列车车钩尾销孔裂纹分析

摘　要：某型列车运载量增大后，列车车钩尾销孔牵引弧面位置大量出现裂纹。本文车钩尾销孔的化学成分和机械性能进行了检测，观察了车钩钩尾销孔裂纹的宏微观形貌，并对裂纹位置的金相组织进行了检测。结果表明，车钩钩尾销孔裂纹在径向上为脆性断裂特征，而周向上为疲劳断裂特征。分析认为，由于列车运载量增大，车钩尾销孔位置的工作应力增大，同时由于车钩尾销孔处淬硬层与基体的性能差异较大且无明显的过渡层，在工作应力作用下淬硬层首先发生脆性断裂并沿径向扩展，至淬硬层与基体界面处则沿着性能较弱的界面疲劳扩展。

关键词：车钩；尾销孔；淬硬层；大应力；疲劳扩展

1　引言

表面强化能够显著提高材料抗疲劳裂纹萌生能力，有助于提高金属零部件的寿命。但如果表面强化层与基体之间的过渡不良，由于二者之间的性能差别较大，在硬化层与基体过渡位置则容易产生裂纹，工程实际中不乏因为这个原因导致的部件失效。因此，有关强化层与基体界面性能的研究日益受到重视。

某铁路段段修时发现运煤用某型敞车的车钩大量出现裂纹，且裂纹大多出现在车钩尾销孔内牵引弧面处，裂纹位置见示意图1。该敞车为2万吨级运煤列车，载荷较该线路开行之初的4～5千吨增长近5倍，但车钩材质并未做相应调整。

图1　车钩尾销孔裂纹示意图

该车钩材质为ZG25MnCrNiMo2E级铸钢，生产工序为铸造→热处理→机加→表面感应淬火。本文对车钩裂纹的性质和产生原因进行了分析，以便有关方面采取相应的改进措施，避免类似问题的发生。

2　常规理化检验

2.1　化学成分分析

用QSN750直读光谱仪对车钩钩尾销孔裂纹附近的金属取样进行化学成分分析，结果表明，车钩的化学成分在标准范围之内。

2.2　力学性能测试

用MTS2800材料试验机和JB230B冲击试验对车钩实物取样进行测试，测试力学性能结果见表1。可见，车钩材料的力学性能符合标准要求。

用HBZ22000布氏硬度计测得裂纹附近材质硬度，结果见表2。可见，淬硬层硬度明显高于基体硬度。

2.3　裂纹分析

2.3.1　宏观形态

车钩钩尾销孔裂纹位于车钩尾销孔牵引弧面上，裂纹沿轴线方向，长度约为60mm，呈闭合状态。牵引弧面上有一定程度的磨耗(图2)。

图2  裂纹宏观形貌                                    图3  车钩裂纹断口裂纹宏观形貌

2.3.2　断口观察

采用机械方法将裂纹打开，外观形貌见图3。可见，在表面淬硬层和基体的界面过渡处也存在沿着周向的裂纹，而图2中的轴向裂纹的径向深度仅至表面淬硬层和基体的界面处。在扫描电镜下对裂纹断口进行微观观察。轴向裂纹(径向深度)的断口磨损较严重(图4)。局部可见沿晶脆性断裂特征(图5)。对车钩钩尾销孔裂纹的周向断面进行观察，隐约可见疲劳条带特征(图6)。可见，裂纹沿径向起源后，沿周向疲劳扩展。

     图4　径向裂纹断口宏观形貌                           图5　径向裂纹断面沿晶断裂特征

      图6　周向断面疲劳条带　　                              图7　裂纹附近金相组织

2.4　金相分析

在车钩尾销孔轴线方向中部将裂纹剖开，在垂直于尾销孔轴线方向上取样，对轴向裂纹截面形态进行金相观察(图7)。可见，轴向裂纹仅扩展至表面淬硬层和基体的界面处，与图3中的观察结果一致。表面淬硬层和基体组织差别较大，且无明显的过渡层，硬度差别较大。

3　分析和讨论

3.1　裂纹性质

断口观察结果表明，轴向裂纹的径向断口为沿晶脆性断口，为过载断裂特征；而周向裂纹断口可见疲劳条带特征，为疲劳裂纹。

3.2　裂纹扩展路径

由断口观察结果可知，该裂纹宏观扩展路径如下:裂纹在车钩牵引弧面某点起源，沿孔的径向方向(A向)和轴线方向(B向)扩展。当裂纹扩展至淬硬层与基体的界面处时，裂纹转向沿车钩尾销孔周向(C向)向两侧扩展。图8为裂纹扩展路径示意图。

图8　钩尾销孔裂纹扩展路径示意图

3.3　裂纹萌生及扩展分析

在列车运行时，车钩尾销与尾销孔牵引弧面随列车的开、停、加速、减速、上坡及下坡等，由于车钩尾销与尾销孔之间为间隙配合，车钩尾销与尾销孔之间存在着冲击、摩擦磨损等作用，会在接触面上不断产生磨耗。由于车钩尾销与尾销孔之间为线接触，接触位置为应力最大位置。列车运载量增大后，列车车钩尾销孔位置在运行中受到的更大载荷的作用。同时，由于表面淬硬层与基体性能差别较大，且无明显的过渡层，薄而脆的淬硬层在较大的作用力下容易在车钩尾销与尾销孔接触位置发生脆性断裂，形成裂纹并向基体扩展。

　　当裂纹扩展至淬硬层与基体之间的界面时，由于基体塑性较好，因此，工作应力并不能使裂纹机械在基体中沿径向扩展；但由于淬硬层与基体之间的力学性能存在较大的差别，因此，二者之间的界面处的性能偏低，裂纹在应力作用下沿着界面扩展，并导致淬硬层与基体之间的分离，最终形成如图8中的裂纹扩展路径。

3.4　改进措施

从试验和分析中可以看出，车钩尾销孔裂纹产生的原因主要有两个方面:一是由于列车载重量增大后，车钩尾销孔处在工作中所承受的应力更大；另一方面，尾销孔牵引弧面位置的淬硬层虽然提高了该位置的耐磨性和抗疲劳裂纹萌生能力，但淬硬层与基体在硬度上差别大且无明显的过渡区，二者存在着变形不协调问题，其冲击载荷能力差。在承受冲击应力作用时，薄而脆的淬硬层单独承受应力作用，很容易发生脆性断裂，形成表层裂纹并有可能进一步扩展。因此，要避免车钩尾销孔牵引弧面位置产生裂纹，需要改善表面感应淬火工艺，使淬硬层与基体间存在性能过渡层以解决淬硬层与基体的变形不协调问题，避免出现淬硬层单独承受应力的情况出现。如改善了淬硬层与基体间过渡后，车钩尾销孔在工作中仍然会出现裂纹，则应考虑调整车钩尾销孔位置的材料，提高其承载能力，以适应大运载量列车的工作需要。

4　结论

1) 车钩尾销孔裂纹是在尾销的冲击作用力下产生的脆性过载裂纹，该裂纹沿径向扩展至淬硬层与基体界面后，在周向上沿着淬硬层与基体界面疲劳扩展；

2) 列车运载量加大后，车钩尾销孔牵引弧面位置的工作应力更大；同时，该位置淬硬层与基体性能差异使淬硬层容易在应力作用下开裂形成裂纹并扩展。

本文摘自：戎文娟等“列车车钩尾销孔裂纹分析”（《失效分析与预防》2008.4）