铁路刹车自动控制系统中制动钳内钳断裂分析

李宝银，韩雅静，王哲人，周福刚

(天津大学材料学院金属材料系，天津  300072)

摘　要：利用金相、扫描电镜等手段对铁路刹车自动控制系统的内钳在服役中不断发生早期断裂进行了较深入的分析，认为内钳材料的金相组织、力学性能均存在不良现象，系统中内钳受力(交变应力)不均匀，是导致内钳发生早期断裂的内在原因。

关键词：魏氏组织；疲劳断裂

　  内钳是铁路调度枢纽(中心)自动控制中的重要零件，其作用是对高速下滑的车辆进行刹车减速作用。某调度中心自动控制系统的内钳，采用ZG230-450材料制造，在服役中内钳发生断裂实物形貌(见图1)其寿命仅一年左右，比正常使用期限短很多。为避免再次出现内钳断裂，并对断件产生原因进行分析。

图1　内钳断裂实物形貌

1　实验方法

在内钳断件失效部位取样进行化学成分及断口宏观分析。采用Neophot-2型金相显微镜进行组织观察及金相分析，并从断件相关部位取样，进行力学性能(硬度、抗拉强度及冲击韧性)测试。利用日立X—650型扫描电镜观察裂纹及断口形貌。

2　实验结果与分析

2.1　断件材料化学成分分析及机械性能测试

从断件的有关部位取样，进行化学成分分析，结果见表1。断件材料化学成分符合国家标准要求。

从断件相关部位取样，进行材料的硬度(HB)、抗拉性能(σs、σb、δ5、ψ)及冲击韧性(ak)测试。(1)硬度测试：在HB-3000型硬度实验机上进行，其结果HB138，139，137。(2)冲击实验(见表2)、抗拉性能实验(见表3)1#试样断在中间，有明显颈缩。2#试样断在边线(工作区)，无颈缩。3#试样断在有效区内，有小颈缩。从机械性能实验数据上看，材料性能不均匀，有的性能属正常，符合ZG230-450标准，但也有的性能脆性比较大。

2.2　宏观观察

观察内钳整个断件较粗糙，但能隐隐约约看到裂纹的扩展走向，从尖角向上扩展，断件起裂位置均从内钳直角尖角开始。

2.3　金相检验

试样磨光抛光后在显微镜下观察钢中夹杂物属于硫化物，根椐GB10561—89标准评为2～2.5级。观察中还发现某些断件夹杂物沿晶界呈断续网状分布见图2。组织为铁素体+珠光体+少量针状魏氏组织，图3a为典型ZG230—450铸态退火组织，但也发现有的断件局部部位组织中存在较多魏氏组织，见图3b。

图2　夹杂物呈断续网状分布

　　　　　　　　　a—铸态退火组织100×　　　　　　　　　         b—魏氏组织100×

图3　基体显微组织

　　　　　　　　　a—断口微观形貌250×　　　　　　　　        　b—断口微观形貌500×

图4　制动钳内钳断口

2.4　扫描电镜分析

从断口取样并在扫描电镜上进行扫描观察，结果在裂纹扩展区发现疲劳裂纹扩张的花样特征(见图4a)。在瞬时断裂区，为典型脆性准解理断裂花样并有二次裂纹(见图4b)。

3　分析与讨论

金相分析表明，断件组织及夹杂物基本符合标准，但局部部位存在较多的魏氏组织，夹杂物沿晶界呈断续网状分布。从断件机械性能实验数据上看，材料不均匀，有的性能属正常，但也有的性能脆性大。这可能与取样部位离浇冒口较近，造成材料组织不均匀有关。

扫描电镜观察分析表明，从断口宏观及微观均看到一些疲劳断裂特征，断件从何处起裂，必须结合内钳工作来分析，当车辆以高速冲向前方时，制动轨开动，进行紧急刹车，在刹车瞬间，内钳左侧必然受到一个向上的撅力，即受拉应力。在内钳的尖角处，由于应力集中，裂纹必然从尖角处开始。随工作发展，内钳在工作中，受到一种“拉-停，拉-停”的周期应力。这种周期应力特点，力大但频率低，裂纹一旦形成，裂纹扩展速度相对较快。由于内钳材料为铸造材料性能较脆，所以断口疲劳花样特征一般不明显。内钳产生疲劳断裂的原因，一是外界因素，系统中内钳受力(交变应力)不均匀。系统虽然经过调整，但从断件的螺孔内造成挤压痕迹大小看出它们受力不一样，受力大的必然先发生早期疲劳断裂，如果制动轨螺栓松动，内钳将受到冲击力，加速了疲劳断裂。二是内在原因，材质不均匀，从金相检测中看到断件组织局部视场存在较多的魏氏组织，或夹杂物沿晶界呈断续网状分布，这易导致疲劳裂纹形成及扩展。总之，由于系统受力不均匀，导致系统中无论材质正常或不正常，都可能发生疲劳断裂，而材质有问题的内钳可能优先断裂。

4　分析结果及建议

(1)内钳的断裂属于脆性疲劳断裂。

(2)断裂均起裂于内钳的直角尖角处，因为刹车瞬间此处产生大应力集中(拉应力)。

(3)内钳材料的金相组织及力学性能均存在有不均匀现象，这是导致内钳发生早期断裂的内在原因。

建议：

(1)内钳铸造之后必须坚持进行充分的正火或退火处理，以达到性能要求。

(2)减速器安装调试严格按有关的技术条件进行，使系统中内钳受力趋于均匀。