EA1N 车轴疲劳裂纹的分析

车轴是轨道交通机车车辆的关键零部件之一，其安全性直接关乎整车的安全。因此，保证车轴具有优异的性能十分必要。EA1N车轴钢是欧洲铁路车轴广泛应用的一种车轴材料，EN 13261-2003 也是目前世界上最先进的车轴标准之一，对车轴的化学成分及机械性能等都做了很高的要求。我公司此次新开发车型的车轴即选用EA1N 材质。车轴作为关键零部件，需进行一系列型式试验，其中就包括实物车轴疲劳试验。

而在进行此次疲劳试验时，车轴出现了裂纹并发生断裂。针对该情况，有必要对其疲劳裂纹产生的原因进行探究分析，对于后期的疲劳试验以及生产工艺的改进至关重要。

鉴此，本文拟通过对其原材料、锻造过程、热处理过程、理化性能检验、机加工过程以及宏观断口逐个进行分析排查，来找出可能导致车轴产生疲劳裂纹的不良因素，进而对其进行改进。

材料及分析方法

材料

本次车轴所采用的材料为EA1N 车轴钢，由表1可知，该车轴钢的化学成分完全符合EN 13261 标准的要求。

表1 EA1N 钢的化学成分(wt%)

分析方法

对生产制造过程中的相关记录进行检查，包括锻造过程、热处理过程、机加工过程。

并从接近断口位置的部分进行取样，分别进行化学成分、低倍组织、力学性能、高倍组织的检验，取样位置为车轴横截面上的9 个位置，即相互垂直的两条直径线所在的外表层处、R/2 处，以及中心处，共计9 个点，如图1 所示。最后对其宏观断口进行观察分析。

图1 取样位置示意图

结果与分析

锻造过程

检查车轴的锻造记录，记录显示加热温度为1170℃，始锻温度为1150℃，终锻温度为850℃，锻后空冷。锻造过程均满足工艺要求。

热处理过程

检查车轴的热处理记录，记录显示正火加热温度为880℃，空冷。热处理过程均满足工艺要求。

机加工过程

检查车轴的机加工记录，并重新对数控程序坐标点进行核算，数控程序走刀轨迹没有问题。对断裂车轴的各关键部位进行检查，各部位尺寸均满足要求。

然而，在对其加工参数进行调查时发现，操作者对进给量进行了经验性地提高，由1.2mm/r 提高到了3.0mm/r。虽然对产品尺寸没有影响，但这种大幅提高进给量的做法必然会导致车轴表层产生大量的拉应力，造成车轴本身疲劳强度的降低。

此外，还发现轴身与轮座过渡圆弧处的粗糙度存在一定的问题，如图2 所示。可以看出，在圆弧处能够很清晰地看到加工刀花，虽然无法对圆弧处进行粗糙度值的测定，但通过对比可以发现，该关键位置的粗糙度并没有满足图纸小于等于Ra1.6μm 的要求。

图2 轴身与轮座的圆弧处

不同位置处的化学成分

表2 为车轴断口附近9 个位置的化学成分检测结果。由表2 可以发现，9 处的化学成分基本一致，不存在成分偏析的现象。

表2 EA1N 车轴不同位置的化学成分(wt%)

低倍组织

表3 为车轴断口附近截面的低倍组织级别。由表3 可知，车轴材料的一般偏析、中心疏松、锭型偏析、斑点状偏析现象均不明显，甚至不存在。

表3 EA1N 车轴断口附近的低倍组织(级)

力学性能

表4 为从车轴断口附近9 点取样的力学性能。由表4 可知，该车轴每点的性能均满足EN13261 的要求，并且具有较好的均匀性，特别是表层。

表4 EA1N 车轴力学性能

高倍组织

表5 为车轴断口附近9 点取样的金相组织、晶粒度以及非金属夹杂。由表5 可知，各项指标均满足标准要求，且材料纯净度良好，金相组织、晶粒度表现均一。

表5 高倍检测

断口分析

车轴在产生疲劳裂纹后发生断裂，分为两部分，其中车轴的轮座部位残留在了车轮毂孔内，如图3 所示。由图3 可以看出，裂纹出现在了轴身与轮座的圆弧过渡处，此位置是应力集中区，也是此次试验考核的区域。

图3 断轴

对其轮座部位进行观察，如图4 所示，可以看出，该部位出现了两处大裂纹。其中一处导致了车轴断裂，另外一处还处于扩展阶段。对其断口进行观察，如图5 所示，可以较明显地看到裂纹扩展产生的贝纹线，并指向了裂纹源的位置，表明该裂纹为从表面萌生的疲劳裂纹，如图5 位置1、位置2 处。

图4 断轴的轮座断口

图5 轮座的宏观断口

而从轴身部分的断口也可以看到同样的情形，如图6 所示，位置1 和位置2 为裂纹源。

图6 轴身的宏观断口

结合图5 和图6 可以看出，导致车轴断裂的大裂纹是由两个小裂纹构成的，两个小裂纹在车轴表面各自萌生后不断进行扩展，两者相遇后，裂纹之间的部分在试验力的作用下便被剪断，进而相互连接成为一个大裂纹，剪断部位如图7 所示。

图7 裂纹相互连接处

在此位置还发现，两个裂纹的前端均存在各自扩展的痕迹，如图8 所示，这也说明了导致车轴断裂的大裂纹是由两个裂纹在扩展过程中发生剪断后连接而共同导致的。

图8 两个裂纹前端的扩展痕迹

讨论

由表2、表3 和表5 可知，本次EA1N 车轴不同位置的化学成分均一致，不存在成分偏析的现象，低倍组织以及非金属夹杂也符合标准，且质量较高。同时，由断口分析可知，疲劳裂纹为多处出现，且萌生于表面，非内部缺陷处。因此，可以确定此次疲劳裂纹的产生并非原材料的问题。

车轴在锻造以及热处理过程中，运行过程均按照标准完成，热处理后也具有了合格的力学性能、晶粒度和金相组织，且在车轴圆周方向表现出了较好的均匀性。因此，在热加工过程中，也未产生不利于车轴疲劳的影响因素。

而对于机加工工序，因进给量进行了提高的调整，虽然对外形尺寸没有影响，但必然会使车轴表层产生较大的拉应力，降低了车轴本身的疲劳极限。而且，粗糙度过高使得刀花这种表面微观缺陷得到一定程度的放大，进而为疲劳裂纹提供了大量的萌生位置，增大了发生疲劳裂纹的可能性。当交变载荷作用于车轴时，产生的应力便会在刀花处不断囤积，当其超过车轴的疲劳极限时，便在该位置萌生裂纹，并不断向心部扩展，扩展过程中不同裂纹相互连接，最终导致车轴断裂。

结论

⑴车轴的原材料、锻造热处理工序未对其疲劳性能产生不利影响。

⑵车轴机加工过程中，进给量的提高直接导致了车轴表层拉应力的增大，降低了车轴的疲劳极限。同时，表面粗糙度的过高又为裂纹提供了大量的萌生位置，最终使得车轴圆周表面多个位置产生疲劳裂纹，裂纹扩展过程中相互连接，进而发生断裂。