地鐵軸端接地墊片裂紋故障分析

吳圣威

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，江蘇 蘇州 215200）

1 問題概述

蘇州四號線在檢修中發(fā)現(xiàn)多起軸端接地墊片裂紋故障，該墊片材質(zhì)為X8CrNiMoAl。故障墊片安裝于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸端，螺栓安裝扭矩為22N·m，墊圈至發(fā)現(xiàn)開裂故障服役時間1～2年。

2 原因分析

2.1 宏觀形貌分析

查看故障螺栓無松動，三層墊圈表面發(fā)現(xiàn)存在氧化色，無明顯的擠壓磨損痕跡或腐蝕現(xiàn)象。三層墊圈中只有最上方墊圈發(fā)生開裂，為貫穿裂紋，裂紋開口較大，而下方兩枚墊圈未發(fā)生開裂。

2.2 微觀形貌分析

查看失效墊圈裂紋斷面低倍形貌，發(fā)現(xiàn)斷面平整，無明顯塑性變形，斷面無明顯的擠壓磨損或腐蝕痕跡。將斷面分為A（外）、B（中）、C（內(nèi)）三個區(qū)域分別進(jìn)行檢測分析。

2.2.1 A區(qū)

A區(qū)低倍下斷面形貌可見明顯的放射狀條紋，條紋收斂于斷口內(nèi)部，如下圖1中箭頭所示，靠近外圈斷面邊緣存在寬度約為0.15mm的斜斷面（a1），內(nèi)部存在斷面區(qū)（a2）。

圖1 斷面A區(qū)低倍形貌

查看a1區(qū)微觀形貌，可見明顯的韌窩形貌，同時斷面存在明顯的覆蓋物。a2區(qū)微觀形貌，可見明顯的準(zhǔn)解理形貌，斷面未發(fā)現(xiàn)明顯的覆蓋物（見圖2）。

圖2 a區(qū)微觀形貌

對a1區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示除基體元素外存在O、Cl、Ca、Na、K等元素。a2區(qū)結(jié)果可見除基體元素外無其他元素（見圖3）。

2.2.2 B區(qū)及C區(qū)

對B區(qū)進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果顯示斷面邊緣有明顯的韌窩形貌，遠(yuǎn)離斷面的邊緣有明顯的準(zhǔn)解理形貌，斷面無明顯的覆蓋物。能譜分析結(jié)果顯示除基體元素外無其他元素。C區(qū)結(jié)果顯示斷面邊緣有明顯的韌窩形貌，遠(yuǎn)離斷面的邊緣有明顯的準(zhǔn)解理形貌，斷面無明顯的覆蓋物。能譜分析結(jié)果顯示除基體元素外無其他元素。

圖3 a區(qū)能譜分析結(jié)果

2.3 金相檢測

對失效墊圈斷裂起始區(qū)進(jìn)行金相組織檢測，結(jié)果可見表面與芯部組織存在明顯差異。失效墊圈近表面顯微組織為馬氏體+少量殘留奧氏體+彌散分布的顆粒狀強(qiáng)化相，該區(qū)域深度約為0.14mm，與斷口所示邊緣斜斷面寬度（0.15mm）相近。失效墊圈芯部顯微組織，為隱晶馬氏體+島狀δ鐵素體+彌散分布的強(qiáng)化相。查看失效墊圈非金屬夾雜物形貌，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果顯示為B類氧化鋁（細(xì)系）0.5級，D類球狀氧化物（細(xì)系）1.5級。

為加強(qiáng)對比度選取完好墊圈進(jìn)行金相檢測，結(jié)果顯示完好墊圈芯部顯微組織為隱晶馬氏體+島狀δ鐵素體+彌散分布的強(qiáng)化相，與失效墊圈一致。顯微組織檢測顯示近表面組織與芯部組織存在明顯差異，異常組織深度約為0.01mm（見圖4）。

圖4 墊圈金相檢測結(jié)果

2.4 硬度檢測

對失效墊圈及完好墊圈分別進(jìn)行硬度梯度試驗(yàn)，由外表面邊緣向內(nèi)測試，結(jié)果如表1所示，可見失效墊圈表面0.15mm范圍內(nèi)硬度明顯低于芯部硬度，而完好墊圈表面與芯部硬度無明顯差異，同時失效墊圈芯部硬度與完好墊圈相近。

表1 墊圈硬度梯度測試結(jié)果

2.5 化學(xué)成分分析

采用碳硫分析儀及ICP對失效墊圈進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示化學(xué)成分符合“DIN EN 10088-1 en”標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 檢測結(jié)論

失效墊圈斷口低倍形貌可見明顯的放射狀條紋，條紋收斂于斷口內(nèi)部，說明裂紋起始于墊圈內(nèi)部，斷面微觀形貌可見大面積的準(zhǔn)解理形貌，呈現(xiàn)金屬材料脆性斷裂特征。靠近外表面約0.15mm范圍內(nèi)為斜斷面，該區(qū)域與起裂區(qū)相鄰，斜斷面可見明顯的韌窩形貌，呈現(xiàn)韌性過載斷裂特征。斜斷面存在明顯的覆蓋物，經(jīng)能譜掃描，除基體元素外存在明顯的O、Cl、Na、K、Ca等外來元素，說明該斷面曾在一段時間內(nèi)暴露于外部環(huán)境中，而內(nèi)部斷面無明顯覆蓋物，未發(fā)現(xiàn)外來元素，因此斜斷面應(yīng)早于內(nèi)部斷面形成。

失效墊圈起裂區(qū)金相組織顯示，靠近外表面存在深度為0.14mm的異常組織區(qū)，該區(qū)域組織與芯部組織存在明顯差異，而完好墊圈表面異常組織深度僅為0.01mm。硬度測試結(jié)果顯示，失效墊圈近表面約0.15mm范圍內(nèi)硬度明顯低于芯部硬度，而完好墊圈硬度較為均勻。失效墊圈近表面異常組織深度，硬度異常范圍與斜斷面寬度一致。

3 結(jié)語

由于失效墊圈表面存在明顯的異常組織，導(dǎo)致表面硬度顯著降低，強(qiáng)度明顯下降，而安裝過程中墊圈靠近外表面的區(qū)域承受較大的拉應(yīng)力作用，表面薄弱區(qū)可能發(fā)生過載開裂，形成裂紋。墊圈服役過程中承受沖擊載荷作用，裂紋尖端應(yīng)力集中明顯，易發(fā)生過載斷裂。

軸端接地墊圈失效模式為原始裂紋引起的過載斷裂。引起墊圈產(chǎn)生原始裂紋的主要原因是表面組織異常，導(dǎo)致硬度、強(qiáng)度顯著降低。墊片的熱處理過程應(yīng)按規(guī)范嚴(yán)格控制。