鐵路軸箱彈簧斷裂原因分析

王艷華, 胡智博, 任國強, 郭澤策

(國家鐵路產品質量監督檢驗中心, 北京100081)

質量控制與失效分析

鐵路軸箱彈簧斷裂原因分析

王艷華, 胡智博, 任國強, 郭澤策

(國家鐵路產品質量監督檢驗中心, 北京100081)

某鐵路軸箱彈簧在服役過程中發生斷裂。采用化學成分分析、非金屬夾雜物檢驗、硬度測試、顯微組織及表面脫碳層檢驗、斷口分析等方法，對彈簧斷裂的原因進行了分析。結果表明：在服役過程中，彈簧表面存在的不連續凹痕處產生應力集中并形成裂紋源，疲勞裂紋不斷擴展，導致彈簧最終發生疲勞斷裂。

彈簧；疲勞斷裂；凹痕

在某鐵路局一級檢修時發現，服役中的鐵路軸箱彈簧發生斷裂，期間走行里程約190 000 km。斷裂的鐵路軸箱彈簧如圖1所示，彈簧材料為51CrV4彈簧鋼，加工工藝流程為：加熱→制扁→加熱→卷制→淬火→回火→磨端面→探傷→噴丸→噴漆→包裝。為了尋找該彈簧的斷裂原因，筆者從材料、熱處理工藝質量和斷裂特征等方面對其進行了一系列理化檢驗及分析。

1 理化檢驗

按圖2所示位置截取試樣，其中，1號試樣用于斷口分析，2號試樣用于非金屬夾雜物檢驗、硬度測試、顯微組織及表面脫碳層檢驗，3號試樣用于化學成分分析。

1.1 化學成分分析

依據GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》及GB/T 20125-2006《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法》，對彈簧的化學成分進行分析，結果見表1。由結果可見，該彈簧的化學成分符合EN 10089:2002(E)對51CrV4彈簧鋼成分的技術要求[1]。

圖1 斷裂彈簧宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured spring

圖2 彈簧取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling of the spring

表1 彈簧化學成分分析結果(質量分數)

1.2 非金屬夾雜物檢驗

根據EN 13298：2003[2]附錄D2，對彈簧進行非金屬夾雜物檢驗，結果見表2，可見該彈簧的非金屬夾雜物級別符合EN 13298：2003中的相關要求。

表2 彈簧非金屬夾雜物檢驗結果

1.3 硬度測試

依據GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》，使用洛氏硬度計對彈簧的中心硬度及表面硬度進行測試，結果見表3。由結果可見，該彈簧硬度符合TB/T 2211-2010中的相關要求[3]。

表3 彈簧硬度測試結果

1.4 顯微組織及表面脫碳層檢驗

依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》及GB/T 224-2008《鋼的脫碳層深度測定法》，利用金相顯微鏡分別對彈簧的顯微組織及脫碳層深度進行了檢驗，結果如圖3和圖4所示。由結果可見，彈簧的顯微組織為均勻的回火屈氏體，表面不存在脫碳層，符合TB/T 2211-2010中表面脫碳層深度不大于0.15 mm的要求。

圖3 彈簧顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the spring

圖4 彈簧表面顯微組織形貌Fig.4 Morphology of surface microstructure of the spring

1.5 斷口分析

1.5.1 宏觀分析

將1號試樣在丙酮溶液中清洗后，目測及利用體視顯微鏡觀察斷口特征，如圖5～7所示。可見斷裂起源于彈簧內側面，斷口呈典型的疲勞斷裂特征，明顯可以看出裂紋源及裂紋擴展區。觀察彈簧內側面，可發現裂紋源區域彈簧內側面存在較多不連續的凹痕。

圖6 彈簧內側面上凹痕形貌Fig.6 Morphology of the dents on the inner side of the spring

圖7 彈簧裂紋源及裂紋擴展區形貌Fig.7 Morphology of the crack source and crack growth area of the spring

1.5.2 掃描電鏡分析

圖8 裂紋源處微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the crack source

為進一步確定裂紋源與表面凹痕之間的關系，利用掃描電鏡對斷口試樣進行觀察，結果如圖8和圖9所示。可見裂紋源位于彈簧表面凹痕處，凹痕深度約為0.15 mm，且凹痕表面由完整的油漆層覆蓋。裂紋源根部存在應力集中，表現為在斷口上留有臺階[4]。

圖9 裂紋擴展區微觀形貌Fig.9 Micro morphology of the crack growth area

2 分析和討論

理化檢驗結果表明，彈簧的化學成分、非金屬夾雜物含量、硬度、顯微組織和表面脫碳層均符合相關標準要求，因此彈簧的材料和熱處理工藝方面均不存在質量問題。

在對彈簧進行斷口分析時發現，疲勞裂紋源位于彈簧內側面，且裂紋源處彈簧表面存在肉眼可見的不連續凹痕。分析認為，由于這些凹痕的存在，使得彈簧在工作狀態下該處存在較大的應力集中，從而導致彈簧疲勞斷裂[5]。

從彈簧表面檢驗結果來看，凹痕周圍油漆層完整，且無機械損傷及磕碰、擠壓痕跡。因此認為，凹痕應是在彈簧表面噴漆前的制造過程中產生的，從其形態和分布情況來分析，這些凹痕應該是在螺旋彈簧的卷制過程中產生的。

3 結論及建議

在服役過程中，彈簧表面存在的不連續凹痕處產生應力集中形成裂紋源，疲勞裂紋不斷擴展，導致彈簧最終發生疲勞斷裂。彈簧表面凹痕是在彈簧表面噴漆前的卷制過程中產生的，建議加強卷制過程中的工藝質量控制，保證彈簧卷制成型后的表面質量。

[1] EN 10089:2002(E) Hot rolled steels for quenched and tempered springs-Technical delivery conditions[S].

[2] EN 13298：2003 Railway applications-Suspension components-Helical suspension springs, steel[S].

[3] TB/T 2211-2010 機車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧[S].

[4] 王榮.機械裝備的失效分析 第3講：斷口分析技術(下)[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(12):833-840.

[5] 吳文祥,尚燦,廖冰,等.汽車轉向直拉桿斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(11):818-821.

Reasons Analysis on Fracture of a Spring of the Railway Axle Box

WANG Yanhua, HU Zhibo, REN Guoqiang, GUO Zece

(National Railway Product Quality Supervision and Inspection Center, Beijing 100081, China)

A spring of the railway axle box fractured during service. The fracture reasons of the spring were analyzed by methods of chemical composition analysis, non-metallic inclusion examination, hardness testing, microstructure and surface decarburization layer examination, and fracture analysis. The results show that: during the service, the discontinuous dents on the spring surface generated stress concentration and became the crack source, and the fatigue cracks expanded constantly, which led to the fatigue fracture of the spring.

spring; fatigue fracture; dent

10.11973/lhjy-wl201707011

2016-10-18

王艷華(1977-)，女，高級工程師，主要從事金屬材料及其制品的力學、物理性能檢測及失效分析， wyh770120@yeah.net

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0504-03