棒料直徑的1%)。

圖11 彈簧橫向磁痕顯示

(3) 彈簧的斷裂原因為：彈簧在交變載荷作用下，彈簧支撐圈與有效圈之間接觸產(chǎn)生碰擦，由于接觸面積小導致應力大，使得彈簧在該部位變形萌生裂紋源；裂紋源在交變服役載荷作用下開始疲勞擴展；最后，彈簧有效承載截面無法抵抗載荷應力，瞬間斷裂。由于上海軌道交通載客量很長時間處于滿載負荷，使得彈簧服役條件惡劣，加劇了疲勞源的萌生及擴展。

(4) 磁粉檢測對彈簧具有較高的檢測靈敏度，能有效發(fā)現(xiàn)彈簧表面的縱向缺陷和橫向缺陷。在彈簧檢修階段，對拆解后的彈簧進行磁粉檢測，能夠有效地檢出彈簧表面缺陷并及時報廢，防止彈簧裝車后在運行過程中發(fā)生斷裂失效。