铁路货车制动梁弓形杆断裂分析

罗家明  陶佑卿  刘淑珍

(西南交通大学  成都  610031)

摘  要：对铁路货车制动梁弓形杆断裂进行了分析。结果表明，制动梁弓形杆存在严重的焊接缺陷，断裂为以这些缺陷为源的疲劳断裂。弓形杆材料冷脆倾向大，进一步降低了低温寿命。针对上述问题提出了改进措施。

主题词：制动梁；焊接质量；失效分析

铁路货车制动梁是货车制动的主要传力构件，它的断裂可导致列车颠覆事故。制动梁结构见图1所示。制动风缸的力作用于立柱上引起如图所示的制动力带动整个结构一起运动，使两端闸互抱紧车轮而制动列车，弓形杆受力实际是带有冲击性的拉一拉交变应力。弓形杆、垫铁和槽钢均用Q235原牌号为A3钢)钢制

造，焊接部位见图1所示。

图1制动梁结构示意图

弓形杆在冬天易断裂，如东北加格达奇车辆段1982^1987年统计，折断的536件制动梁弓形杆中，86%发生在冬季。断裂部位均在弓形杆与垫铁焊接的起弧收弧处。实测表明，非常制动时，虽然此处的拉应力超过了Q235钢的屈服强度s_s=230MPa，但并非弓形杆最大应力出现位置。因此，焊接缺陷可能是断裂的内因。本文从温度和焊接质量入手，分析了弓形杆的断裂原因。

1断口形貌分析

弓形杆的断裂发生在杆与垫铁焊接的起弧收弧处，其断口宏观形貌如图2所示。裂纹源均位于焊接处，图中裂源处清晰可见一块凸起的焊肉。裂纹扩展区可见“海滩”花样，表明其为疲劳断裂。最后是放射状有结晶光泽的失稳扩展区。裂纹源区域通常可见多个台阶，表明断裂为多源起裂，与断裂处应力较大相吻合。

断面长期暴露于空气中，疲劳裂纹扩展区为黑色，锈蚀严重，经清洗亦难除去。扫描电镜观察未见疲劳纹，源区可见焊接空洞，见图3。失稳扩展区为解理断裂。

             图2  断口宏观形貌                                   图3  断口源区微观形貌

2弓形杆与垫铁焊接质量分析

从某厂获得完全按现行生产工艺焊接的制动梁结构，对易断裂部位进行焊接金相分析。图4a.b分别为沿焊缝的纵向和垂直于焊缝的横向试样，可见起源于未焊透残迹及气孔处沿焊接柱状晶对生生长面扩展的裂纹。从随机截取的三个试样上测得断面最长裂纹达6.342mm。此种裂纹是在焊接凝固时液相即将完全凝固，晶界上残存的液态膜撕裂产生的，属结晶热裂纹，见图5。可见弓形杆与垫铁焊接处在未使用时即已存在气孔、裂纹等缺陷，疲劳当无裂纹萌生寿命，且由于焊接裂纹较长，也消耗了部分疲劳扩展寿命。

              (a)起源于未焊透处裂纹(纵向试样)                         图5 结晶热裂纹形成示意图

              (b)起源于气孔处的裂纹(横向试样)

                  图4  焊接气孔和焊接裂纹 

3 材料性能测试

Q235钢的化学成分如下：0.22%C，0.22%Si，0.58%Mn，G0.025%S，G0.04%P。热轧态原始组织为块状铁素体+少量针状铁素体+珠光体。常规力学性能为：sa=400MPa， ss=230MPa，d5=27%。

为评定Q235钢原材料及焊接后热影响区的冷脆倾向性，分别对两种状态Q235钢进行了CharpyV型缺口系列温度冲击试验，其结果见图6。表明两种状态的冷脆倾向性均较大。在273～293K之间冲击值急剧降低，若以冲击功A_k=20J评定冷脆转变温度，热轧态为279K，焊接热影响区提高到285K。

弓形杆的断裂实际上是制动时施加的拉-拉冲击应力作用下的疲劳破坏。为此我们设计了热轧态Q235钢及其焊接热影响区的冲击拉伸试验。试样分光滑和缺口两种，光滑试样直径6mm；缺口试样最小直径亦为6mm，缺口深2mm，张开角450，根部圆角半径0.lmm。试样标距长度均为55mm。对热轧光滑、缺口和焊接热影响区光滑、缺口四组试样分别进行系列温度一次冲断试验，结果见图7。可见冲击拉伸能量均随温度降低。

      图6 Q235钢系列温度charpyV型缺口冲击试验结果                 图7  冲击拉伸试验结果

4 分析与讨论

上述分析可得出弓形杆的断裂过程如下：首先在弓形杆焊接时即在焊缝处存在大量气孔和裂纹，使构件失去裂纹萌生寿命。随后在制动拉一拉冲击力作用下裂纹疲劳扩展。冲击和冲拉试验表明，Q235钢冷脆倾向性很大，转变发生在273～293K之间，这与都文彬等对Q235钢所作系列温度小能量多冲结果一致，如图8。该图表明多冲寿命N_f和临界裂纹长度α_c与多冲试验温度的关系，可见N_f和α_c在273～298K之间也突然下降。三点弯曲动态断裂韧性试验得出动态断裂韧性K_1d和温度T关系曲线如图9，亦可见上述温度范围内K_1d迅速降低。因此，Q235钢热轧态冷脆倾向很大，且焊接后更严重，再加上非常制动时制动力很高(高于Q235钢的屈服强度)，所以，寒冷地区，疲劳裂纹扩展临界尺寸将很小，极易发生快速失稳扩展而导致断裂。

为消除或减少弓形杆断裂，首先应严格焊接操作规程，把好质量关，焊接前应去除油污、氧化皮等以消除气孔。根据结晶热裂纹的形成机制，窄而深的焊缝对生生长面面积大，裂纹易产生。建议将垫铁与弓形杆开出适当的坡口，使焊缝深宽比减小，从而减少对生面以减少热裂纹的产生，同时亦去除氧化皮。其次，Q235钢热轧态材料冷脆倾向太大，对弓形杆在寒冷地区使用极为不利，应寻求新的热处理工艺改善Q235钢的性能或寻求新的材料代替Q235钢。如图9，16Mn钢的K_1d急剧变化在233K以下，是一种理想的优选材料。

             图8   热轧态Q235钢N_f和α_c与T关系。                 图9    Q235与16Mn钢K_1d-T关系。

5 结论

(1) 制动梁弓形杆的断裂为疲劳断裂和低温脆断联合作用的结果。

(2) 弓形杆的焊接缺陷使其失去了疲劳裂纹萌生寿命，并消耗了部分扩展寿命，加速了断裂。

(3) Q235钢冷脆倾向大，不利于弓形杆在寒冷地区使用，应寻求新的热加工工艺改善其性能或寻求新的材料(如16Mn钢)取代Q235钢。