地铁列车转向架断裂原因分析

谭　莹，陈　明，曹　标，司徒铿

(广州出入境检验检疫局，广州510623)

摘　要：地铁列车转向架是由钢板焊接而成，在服役一年后断裂。对断裂件进行了断口形貌、金相组织、化学成分分析及硬度测定。结果表明，断口显示出疲劳断裂痕迹，焊接缺陷是引起疲劳裂纹萌生及扩展的主要原因，而热影响区粗大的贝氏体及低碳马氏体组织的存在加速了疲劳断裂过程，最终导致转向架早期疲劳断裂。

关键词：转向架；焊接缺陷；疲劳断裂

1　情况简介

地铁列车转向架是地铁列车运行的一个关键部件，其主要功能是支承电机，承受电机运行的循环应力作用。该零件是随地铁列车从德国引进，在投入使用一年多后出现断裂(图1箭头指处)，断口尺寸330mm×120mm×10mm，呈凹形。该失效件是由10mm厚的S355J2G1W钢板焊接而成。

图1　列车转向架断裂形貌

2　检验

2.1　断口宏观检验

失效件宏观形貌见图2，整个断口分E，F和G三个区，E和G区是侧板，F区是横板，三块板通过焊接连接。在E区，侧板与横板焊缝区可见疲劳源，源区可见一些台阶(图3箭头指处)；裂纹从焊缝区开始往母材扩展，在裂纹扩展的始端，断口平整光滑，在裂纹扩展的中端可见细而密、间距大致相等的贝纹线(图4)；在裂纹扩展的末端疲劳纹粗而宽。在G区，侧板与横板焊缝区可见二次裂纹源，二次源区平坦，有一平直的裂纹，断口显示裂纹从焊缝区开始往母材扩展，在裂纹扩展末端是粗而宽的疲劳纹(图2)。F区是瞬时破断区，约占整个断口的60%，断口显示许多撕裂棱，两端头撕裂棱粗大、密集，中间短小、稀疏，且呈基本对称形式，撕裂的方向与E和G区裂纹扩展方向相反(图2)。

   图2　失效件断口形貌示意图                            图3　疲劳断裂源区(Ⅰ方向)

图4　疲劳扩展区贝纹线(Ⅱ方向)　1.6×                图5　断裂源区形貌　6.6×

2.2　断口微观检验

在E焊缝区切取试样1(见图2)，在KYKY2800扫描电镜下观察断口形貌，断裂源区位于焊根[2]，有一些沟线从源区发出，呈上下辐射状分布；在图5中，A区是侧板的断裂面，B区为横板的原始表面，C区为横板的断裂面，焊缝区大约有三分之二区域未焊透，源区可见焊接气孔和空洞。在疲劳扩展区取试样2(见图2)观察，可见疲劳条纹和二次裂纹(见图6)。图7为在G区试样3的断口形貌，可见轮胎痕。

       图6　疲劳条纹和二次裂纹　1500×                          图7　轮胎痕　2000×

2.3　金相组织检验

　　在MeF4金相显微镜下观察试样1断口背面显微组织，呈焊态[2]，母材为珠光体加铁素体，焊缝组织为索氏体加沿柱状晶分布的铁素体，热影响区组织为低碳马氏体、贝氏体及粒状贝氏体(见图8)，焊接根部有一焊接气孔和一空洞(见图9)。

   图8　马氏体及贝氏体组织　500×                         图9　焊接气孔和空洞　50×

2.4　化学成分分析

图2中试样4和5为化学分析试样，表1为化学成分分析结果，可见转向架化学成分(质量分数)符合技术条件要求。

2.5　硬度测定

　　在试样1上对焊接组织、热影响区和基体组织进行显维硬度测定，检测结果表明热影响区硬度明显高于基体组织，见表2。

3　检验结果分析

上述检验结果表明，失效件为疲劳断裂。疲劳断裂源产生于E区焊缝区，由于该焊缝区有2/3部位未焊透，导致该部位承受载荷的截面减少，单位面积上所承受的应力增加，加之在焊接根部出现的焊接气孔、空洞等缺陷，导致在该区域应力集中，疲劳强度较低，在循环载荷的作用下，裂纹首先在该区域形核，并产生多源状断裂形貌———疲劳台阶。在裂纹扩展初期，由于载荷应力变化不大，断口出现细密、均匀的贝纹线；当裂纹进一步扩展时，该失效件的最大正应力平面发生变化，应力转向G区焊缝区，形成二次裂纹源，此时应力逐渐加大，裂纹扩展速度也加快，因而产生轮胎痕[4]。当裂纹达到临界尺寸时，最大正应力方向转向横板，横板被撕裂，由于受到两侧板的作用，F区断口上呈现明显的对称撕裂棱。

另一方面，焊接根部的热影响区出现粗大的羽毛状贝氏体及低碳马氏体组织，导致该处的强度和硬度显著增加(见表2)，而塑性和韧性明显下降，使该部位的缺口敏感性增加，加速了裂纹扩展，最终导致早期疲劳断裂。

4　结论

列车转向架的失效属疲劳断裂。转向架未焊透并存在焊接气孔等焊接缺陷，在运行中引起应力集中，造成疲劳裂纹的萌生及扩展；而热影响区粗大的贝氏体及低碳马氏体组织促使疲劳裂纹扩展，导致早期疲劳断裂。