李硕

摘要：某机车在运行中轮心出现裂纹，造成行车安全隐患。我们对此情况进行宏观检验、断口分析、化学成分分析及金相检验等，结果表明轮心产生裂纹的主要原因是轮心热处理不良，造成金相组织不符合要求，疲劳性能及抗冲击性能下降，在循环应力和冲击应力的作用下，发生疲劳裂纹。

关键词：轮心 裂纹 金相 疲劳 魏氏组织 安全

1情况简介

该机车在大修后运行约10万公路左右，在运行检查中发现轮心于轮心辐板和轮毂处出现多条裂纹，如图1。轮心是机车走行部的重要部件，一旦断裂将导致列车脱轨，发生人员和财产损失，后果十分严重，此次情况由于检查及时，避免了重大行车安全事故。

轮心采用ZG230—450铸钢铸造而成，经粗加工、热处理及精加工后装车使用。经统计，轮心出现疲劳裂纹的部位大多位于轮心辐板与轮辋交角处，而裂纹出现在轮心辐板与轮毂交角处较少，因此我们对此情况进行分析。

图1 轮心裂纹情况

2.检验

2.1 宏观断口检验

从图1可以看出裂纹均产生于轮心辐板与轮毂交角处，裂纹打开后可以看出，断口较为平整，没有明显的宏观塑性变形，贝纹线清晰可见，裂纹源区位于轮心轮辐板表面处，裂纹扩展十分充分，瞬断区很小。

2.2 化学成分分析

从裂纹源附件取样进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 化学成分（质量分数≤）                       %

可见，结果符合GB11352—2009《一般工程用铸造碳钢件》中对ZG230—450铸钢的化学成分的要求。

2.3 金相检验

2.3.1 非金属夹杂物检验

在裂纹源附件锯取金相试样，按要求进行磨制，利用金刚石喷雾剂进行抛光，按照TB/T2451—93《铸钢中非金属夹杂物金相检验》进行检验，结果为Ⅰ型及Ⅲ型夹杂物为粗条1级，细条2级，Ⅱ型夹杂物为1级，无Ⅳ型夹杂物。

2.3.2 晶粒度检验

按照GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，结果为5-6级。

2.3.3 轮心金相组织及热处理情况检验

    按照TB/T2450—93《ZG230—450铸钢金相检验》进行检验结果如图2，显微组织中存在大量位相分布的针状铁素体魏氏组织，按照第二评级图评为残余铸态6级。属于不合格级别。为了进行对比，我们在轮辋外圆处切去了另外一块

图2 轮心裂纹处金相组织

金相试样，进行对比试验，结果如图3，可见，魏氏组织比前试样要少，且其中铁素体条已重结晶细化，按照第三评级图评为遗传5级，属于合格的级别。

图3轮心轮毂外圆处金相组织

2.4 力学性能检验

在裂纹附近锯取力学性能试样，按照GB228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行拉伸试验，结果如表2

表2 轮心裂纹处力学性能                              

由检验结果可以看出强度符合标准要求，但是塑性指标均不合格，且屈服强度不明显，这些均说明热处理后材料的性能不好，这与金相检验结果是一致的。

2.5 轮心表面情况检验

按照TB/T1400—2005《机车用铸钢轮心技术条件》的要求进行检验，未发现明显不合格缺陷。

3. 受力分析

正常情况下，轮心在机车运行过程中主要承受拉-压循环载荷和扭矩，车轮运行在铁轨接头处有冲击载荷，因此在轮心中相应地产生拉-压交变应力，扭转应力和冲击应力。

4. 分析讨论

由以上检验结果可以看出轮心化学成分、外观检验、非金属夹杂物及晶粒度符合要求，热处理后的金相组织为珠光体（P）和铁素体（F），轮心裂纹附件热处理金相组织级别为残余铸态6级，属于不合格级别，相应的力学性能也不符合标准要求。

由断口分析可见，该轮心是在运行中发生的疲劳裂纹，属于早期疲劳失效，并且轮心所受名义应力不大，但在轮心辐板与轮毂交角处存在一定的应力集中。

机车轮心是采用ZG230—450铸钢铸造而成，主要的加工工艺为正火和机械加工，ZG230—450属于低碳铸钢，有一定的塑性、韧性及良好的可焊接性，铸态时存在严重的偏析、晶粒粗大及严重的魏氏组织，这些造成了铸态的零件各种力学性能十分低下，尤其是冲击性能极差，[1]是不能直接应用的，须经过相应的热处理，改善组织和性能，方可以投入使用，轮心的热处理工艺为正火，经正常正火后，使成分均匀，组织应力得到消除粗大组织及魏氏组织变成细小的等轴珠光体（P）和铁素体（F），使力学性能大大改善。但是，该轮心由于热处理不良，部分部位组织中存在残余铸态，即铸态未得到充分消除，因而力学性能较差，在机车运行中循环拉-压应力、扭转应力及冲击应力的综合作用下，萌生了疲劳裂纹，并且在这些应力的作用下，裂纹继续扩展，发展成较大的宏观裂纹。

为了对轮心热处理不良的原因进行进一步分析，残余铸态的存在，主要是轮心的加热温度不够或保温时间不足所造化的，加热不足主要与材料化学成分、原始组织、热处理炉的温度场、热处理炉的测温仪表及装炉情况有关，考虑到轮心轮辋外圆处的金相组织是合格的，所以我们认为装炉情况是影响轮心辐板和轮毂部位组织不良的主要原因，由于装炉情况不同，会造成零件受辐射面积及炉气循环条件的差异，影响到实际的加热速度和加热时间。[2]因此我们调查了轮心热处理的详细情况，轮心热处理一般采用台车式热处理炉进行加热，轮心在台车中的摆放如图3照片所示，这样的摆放，容易造成放在中间的轮心受热不足，尤其是远离表面的轮心辐板部位和轮毂部位更加不易热透，因而组织得不到充分变化，当然加热时间不够充分也是造成残余铸态的原因。另外，由于生产过程检验用的试棒一般均放在轮心表面处，受热充分，且轮心试棒的尺寸较小，容易热透，因而造成试样合格，但是轮心却不合格的情况，所以也应该注意试棒的摆放位置。

图3 轮心热处理摆放情况

5. 结论及建议

由以上的分析可见，轮心由于热处理时，放在台车中间的轮心轮毂和辐板部位加热不足，造成的组织中存在残余铸态，从而使性能较差，在应力的作用下，发生的早期疲劳裂纹。

建议严格执行热处理规范，合理摆放，使轮心之间存在适当的距离，保证轮心各部位都能充分受热，加强轮心的检验，使轮心的检验试样和轮心的受热情况尽量接近，从而使轮心试样的检验充分代表轮心的热处理情况。加强轮心在机车运行中的检查工作，避免造成行车安全事故。

（中国北车兰州机车有限责任公司质量保证部，兰州 730050）