EA1N 車軸疲勞裂紋的分析

車軸是軌道交通機車車輛的關鍵零部件之一，其安全性直接關乎整車的安全。因此，保證車軸具有優(yōu)異的性能十分必要。EA1N車軸鋼是歐洲鐵路車軸廣泛應用的一種車軸材料，EN 13261-2003 也是目前世界上最先進的車軸標準之一，對車軸的化學成分及機械性能等都做了很高的要求。我公司此次新開發(fā)車型的車軸即選用EA1N 材質(zhì)。車軸作為關鍵零部件，需進行一系列型式試驗，其中就包括實物車軸疲勞試驗。

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而在進行此次疲勞試驗時，車軸出現(xiàn)了裂紋并發(fā)生斷裂。針對該情況，有必要對其疲勞裂紋產(chǎn)生的原因進行探究分析，對于后期的疲勞試驗以及生產(chǎn)工藝的改進至關重要。

鑒此，本文擬通過對其原材料、鍛造過程、熱處理過程、理化性能檢驗、機加工過程以及宏觀斷口逐個進行分析排查，來找出可能導致車軸產(chǎn)生疲勞裂紋的不良因素，進而對其進行改進。

物流金融業(yè)務針對的是流通型企業(yè)，但是目前物流金融業(yè)務對象中也出現(xiàn)了需要資金的大中型生產(chǎn)型企業(yè)，這些企業(yè)依托物流金融業(yè)務獲得所需生產(chǎn)資金，且呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。

材料及分析方法

材料

表4 為從車軸斷口附近9 點取樣的力學性能。由表4 可知，該車軸每點的性能均滿足EN13261 的要求，并且具有較好的均勻性，特別是表層。

分析方法

對生產(chǎn)制造過程中的相關記錄進行檢查，包括鍛造過程、熱處理過程、機加工過程。

此外，還發(fā)現(xiàn)軸身與輪座過渡圓弧處的粗糙度存在一定的問題，如圖2 所示。可以看出，在圓弧處能夠很清晰地看到加工刀花，雖然無法對圓弧處進行粗糙度值的測定，但通過對比可以發(fā)現(xiàn)，該關鍵位置的粗糙度并沒有滿足圖紙小于等于Ra1.6μm 的要求。

車軸在產(chǎn)生疲勞裂紋后發(fā)生斷裂，分為兩部分，其中車軸的輪座部位殘留在了車輪轂孔內(nèi)，如圖3 所示。由圖3 可以看出，裂紋出現(xiàn)在了軸身與輪座的圓弧過渡處，此位置是應力集中區(qū)，也是此次試驗考核的區(qū)域。

結果與分析

鍛造過程

表5 為車軸斷口附近9 點取樣的金相組織、晶粒度以及非金屬夾雜。由表5 可知，各項指標均滿足標準要求，且材料純凈度良好，金相組織、晶粒度表現(xiàn)均一。

熱處理過程

檢查車軸的熱處理記錄，記錄顯示正火加熱溫度為880℃，空冷。熱處理過程均滿足工藝要求。

機加工過程

檢查車軸的機加工記錄，并重新對數(shù)控程序坐標點進行核算，數(shù)控程序走刀軌跡沒有問題。對斷裂車軸的各關鍵部位進行檢查，各部位尺寸均滿足要求。

然而，在對其加工參數(shù)進行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，操作者對進給量進行了經(jīng)驗性地提高，由1.2mm/r 提高到了3.0mm/r。雖然對產(chǎn)品尺寸沒有影響，但這種大幅提高進給量的做法必然會導致車軸表層產(chǎn)生大量的拉應力，造成車軸本身疲勞強度的降低。

高校內(nèi)部各項軟硬件設施的建設，其最主要的目標，是要滿足整體工作需求，包括教學工作與管理工作。但與發(fā)達國家的高校相對比，我國高校的基礎建設依然體現(xiàn)出落后的趨勢，后勤信息化管理平臺的建設與更新也不到位。但是高校后勤管理是一項內(nèi)容復雜、貫穿全程的綜合性管理工作，服務的范圍廣、數(shù)據(jù)分散難以收集，且關聯(lián)多個部門，因此如果沒有先進的技術與設施，管理目標是無法達成的[2]。

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不同位置處的化學成分

表2 為車軸斷口附近9 個位置的化學成分檢測結果。由表2 可以發(fā)現(xiàn)，9 處的化學成分基本一致，不存在成分偏析的現(xiàn)象。

低倍組織

在此位置還發(fā)現(xiàn)，兩個裂紋的前端均存在各自擴展的痕跡，如圖8 所示，這也說明了導致車軸斷裂的大裂紋是由兩個裂紋在擴展過程中發(fā)生剪斷后連接而共同導致的。

力學性能

本次車軸所采用的材料為EA1N 車軸鋼，由表1可知，該車軸鋼的化學成分完全符合EN 13261 標準的要求。

高倍組織

檢查車軸的鍛造記錄，記錄顯示加熱溫度為1170℃，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，鍛后空冷。鍛造過程均滿足工藝要求。

斷口分析

并從接近斷口位置的部分進行取樣，分別進行化學成分、低倍組織、力學性能、高倍組織的檢驗，取樣位置為車軸橫截面上的9 個位置，即相互垂直的兩條直徑線所在的外表層處、R/2 處，以及中心處，共計9 個點，如圖1 所示。最后對其宏觀斷口進行觀察分析。

1.5 統(tǒng)計學方法 計量資料采用±s)表示，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，多組間均數(shù)比較采用單因素的方差分析，各組和對照組比較采用 LSD檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

對其輪座部位進行觀察，如圖4 所示，可以看出，該部位出現(xiàn)了兩處大裂紋。其中一處導致了車軸斷裂，另外一處還處于擴展階段。對其斷口進行觀察，如圖5 所示，可以較明顯地看到裂紋擴展產(chǎn)生的貝紋線，并指向了裂紋源的位置，表明該裂紋為從表面萌生的疲勞裂紋，如圖5 位置1、位置2 處。

而從軸身部分的斷口也可以看到同樣的情形，如圖6 所示，位置1 和位置2 為裂紋源。

結合圖5 和圖6 可以看出，導致車軸斷裂的大裂紋是由兩個小裂紋構成的，兩個小裂紋在車軸表面各自萌生后不斷進行擴展，兩者相遇后，裂紋之間的部分在試驗力的作用下便被剪斷，進而相互連接成為一個大裂紋，剪斷部位如圖7 所示。

表3 為車軸斷口附近截面的低倍組織級別。由表3 可知，車軸材料的一般偏析、中心疏松、錠型偏析、斑點狀偏析現(xiàn)象均不明顯，甚至不存在。

討論

由表2、表3 和表5 可知，本次EA1N 車軸不同位置的化學成分均一致，不存在成分偏析的現(xiàn)象，低倍組織以及非金屬夾雜也符合標準，且質(zhì)量較高。同時，由斷口分析可知，疲勞裂紋為多處出現(xiàn)，且萌生于表面，非內(nèi)部缺陷處。因此，可以確定此次疲勞裂紋的產(chǎn)生并非原材料的問題。

車軸在鍛造以及熱處理過程中，運行過程均按照標準完成，熱處理后也具有了合格的力學性能、晶粒度和金相組織，且在車軸圓周方向表現(xiàn)出了較好的均勻性。因此，在熱加工過程中，也未產(chǎn)生不利于車軸疲勞的影響因素。

而對于機加工工序，因進給量進行了提高的調(diào)整，雖然對外形尺寸沒有影響，但必然會使車軸表層產(chǎn)生較大的拉應力，降低了車軸本身的疲勞極限。而且，粗糙度過高使得刀花這種表面微觀缺陷得到一定程度的放大，進而為疲勞裂紋提供了大量的萌生位置，增大了發(fā)生疲勞裂紋的可能性。當交變載荷作用于車軸時，產(chǎn)生的應力便會在刀花處不斷囤積，當其超過車軸的疲勞極限時，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴展，擴展過程中不同裂紋相互連接，最終導致車軸斷裂。

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結論

⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

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⑵車軸機加工過程中，進給量的提高直接導致了車軸表層拉應力的增大，降低了車軸的疲勞極限。同時，表面粗糙度的過高又為裂紋提供了大量的萌生位置，最終使得車軸圓周表面多個位置產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴展過程中相互連接，進而發(fā)生斷裂。