重载钩舌疲劳寿命异常原因分析

王 安,田长亮,刘胜田,李家威,崔英俊

(中车齐齐哈尔车辆有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161002)

近年来,随着工业科技快速发展,铁路货车技术以“提速、重载”为研究方向,钩缓系统服役条件趋于恶化,其可靠性问题凸显。解决这个问题可从钩缓结构、生产工艺和材料三个方面考虑[1]。受互换性和轨距等因素影响,车钩及钩舌的结构设计空间受限,不能做大的结构改进。工艺方面由于需求量大,控制生产成本至关重要,绝大多数的车钩产品仍采用铸造工艺成型。车钩材料的可选范畴也被限制为铸钢。铸钢件存在原始缺陷,难以彻底消除,缺陷部位的不确定性使车钩疲劳性能产生波动。车钩、钩舌运用载荷工况恶劣,性能要求严苛。其中疲劳断裂是车钩、钩舌最主要的失效形式,相较于车钩及其他钩缓部件,钩舌的设计使用寿命及质保期最短[2-4]。为评估钩舌疲劳性能表现,往往在产品设计阶段开展车钩结构疲劳试验,对钩舌可靠性进行验证[5]。图1为重载车钩组成和车钩疲劳试验台。

图1 (a)重载车钩组成和(b)车钩疲劳试验台

某公司对一种新型重载钩舌开展结构疲劳试验时,发现部分钩舌寿命异常,低于设计预期。车钩产品的结构疲劳试验具有试验设备昂贵、试验成本高和周期较长的特点,不宜多次开展重复试验验证[6],其试验数据又异常珍贵,可有效反映新型车钩产品的应用表现。因此,对钩舌的试验数据进行分析尤为重要。本文通过多项试验对异常寿命钩舌进行分析,总结了寿命偏低的原因,并提出预防措施和改进建议,可有效提高钩舌及相关产品的疲劳寿命[7-9]。

1 失效钩舌基本情况

本试验失效分析的钩舌样品为3件改进加强型重载F51AE钩舌,铸造顺序号分别为1509、1534和1539(分别对应1#、2#和3#样品)。疲劳试验采用的载荷谱是根据中车齐齐哈尔车辆有限公司出口澳大利亚某公司矿石车时所提供的载荷经统计处理后简化的试验谱,1#、2#和3#样品的循环失效寿命分别为60896、45672和51872次,平均失效寿命约52800次。而采用相同载荷谱开展疲劳试验的原F51AE型钩舌的平均寿命一般为8～12万次,本试验失效钩舌的寿命低于其近50%,与预期的设计寿命大幅偏离。

一般钩舌断裂部位为牵引突缘和钩舌内腕,这两个部位应力最为集中[10],相对最为薄弱。图2为钩舌加载示意图,其中序号8位置为牵引突缘,序号12位置为钩舌内腕。本试验钩舌对牵引突缘位置进行了结构加强设计,因此三件钩舌的断裂部位均为钩舌内腕。

图2 钩舌加载示意图

1#、2#和3#样品材料为符合标准AAR M201要求的E+级铸钢,冶炼工艺采用EBT电弧炉冶炼+LF精炼,为同一冶炼炉次,成型后经清铲、打磨、探伤和热处理等工序,热处理采用正火+调质处理,如图3所示。

图3 热处理工艺

2 试验检测

2.1 化学成分分析

在钩舌鼻部取样,采用光谱法进行化学成分分析,结果见表1。由于三件样品出自同一冶炼炉次,其化学成分基本相近,均符合标准AAR要求及内部质量控制要求。

表1 钩舌的化学成分(质量分数,%)

按照标准GB/T 11261—2006中红外吸收法测定氧含量,按照标准GB/T 20124—2006中熔融热导法测定氮含量,气体含量检测结果见表2,符合标准AAR要求。

表2 钩舌的气体含量

2.2 力学性能及硬度

在1#、2#和3#样品的钩舌鼻部位置进行取样,取样位置如图4所示。采用φ12.5标准试样,参照标准GB/T 228进行拉伸试验;采用-40 ℃ V型缺口试样,参照标准GB/T 229进行冲击试验。力学性能检测结果见表3,三个样品的力学性能均满足技术要求。

图4 取样位置

硬度检测采用布氏硬度法,1#、2#和3#样品的硬度分别为302、304和302 HBW,满足标准AAR中硬度为241～311 HBW的要求。

2.3 金相组织及夹杂物

在钩舌的断口附近取样进行夹杂物、组织、晶粒度和脱碳层检验。经4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察试样的金相组织及脱碳层;参照标准TB/T 2451对铸钢中非金属夹杂物进行取样和评级;晶粒度检验采用4%硝酸酒精+饱和苦味酸+海鸥牌洗衣液混合溶液进行腐蚀,腐蚀温度为60～80 ℃,腐蚀时间为5 min,利用平均截距法进行晶粒度评定。评定结果见图5和表4,检验结果均符合标准AAR及内部质量控制要求。

(a)金相组织;(b)夹杂物;(c)晶粒度

表4 金相组织、夹杂物评级及脱碳层深度

2.4 无损检测

在试验样品生产制造过程中以及开展疲劳试验前,均对钩舌全表面进行了整体湿法磁粉探伤,并采用便携式磁粉探伤仪器对关键部位进行手工复探,按照标准ASTM E125《铸铁件的磁粉检验用参考照片》要求,缺陷均在标准准许等级之内。

疲劳试验后,对断裂钩舌进行了工业CT探伤检测,对钩舌整体及红色截面处进行扫描,如图6所示。检测结果表明,三件样品钩舌密实度均符合标准要求,未见严重铸造缺陷。

图6 试验钩舌的CT影像

2.5 断口分析

图7为1#、2#和3#样品断裂后的宏观照片。 在疲劳寿命相对较长的1#样品和较短的2#样品上切取断口部位,用酒精清洗后观察断口的宏观形貌,如图8所示。两个断口的形貌相近,均可分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个特征区域。其中Ⅰ为裂纹源区,Ⅱ为扩展区和Ⅲ为瞬断区。对裂纹源区进行目视观察,无明显铸造缺陷,但裂纹源区附近可观察到多处尖角状台阶撕裂,根据立断面颜色、氧化及断裂部位受污染程度,难以判断各部位萌生裂纹的先后顺序,按照结构疲劳试验的以往经验,断裂类型为多源疲劳[11]。随试验进展,裂纹向内部扩展,在Ⅱ区域可见明显的疲劳弧线,符合疲劳断裂特征。对比可见,1#样品的扩展区大于2#样品,而疲劳弧线的大体跨度相似,可推测其在萌生裂纹后的扩展周期更长,对应1#样品的疲劳寿命略高于2#样品。Ⅲ区域为瞬断区,由于样品结构失稳后瞬间过载形成。

(a)1#样品;(b)2#样品;(c)3#样品

(a)1#样品;(b)2#样品

为研究断裂过程,切取Ⅰ和Ⅱ区域,采用扫描电子显微镜观察断口形貌,如图9所示。由图9可知,两个断口在裂纹源区均未见1 mm以上原始组织缺陷,扩展区存在大量韧窝及少量的撕裂棱,可判断其产品内部原始结构的组织仍具韧性特征。裂纹源处存在较多的显微裂纹和缩松,如图10所示。局部断口的扩展方向可认为与疲劳条带方向垂直,该方向的前沿在断裂过程中应力最集中,因而加载后形成的裂纹往往沿着扩展方向尖端向周围延伸。其中一部分向平面延伸断裂形成了疲劳条带,另外向内延伸则可能形成断后裂纹。图9中裂纹与疲劳条带之间具有较大的张开角度,则推测其为原始裂纹,长度为200～300 μm。另外,观察到密集的自由结晶区,其表现为不规则形状的显微缩松。

(a)裂纹源区;(b)扩展区

图10 近表面处显微缺陷

为排除断裂区域显微缺陷为违规焊补(局部)后生成,采用Smart Zoom5三维视频显微镜对拉伸试样断口截面处进行观察。同时因手工探伤和CT探伤对微小缺陷不敏感,对显微缺陷尺寸进行定量测量可预防此类问题再次发生,且是成本最低的检验手段[12]。如图11中标记,定量测量21处显微裂纹及缩松,最大缺陷尺寸为294 μm,最小缺陷尺寸为86 μm,平均为126 μm。

图11 近表面处显微缺陷尺寸定量测量

3 结论和建议

根据上述试验结果对疲劳寿命异常钩舌进行失效分析,对钩舌结构疲劳试验结果产生较大影响的因素主要有产品结构的设计、产品生产制造过程中的质量控制及试验本身。由于样品钩舌为对比试验样本,因此可排除产品结构设计缺陷的因素;另外试验选取的3个钩舌均发生寿命异常,所以其疲劳表现可视为重复验证后所得,即试验数据是准确可靠的。故应按照其生产制造过程为主线,对钩舌的异常指标进行排查。由于化学成分、气体含量、力学性能、硬度、金相组织及夹杂物的检验结果均符合标准,无异常表现,从而可以确定冶炼铸钢成分准确、热处理工艺得当。断口分析结果表明,在裂纹源、近裂纹源表面处和位于钩舌鼻部的拉伸试样内部均存在尺寸细小、分布密集的显微缺陷,这类显微缺陷是影响本次钩舌疲劳寿命的主要原因。显微缺陷主要产生于钩舌的浇注、凝固及焊后修补过程,在疲劳和性能试样断口中均发现缺陷,而焊补一般为局部行为,故缺陷应产生于浇注及凝固过程。

综上所述,为减少和控制铸钢钩舌显微缺陷,提出以下改善建议:

1)加强冶炼过程控制,如控制脱碳量,采用白渣操作和炉外精炼技术,提高出钢槽及钢水包的洁净要求等,以提高浇注钢水质量;

2)针对不同铸钢牌号钩舌产品,制定相匹配的浇注工艺,适当提高浇注温度,并设定浇注温度下限,控制浇注的车钩和钩舌数量配比,确保钢水的流动性;

3)调整铸造工艺,优化铸造用砂,如调整砂型成分、制定新砂比例下限等,试验多种浇注结构,在关键部位增加冷铁、气针,严格限制打箱温度上限或限制冷却时间,控制冷却环境。减少铸造缺陷,可提高铸造质量;

4)国标及铁标中未限制显微缺陷的存在,常规检测包含各类探伤工序均难以甄别细小缺陷,应采用视频显微镜等设备,观察统计拉伸断裂样品断面的缺陷数量和大小,并结合产品结构疲劳试验数据开展相关研究,定量、定性分析后制定相应质量控制标准。