高應力制動杠桿斷裂失效分析與改進

黃建松 ，郭寶剛，黃士偉 ，曲寶章

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

基礎制動裝置是制動系統的重要組成部分，為使鐵道車輛安全運營，可靠性高的制動裝置是必不可少的.高速列車的制動系統與普通列車制動系統都具有可靠性的要求，盡管高速列車的動力制動發揮著越來越大的作用力，但各國鐵路仍然規定，當動力制動失效時，機械制動必須保證高速列車能在規定的制動距離內停車，以確保行車安全[1].時速120 km/h以下的普通客車和地鐵車輛較多采用踏面制動，高速動車組采用盤型制動[2]，制動夾鉗單元是盤型基礎制動的主要結構.

隨著鐵路車輛結構緊湊、重量輕的發展需求，一種具有內部放大機構的緊湊型制動夾鉗單元逐漸被使用，該種型式制動夾鉗單元由于放大倍率大，在車輛使用過程中相同制動力條件下，需要的空氣壓力低，可有效節省壓縮空氣，降低空壓機的工作頻率，但由于杠桿倍率大，杠桿受力大，杠桿根部應力較高，在試驗過程中多次出現杠桿斷裂的現象.杠桿作為制動夾鉗單元中力矩放大機構，其可靠性對制動夾鉗單元的功能和性能有較大的影響，因此研究如何避免杠桿斷裂是解決該類制動夾鉗單元大批量使用的關鍵.本文將采用電鏡掃描技術進行斷裂區分析、用有限元技術進行結構應力分析、用晶粒度和微觀組織進行工藝分析、并采用疲勞試驗進行驗證，識別斷裂故障的影響因素，制定改善方案，顯著提高制動杠桿的疲勞壽命，滿足車輛安全可靠運行的要求.

1 斷裂區域的分析

杠桿斷裂可能是沖擊斷裂和疲勞斷裂，由于試驗驗證過程中采用最高使用壓力，杠桿使用過程制動迅速無法斷定斷裂型式，本文采用了電鏡掃描技術對斷面進行了分析，其微觀形態如圖1所示.從圖1(a)可以看出疲勞源已破壞，磨損掉，杠桿最初斷裂產生是發生在該區域內，疲勞源有可能是鍛造原始裂紋、線切割導致裂紋、熱處理裂紋、非金屬夾雜等.圖1(b)裂紋擴展區域可以清楚看到疲勞輝紋，顯示疲勞擴展緩慢過程.圖1(c)為斷裂區域微觀形貌呈韌窩裝，顯示最后快速拉斷的過程.圖2疲勞斷裂杠桿截面，根據電子顯微鏡下觀察情況，杠桿有兩個疲勞源區A、A1，兩個疲勞裂紋擴展區B、B2，中間為斷裂區C、C3.

(a) 疲勞源

(b) 裂紋擴展區

(c) 完全斷裂區

圖2 杠桿疲勞斷裂區域分布

通過以上電鏡掃描的結果看，從疲勞區域的微觀形態來看屬于正常的疲勞斷裂.由于疲勞源非常容易破壞，工程實際中又很難找到疲勞源，而整個疲勞過程又是一個正常的疲勞斷裂表象，那么造成斷裂的原因是就可能是結構設計問題和加工與熱處理工藝問題.

2 結構工藝分析

偏心杠桿機構是緊湊型制動夾鉗單元的主要力矩放大機構，如圖3所示，偏心軸距為輸出力臂L2，安裝在曲軸上的杠桿孔與曲軸回轉軸線距離為施加力臂L1，二者比值為杠桿輸出倍率， L2小，L1大，因此輸出力較大.采用有限元仿真計算杠桿的應力分布如圖4所示，高應力集中在根部.

圖3 偏心杠桿及其傳力路徑

圖4 杠桿受力的應力分布

發生斷裂問題后，對不同批次的杠桿進行統計比較，通過統計發現杠桿不同廠家加工的過渡圓角不穩定，圓角半徑在1～2.5 mm之間，此外加工也存在兩種，一種為正常機加工完成，一種為線切割完成形狀.

2.1 結構圓角分析與疲勞試驗

尖角一般都會造成應力集中，引發疲勞斷裂，因此杠桿設計上在應力集中部位采用了圓角設計.由于杠桿應力集中部位在安裝螺栓法蘭面處，若圓角過大螺栓安裝不到位，易造成螺栓的疲勞斷裂，而圓角過小又會造成杠桿應力集中，杠桿易造成疲勞斷裂.對杠桿不同圓角進行有限元分析(表1)，當圓角在1.5～2.5 mm之間時，最大應力基本接近，圓角對應力集中的影響較小.根據理論計算該結構的杠桿抗拉強度在1 150 MPa以上，屈服強度980 MPa以上，從理論上將該杠桿可以滿足使用條件.

表1 不用圓角下的有限元強度計算結果 MPa

對高應力區不同圓角的杠桿進行疲勞試驗，結果表明(表2)杠桿自身的圓角大小對疲勞壽命有一定的影響，試驗結果與理論計算結果比較符合.兼顧結構工藝性，在之后的對比試驗中，將結構高應力區圓角半徑確定為1.5 mm.

表2 不同圓角杠桿的疲勞試驗結果

2.2 加工工藝分析與疲勞試驗

制動杠桿毛坯采用了鍛造成型工藝，成品采用機加工或線切割成型.由于加工工藝不同，杠桿圓角處的表面質量差別較大，正常機加工表面光滑，而線切割加工可以清晰看大加工紋路.線切割加工時由于走絲的快慢直接影響了表面質量，每一條紋路都是一條尖角，線切割走勢過程中斷絲后繼續加工出現明顯的溝槽，該溝槽處極易出現裂紋，造成疲勞斷裂.對不同加工工藝的同一批熱處理杠桿進行疲勞試驗驗證，結果表明(表3)：機加工工藝對疲勞也有影響，機加工表面平滑過渡，而線切割加工刀痕明顯，表面粗糙，極易造成初始疲勞的裂紋，應限制采用此加工方法.

表3 不同加工工藝下的疲勞試驗結果

3 熱處理工藝分析

熱處理是指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻手段獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝.制動杠桿采用了42CrMo鋼，它具有強度高、淬透性高、韌性好、淬火變形小、高蠕變強度與持久強度等特點[3].熱處理決定零件使用性能，變形組織均勻化、精細化以及合理的熱處理制度，是實現零件良好綜合力學性能的關鍵[4-5].工程應用中一般通過晶粒度等級和金相組織的方法來控制和優化零部件的熱處理工藝.

3.1 晶粒度對比分析

細化晶粒是控制金屬材料組織的最重要、最基本的方法，晶粒細化既能提高材料的強度，又能提高材料塑性，同時也能顯著提高其力學性能[6].晶粒越大則晶界也越大，“晶界”類似于材料中的“裂紋”，晶粒越大則材料中的“裂紋”越大.晶粒細小時，其內的滑移變形就小且能被晶界有效抑制.晶粒、晶界越細小，外來載荷及變形將分散到更多的晶粒上，單晶粒受力越小.晶粒度級別越高，晶粒越小.通過在顯微鏡下觀察不同熱處理批次杠桿的晶粒度發現(圖5)：晶粒度為6級時，晶粒十分粗大，和鍛造后毛坯接近，分析原因可能存在熱處理溫度不夠、時間不足等.

(a) 6級

(b) 7級

(c) 8級

從晶粒度對比來看，杠桿熱處理工藝不穩定，晶粒度粗大，影響杠桿的機械性能.對不同批次的熱處理方案得到的不同晶粒度的杠桿進行疲勞驗

表4 不同熱處理工藝下的疲勞試驗結果

證，表4可以看出：晶粒度7級時一部分杠桿已經可以滿足使用要求，但仍存在斷裂風險.

3.2 顯微組織分析

顯微組織分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系.

杠桿熱處理的目標是得到回火索氏體，其具有良好的綜合機械性能.但隨著冷卻速度的增加，組織會依次出現多邊形鐵素體、針狀鐵素體組織、上貝氏體和板條馬氏體的混合組織，其中針狀鐵素體組織使組織細化，韌性得到提高.熱溫度過高，冷卻速度快就會形成網狀鐵素體組織，在高溫區冷卻速度慢會形成塊狀鐵素體組織，這兩種組織使力學機械性能降低，容易造成了機件的斷裂.

斷裂杠桿實例1內部組織為索氏體，如圖6所示：圖6(a)心部組織異常粗大，心部成分偏析，鍛造流線明顯；圖6(b)在裂紋附近的次表面有連續性鍛造折疊；圖6(c)表面約有0.02 mm的淬火層，未采取去應力措施，極易形成裂紋源.

(a) 6級

(b) 7級

(c) 8級

斷裂杠桿實例2內部組織為索氏體，如圖7所示，該杠桿表層0.28 mm脫碳，表面脫碳以后，由于表層與心部的組織不同和線膨脹系數不同，不同組織轉變及體積變化引起很大的內應力，同時表層經脫碳后強度下降，易產生裂紋.由于脫碳使疲勞強度降低，導致杠桿在使用中過早地發生疲勞損壞.

(a) 表層脫碳

(b) 索氏體

對未斷杠桿實例進行組織對比分析.杠桿3金相組織為索氏體+少量鐵素體，如圖8(a)所示；杠桿4金相組織為索氏體+少量托氏體，圖8(b)所示.鐵素體組織具有良好的塑性和韌性，但強度和硬度都很低；鐵素體的成分和組織對鋼的工藝性能有重要影響，在某些場合下對鋼的使用性能也有影響.托氏體屬于珠光體的一種， 也是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物[3].在光學金相顯微鏡下已無法分辨片層的極細珠光體.

(a) 索氏體+少量鐵素體

(b) 索氏體+少量托氏體

通過對晶粒度和微觀組織分析發現：杠桿的熱處理工藝不穩定，導致晶粒度分散度較大，熱處理過程中存在脫碳現象、淬火應力未消除等，應嚴加控制.

4 工藝優化與實驗驗證

通過上述分析，確定結構高應力區圓角半徑1.5 mm；識別出疲勞斷裂的主要原因是線切割加工工藝和熱處理工藝，其中線切割加工工藝造成應力集中和初始裂紋，熱處理過程加劇裂紋擴展造成疲勞源，因此，生產過程中禁止采用線切割加工工藝.針對杠桿熱處理工藝不穩定，晶粒度從6級～8級變化范圍較大，熱處理后出現脫碳、淬火不良、殘余應力等.對杠桿熱處理工藝提出以下控制要求：改進熱處理工藝采用網帶爐熱處理，控制控制網帶速度、精確控溫度，熱處理過程中采用惰性氣體保護措施，防止脫碳.熱處理后要求：杠桿晶粒度達到7級以上，組織為回火索氏體，無脫碳及淬火不良問題，從而滿足使用要求.

熱處理工藝改進后，取一批(5個)零件進行金相分析發現：在圓角半徑取1.5 mm時，幾個零件的晶粒度分別為7、7、7、7、7.5、8級，顯微組織達到正常，晶粒度分散度明顯減??；疲勞試驗200萬次均未發生斷裂.

5 結論

采用電鏡掃描技術分析了杠桿斷面形態，得出杠桿斷裂為疲勞斷裂，引發疲勞斷裂的原因較多，主要有線切割加工尖角和熱處理工藝，尤其是熱處理時晶粒度粗大、組織不穩定、脫碳、殘余應力等.由于杠桿本身結構設計形狀特殊，使用環境惡劣，有限元分析發現過渡處應力集中明顯，安全余量小.研究表明線切割加工工藝和熱處理過程的不穩定加劇了應力集中處裂紋的發生.通過影響因素識別，制定了高應力制動杠桿制造工藝的改進方案，有效改善了杠桿的顯微組織與晶粒度，控制了疲勞裂紋的發生，疲勞試驗證明杠桿的使用壽命均達到200萬次以上，滿足了列車制動安全可靠性的要求.