簡(jiǎn)析高速重載工況對(duì)車(chē)輪輪輞疲勞裂紋萌生的影響*

叢 韜，付秀琴，張 斌，張 弘，張關(guān)震，張澎湃

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

簡(jiǎn)析高速重載工況對(duì)車(chē)輪輪輞疲勞裂紋萌生的影響*

叢 韜，付秀琴，張 斌，張 弘，張關(guān)震，張澎湃

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

研究了在重載列車(chē)和高速列車(chē)車(chē)輪實(shí)際使用工況下，輪軌接觸應(yīng)力提高后車(chē)輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力增加對(duì)輪輞疲勞裂紋萌生的影響。對(duì)普通列車(chē)、重載列車(chē)、高速列車(chē)上實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中發(fā)生輞裂的車(chē)輪進(jìn)行失效分析和研究，結(jié)果表明：列車(chē)軸重增加和運(yùn)行速度提高，導(dǎo)致車(chē)輪輪輞內(nèi)部萌生裂紋的“臨界夾雜物尺寸”減小，使車(chē)輪輪輞中原本處于安全尺寸范圍的脆性?shī)A雜物越過(guò)“臨界夾雜物尺寸”成為疲勞裂紋萌生的主要發(fā)源點(diǎn)，最終導(dǎo)致車(chē)輪輪輞疲勞裂紋的形成。

車(chē)輪；輪輞疲勞裂紋；非金屬夾雜物

車(chē)輪是機(jī)車(chē)車(chē)輛的重要走行部件，車(chē)輪在使用過(guò)程中產(chǎn)生的輪輞疲勞裂紋（輞裂）是車(chē)輪的典型損傷類(lèi)型之一，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)輞裂會(huì)嚴(yán)重危及機(jī)車(chē)車(chē)輛的行車(chē)安全。當(dāng)前運(yùn)用的機(jī)車(chē)車(chē)輛中普遍存在輞裂的損傷情況。

隨著中國(guó)鐵路的快速發(fā)展，速度高達(dá)300 km/h的列車(chē)和30 t軸重的重載貨車(chē)陸續(xù)投入使用，輪軌間的動(dòng)態(tài)相互作用力隨速度的提高呈線性規(guī)律遞增［1］，同樣輪軌接觸應(yīng)力隨著軸重的提高而增加［2-3］，另外在高速和重載運(yùn)用下，車(chē)輪踏面擦傷、剝離等情況會(huì)導(dǎo)致沖擊載荷作用在輪軌間，這些因素都將引起車(chē)輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加［4-6］，因此在輪軌間動(dòng)態(tài)相互作用力增大的情況下，車(chē)輪輪輞內(nèi)部夾雜物類(lèi)型，尺寸大小，形態(tài)都將成為影響車(chē)輪輞裂的萌生和擴(kuò)展的重要因素。

結(jié)合前期典型的車(chē)輪輞裂案例，分析重載、高速下車(chē)輪輞裂傷損特點(diǎn)，研究輪軌接觸應(yīng)力增加情況下，車(chē)輪輪輞中夾雜物尺寸、類(lèi)型對(duì)車(chē)輪輞裂萌生的影響，并提出預(yù)防輞裂的措施。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)研究的失效車(chē)輪分為3種類(lèi)型，普通列車(chē)速度小于120 km/h、軸重小于18 t，重載列車(chē)速度小于100 km/h，軸重25 t、高速列車(chē)速度大于250 km/h、軸重不超過(guò)17 t。以上三者裝用的均為輾鋼車(chē)輪，車(chē)輪踏面熱處理工藝均為淬火加回火處理，3件車(chē)輪的主要元素含量基本在同一水平，拉伸性能和踏面下15 mm處的硬度基本相同，如表1和表2所示。將3個(gè)車(chē)輪輞裂打開(kāi)后，分別利用NEOPHOT-21型金相顯微鏡（OM），S4300冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和FEI-Quanta400掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)裂紋源區(qū)斷口截面的金相試樣上夾雜物進(jìn)行觀察，采用能譜（EDS）定性分析夾雜物種類(lèi)，利用NMT－3型顯微硬度計(jì)對(duì)裂紋源區(qū)附近的組織進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

典型的車(chē)輪輞裂起源于輪輞內(nèi)部，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定的尺寸后，如圖1在輪輞外側(cè)面觀察到沿周向的裂紋，輞裂萌生于踏面下一定深度范圍存在大顆粒非金屬夾雜物的位置，內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展到輪輞外側(cè)面或踏面后，裂紋的踏面一側(cè)金屬極易破碎和發(fā)展成局部大塊脫落，如圖2。疲勞裂紋擴(kuò)展面與踏面呈某一角度且具有貝殼狀條紋特征，如圖3，有明顯的裂紋源，為典型的疲勞斷裂，輞裂斷口主要是穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)域，輞裂的萌生具有低應(yīng)力高周疲勞斷裂性質(zhì)。

發(fā)生輞裂傷損的車(chē)輪分別為重載列車(chē)使用的輾鋼車(chē)輪，其宏觀形貌如圖3，裂紋源位于踏面下19 mm處，普通列車(chē)使用的輾鋼車(chē)輪，如圖4，裂紋源位于踏面下14 mm處，圖中上側(cè)為踏面一側(cè)斷口（上耦合面），已在輪軌接觸應(yīng)力作用下發(fā)生破碎，高速列車(chē)使用的輾鋼車(chē)輪，裂紋源位于踏面下10 mm處，斷口形貌與圖3和圖4中斷口形貌特征一致。

在3種類(lèi)型車(chē)輪裂紋源區(qū)取樣進(jìn)行金相和能譜分析，如圖5和圖6，普通列車(chē)車(chē)輪的裂紋源區(qū)可觀察大顆粒的殘留宏觀鏈狀非金屬夾雜物，經(jīng)EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)該殘留夾雜物為Al2O3，該種球形夾雜物呈鏈狀分布，為脆性?shī)A雜物，長(zhǎng)度約為565μm。

經(jīng)過(guò)多次仔細(xì)觀察重載列車(chē)和高速列車(chē)疲勞斷口的金相磨面，在斷口區(qū)域未找到有大顆粒的殘留夾雜物，僅觀察到裂紋源處異常的金相組織和少量小顆粒的夾雜物。從圖7中可見(jiàn)裂紋源斷口表面有較厚的白層組織，其厚度約為130μm，白層組織的顯微硬度明顯高于基體組織，硬度高達(dá)860HV0.5，裂紋源斷口表面出現(xiàn)馬氏體白層說(shuō)明疲勞裂紋在萌生和擴(kuò)展后，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，輪輞內(nèi)部的斷口耦合表面相互之間反復(fù)碾磨和摩擦所形成的。圖8為裂紋源附近發(fā)現(xiàn)的夾雜物，最大直徑約為50μm，可以觀察到該夾雜物與車(chē)輪基體脫開(kāi)，夾雜物尖端處破碎嚴(yán)重，這些區(qū)域均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)可觀察到萌生的微觀裂紋。夾雜物基體為Al2O3加CaO，基體之上形成Al2O3加Mg O的脆性復(fù)合夾雜物。在裂紋源附近發(fā)現(xiàn)了大量的10～20μm左右的小尺寸脆性?shī)A雜物，這些夾雜物形成了夾雜物團(tuán)簇。尺寸較大的夾雜物產(chǎn)生微裂紋后，微裂紋或沿著這些小尺寸的脆性?shī)A雜物迅速擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋。

3 分析與討論

3個(gè)車(chē)輪輞裂均為典型的輪輞內(nèi)部疲勞裂紋性質(zhì)。經(jīng)典的理論認(rèn)為輞裂萌生的應(yīng)力明顯低于材料屈服強(qiáng)度的疲勞斷裂，應(yīng)用成熟的有限元軟件，模擬計(jì)算在輪軌間相互作用下車(chē)輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，如圖9，在輪軌接觸面下10～20 mm處輪輞內(nèi)部剪切應(yīng)力最大，當(dāng)該區(qū)域存在一定尺寸的鏈狀脆性?shī)A雜物時(shí)，在周期性的輪軌接觸應(yīng)力和沖擊應(yīng)力作用下萌生裂紋和疲勞擴(kuò)展。

研究［7］表明，車(chē)輪中夾雜物與基體之間的彈性性能和熱性能間存在差異，所以在輪軌接觸應(yīng)力作用下以及冷卻過(guò)程中將造成非均勻的應(yīng)力場(chǎng)。如表3，Al2O3的彈性模量大于車(chē)輪鋼的彈性模量，那么Al2O3夾雜物將比周?chē)w承受更大應(yīng)力，夾雜物對(duì)裂紋的形成有直接成核的效果。Al2O3的熱脹系數(shù)小于基體的熱脹系數(shù)，在車(chē)輪鋼冷熱加工期間，在基體和夾雜物交界處產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致夾雜物與基體脫開(kāi)，嚴(yán)重時(shí)在界面上導(dǎo)致微裂紋，有的夾雜物在隨后疲勞加載過(guò)程中破碎脫落，這些因素對(duì)疲勞裂紋萌生起著重要作用。而單一的小尺寸MnS夾雜物由于彈性模量小于基體，熱脹系數(shù)大于基體，在載荷作用下相對(duì)周?chē)w承受較小的應(yīng)力，冷卻過(guò)程中收縮速度快于基體，與基體間應(yīng)力較小，因此單一的或復(fù)合型的脆性?shī)A雜物或夾雜物團(tuán)簇是車(chē)輪輞裂生成的主要發(fā)源點(diǎn)。

另外，車(chē)輪輪輞中的夾雜物尺寸存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)夾雜物小于“臨界夾雜物尺寸”時(shí)，輞裂將不再?gòu)膴A雜物處萌生。夾雜物臨界尺寸不僅與疲勞強(qiáng)度有關(guān)，而且與外加載荷有關(guān)，車(chē)輪踏面下夾雜物所在處的最大主應(yīng)力σmax＝σwi（缺陷的疲勞極限）為萌生輞裂的臨界條件。

式中dc是夾雜物臨界尺寸；Hv是基體的維氏硬度值。

由式（2）可知，隨著輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加，“臨界夾雜物尺寸”逐漸變小，增加了夾雜物區(qū)域裂紋萌生的可能性。

目前車(chē)輪生產(chǎn)廠家都在改進(jìn)煉鋼工藝，旨在減少車(chē)輪中非金屬夾雜物的含量，車(chē)輪鋼的冶煉水平已經(jīng)明顯提高。盡管大顆粒球狀的Al2O3夾雜物呈鏈狀分布是車(chē)輪輞裂萌生的主要原因，但列車(chē)軸重增加、運(yùn)行速度不斷提高的背景下，單純的改進(jìn)冶煉和脫氧方式，追求更小的夾雜物尺寸，并不能完全避免夾雜物開(kāi)裂的可能性。近年來(lái)依然有大量的輞裂失效案例，特別多發(fā)生在重載列車(chē)和高速列車(chē)用車(chē)輪上。高速重載工況都會(huì)顯著增加輪軌之間的接觸應(yīng)力，造成車(chē)輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力的增加，一些在車(chē)輪鋼中原先認(rèn)為處于安全尺寸范圍內(nèi)的小尺寸夾雜物也會(huì)造成裂紋的萌生。

因此機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)用部門(mén)在現(xiàn)有車(chē)輪生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制制約的情況下，必須依靠加強(qiáng)超聲波探傷，加密探傷頻次，縮短探傷周期，尤其對(duì)經(jīng)過(guò)旋修的車(chē)輪要特別關(guān)注，有效避免車(chē)輪在運(yùn)行中發(fā)生因輞裂而導(dǎo)致的疲勞掉塊，確保車(chē)輪安全運(yùn)用。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)3件發(fā)生輞裂車(chē)輪的失效分析，證明列車(chē)軸重的增加和運(yùn)行速度的提高，造成車(chē)輪內(nèi)部輞裂的“臨界夾雜物尺寸”減小，增加輪輞疲勞裂紋萌生的可能性。追求更小的夾雜物尺寸，并不能完全避免夾雜物開(kāi)裂的可能性。

（2）輪軌接觸應(yīng)力增加，造成車(chē)輪輪輞內(nèi)部應(yīng)力增大，車(chē)輪輪輞中存在的原處于安全尺寸范圍的單一的或復(fù)合型的脆性?shī)A雜物成為了疲勞裂紋萌生的主要發(fā)源點(diǎn)。

［1］ 翟婉明.高速鐵路輪軌系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)力設(shè)計(jì)原則［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1994，15（2）：16-21.

［2］ 卜繼玲、李 芾、付茂海，等.重載列車(chē)車(chē)輛輪軌作用研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26（5）：52-56.

［3］ 楊春雷、李 芾、黃運(yùn)華，等.40 t軸重貨車(chē)輪軌動(dòng)力特性分析［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2010，30（3）：1-4.

［4］ 米國(guó)發(fā)、劉彥磊、張 斌，等.夾雜物對(duì)輪輞裂紋萌生的影響［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（4）：108-113.

［5］ 劉建新、易明輝、王開(kāi)云.重載鐵路車(chē)輪踏面擦傷時(shí)的輪軌動(dòng)態(tài)相互作用特征［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10（3）：52-56.

［6］ 翟婉明.高速鐵路輪軌沖擊振動(dòng)的特征及其控制原理［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1995，17（3）：28-33.

［7］ 張 斌，盧觀健，付秀琴，等.鐵路車(chē)輪、輪箍失效分析及傷損圖譜［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［8］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1968，206：5959.

［9］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1969，207：474.

Effect of Fatigue Crack Initiation in Wheel Rims under Condition of Heavy Haul and High Speed

CONG Tao，F(xiàn)U Xiuqin，ZHANG Bin，ZHANG Hong，ZHANG Guanzhen，ZHANG Pengpai
（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Effect of the increase of interior stresses in wheel rim due to the increase of wheel/rail contact stresses on the fatigue crack initiation in rims has been studied for actual service conditions of heavy haul and high speed train wheels.The results obtained from the analysis of three different failure wheels which are typical fatigue crack in rims show that the critical inclusion sizes of non－metallic inclusions which cause crack initiation in wheel rims are decreased with increasing axle load and speed of trains.It is also demonstrated that the previous brittle inclusions with safety sizes have been reached the critical inclusion sizes and become the main source of fatigue crack initation in wheel rims resulting in the fatigue crack initiation.

wheel；fatigue crack in wheel rim；non-metallic inclusion

U266.3；TG141

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.06

1008－7842（2014）05－0024－04

*高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1234207、U1334204）；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2009J015、2009J016）；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題（2013J007-A）

?）男，助理研究員，博士研究生（

2014－03－25）