内燃机车车轴断裂原因分析

郭晓宏 (鞍钢技术中心)          杨晓强  (鞍山市带钢厂)

摘  要： 通过对断口花样的综合分析，查明了内燃机车车轴断裂的原因，由于轴与轴套接触不当而产生相对运动，致使匹配两表面微振磨损，形成划痕和磨损坑并发展成大量微裂纹，而随后在循环载荷作用下，由微振磨损产生的裂纹处开始发生疲劳裂纹扩展，并导致最终疲劳断裂。

关键词： 疲劳； 裂纹； 断裂

1  概 述

鞍钢铁运公司机车厂使用的内燃机车车轴系四川孜阳内燃机车厂制造。于1988年11月安装使用至1993年2月发生断裂，使用近27540h，据介绍，车轴毛坯锻造后进行正火处理，830℃保温1h，随后强迫通风冷却到500℃以下时，再在空气中自然冷却以获得较细的晶粒，车轴加工后进行电磁探伤。

图1为车轴断裂示意图。波浪线部位为断裂面，直径Φ216处热压过盈配合轴套，与Φ220过渡有R6圆角，Φ220处装有轴承，上面覆盖箱体，箱体重约600～700kg。

图1  车轴断裂示意图                                 图2  轴表面划痕及磨损坑

2 检验分析

2.1 断口分析

2.1.1 宏观断口分析

车轴断口平面外缘已磨光，其磨光宽度为12～65mm，磨光面以外部分为棘轮花样断口，与断口平面相邻的轴表面上有大量的划痕和磨损坑，此缺陷区域宽约350mm，沿轴表面圆周分布，其中磨损较为严重的区域约占其圆周的1/3，而其余的2/3区域为划痕区，划痕区及磨损坑内均覆盖着黑色的氧化物，见图2。

从宏观断口花样及与断口相邻的轴表面状态可见，该件具有多源疲劳断裂特征，裂纹源多产生在轴表面，尽管断口平面外缘在疲劳扩展期被磨光，但仍然能看到几个裂纹源和疲劳弧线，多源疲劳裂纹沿各自平面扩展，被一些台阶所分割，出现许多撕裂棱，即两个台阶之间便为一个疲劳源，由于疲劳扩展时扭转、分离的两耦合面相互摩擦，使得断口表面被磨光，从而使得有些裂纹源原始状态被毁掉，疲劳扩展区逐渐吞食承载截面，使车轴的有效承载面缩小以至于不能承受外力瞬断而形成静断区，断口呈纤维状。

2.1.2 微观断口分析

沿裂纹扩展方向逐个切取断口试样，在扫描电镜下观察，裂纹从表面磨损坑区产生并向内扩展，裂纹内充满氧化物，见图3。

a.磨损坑内表面裂纹                                  b.划痕内表面裂纹

图3  微观断面形貌

扩展区内可见疲劳条纹平行排列，呈起伏波浪状，瞬断区为准解理断裂和解理断裂，呈河流状花样。断口的微观花样进一步证实该轴的断裂性质为多源疲劳断裂。

2.2 化学成分分析

车轴的实际成分与标准成分见表1。从表中可见，实际成分除碳稍高于40号钢标准成分外，其它元素的含量均在40号钢标准成分控制范围之内。

2.3 机械性能测定

2.3.1 硬度测定

在车轴基体上不同点测得布氏硬度(HB)平均为241。

2.3.2 拉伸及冲击韧性测定

测试结果如表2所示。由于在车轴上取纵向试样困难，所以均横向取样。拉伸试样的σb、σs高于标准值，而

δ5，ψ，ak均偏低。

2.4 金相组织观察

2.4.1 非金属夹杂物的观察分析

取纵向金相试样，经磨制抛光后，在金相显微镜下观察结果如下：塑性夹杂物为A3级；脆性夹杂物为B2级。

评级标准按GB10561-89评级图的I-JK标准评级。

2.4.2 组织观察与分析

从轴表面由表及里逐个取样，经磨制抛光腐蚀，在显微镜下观察，由于轴与轴套相互摩擦生热，形成2.05~3.50mm深的过热层，并伴随有裂纹生成，见图4。

表面组织为：铁素体+珠光体+魏氏体；次表层组织为：铁素体+珠光体+贝氏体+屈氏体；

重结晶区组织为：细铁素体+珠光体；

    半结晶区组织为：铁素体+珠光体；

基体组织为：珠光体+网状铁素体。

图4  金相组织

3  研究与讨论

车轴运行了4年(一般情况下运行至少10年)即发生断裂，由宏观和微观断口花样可见，断裂性质为多源疲劳断裂，裂纹产生在轴套与轴承相连接的轴表面上。

在与断口平面相邻的轴表面上可见大量的划痕和磨损坑，这是由于内燃机车在运行过程中轴与轴套因振动而产生相对运动、相互摩擦的结果，这种相对运动既有径向又有周向的。通常两匹配面之间若存在有0.001mm的间隙，相对往复滑动时便可引起微振磨损。磨损情况主要取决于摩擦力(即决定于压强的分配)以及摩擦力沿轴表面的变化，当带有热压配合轴套的轴被弯曲时，最大的压力便邻近轴套的边缘，因而，在距断口表面约350mm区域受到微振磨损，形成大量的划痕和磨损坑，这些缺陷的存在形成了应力集中，改变了轴表面的受力状态，因此容易在轴表面最薄弱的环节(如在过渡圆角R6)处，使其超过破坏强度而产生大量微振裂纹，随后在循环载荷作用下，以此微裂纹为起点开始萌生疲劳裂纹，其中一个或几个裂纹开裂、扩展，最终导致疲劳断裂，工件的疲劳寿命由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成，疲劳裂纹一经萌生，即萌生寿命已耗尽，疲劳余寿就只有扩展寿命了，可见该轴疲劳断裂的根本原因必然追溯到车轴表面划痕和磨损坑的形成，即微振磨损，因此车轴的断裂性质为多源微振疲劳断裂。

轴与轴套的摩擦生热量很大，温度很高，已经达到相变点以上，所以才能生成魏氏体。而次表层靠近轴心，轴心可视为一致冷源，使次表层冷却达到贝氏体的转化区，因而生成了贝氏体。温度的升高和组织的变化都会促进裂纹的生成和长大，加速裂纹的扩展，而最近由于有效承载截面达到临界状态，而发生瞬间断裂。

夹杂物的大量存在(A类3级，B类2级)增加了基体的脆性，降低了疲劳寿命，加速了疲劳破坏过程。

4  结 论

(1) 断口的宏观和微观特征表明，车轴断裂性质为多源疲劳断裂，轴与轴套相对摩擦、冲撞而产生了大量的划痕和磨损坑，其上覆盖有黑色的氧化物，可断定是由微振磨损所致。因此，内燃机车车轴最终断裂性质为微振疲劳断裂。

(2) 大量夹杂物的存在降低了抗疲劳性能，也是疲劳断裂的原因之一。