机车摇枕断裂分析

张瑛洁  赵芳欣  胡振艳  尹绍奎  王亚勤

(沈阳铸造研究所  沈阳  110021)

邹伟

(沈阳机车车辆厂  沈阳  110035)

摘  要：采用宏、微观检验和电子探针等方法对断裂摇枕进行了分析。结果表明，由于热处理不当造成三次渗碳体在铁素体中呈网状析出，致使材料塑性和冲击功大幅度降低。重新热处理后力学性能符合验收标准。

主题词：ZG230-450；机车摇枕；三次渗碳体；断裂

1  情况简介

某厂生产的机车摇枕外轮廓尺寸约300mm，壁厚约20～30mm，长约2000mm，。该摇枕材质为ZG230-450，其受力状态接近简支梁，有一定动载。该摇枕服投近两年，在检修时发现，在近中部弯曲受拉应力处已开裂。摇枕的热处理工艺为880±20℃空冷。与摇枕同炉处理的还有20余件。发现裂纹的季节为12月份(吉林)。

2  检验

2.1 宏观检验

图1为断裂摇枕开裂处局部宏观断口形貌，可见断口上有白色线形条纹。

图1  摇枕开裂处局部宏观断口  1×

2.2 微观检验

图2为断裂摇枕断口的SEM象，断裂方式为混合型，以解理断裂为主。硫化物夹杂为2级，符合相关标准要求。图3为断裂摇枕的金相组织，在铁素体边界和晶内分布着白色线状物，且呈网状分布，倍数较高时呈现出宽的亚晶界(图4)，X射线分析表明，宽晶界上有碳化物(图5)。图6为断裂摇枕及经重新热处理后的金相组织，可见断裂摇枕{的晶粒比较粗大，重新热处理后晶粒比较细小，且未发现白色网。

             图2  摇枕断口SEM象  100×                 图3  断裂摇枕显微组织  100X

      图4  断裂摇枕铁素体中的亚晶界  500×         图5  图4中亚晶界形貌及CKa线扫描  2000×

(a)断裂摇枕  100×                        (b)重新热处理后  100×

图6  断裂摇枕及经重新热处理后的金相组织

2.3 化学成分和力学性能

表1为断裂摇枕的化学成分检验结果，可见化学成分在标准要求范围内。

表2为断裂摇枕及经重新热处理后的力学性能试验结果。可见断裂摇枕各项力学性能均未达到标准要求，尤其是冲击功远低于标准要求。重新热处理后，力学性能达到标准要求，冲击断口从脆性平断口转化为具有较大剪切唇的韧性断口。

3  分析

对断裂摇枕的分析结果表明，宏观断口、金相组织中的白色线及铁素体中的亚晶界均与三次渗碳体有关。有关文献指出，这种三次渗碳体一般沿铁素体晶界呈片状分布，严重影响材料的塑性和韧性。本文的研究结果表明，三次渗碳体不仅沿铁素体晶界分布，在铁素体晶内也近似呈网状分布。

有关文献指出，解理断裂通常发生在体心立方点阵。低温、应力集中及粗大晶粒均有利于解理的发生。由于冬季比较寒冷，断裂摇枕晶粒比较粗大，特别是沿铁素体晶界和在晶内存在近似网状分布的三次渗碳体，导致摇枕在弯矩较大处以解理为主的方式开裂。造成三次渗碳体析出的主要原因是正火空冷时，从Ar1开始到500℃左右范围冷却过慢。据了解，厂家正是在上述温度范围内将20余件产品堆放一起，而未采取吹风和疏散等措施。

重新热处理采用了与断裂摇枕基本相同的正火工艺，即890士10℃，保温2h，空冷。将材料重新加热到奥氏体转变温度以上，不仅使三次渗碳体溶解，也使晶粒更加细化，空冷时试块尺寸比较小，不存在冷却过慢问题，消除了三次渗碳体，晶粒进一步细化，塑性和韧性得到大幅度提高。

4  结论

(1) 摇枕断裂为脆性解理断裂。

(2) 断裂摇枕的主要原因是热处理不当造成三次渗碳体沿铁素体晶界和在晶内析出并呈近网状分布，导致材料塑性和韧性大幅度降低。

(3) 断裂摇枕的力学性能不符合有关标准要求，塑性和冲击功与标准相差较大。重新热处理后，力学性能符合相关标准要求。

(4)  建议该类产品正火空冷时，在Ar1～500℃之间的冷速不能过慢，必要时可采取风冷。