简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响*

丛 韬，付秀琴，张 斌，张 弘，张关震，张澎湃

（中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081）

简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响*

丛 韬，付秀琴，张 斌，张 弘，张关震，张澎湃

（中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081）

研究了在重载列车和高速列车车轮实际使用工况下，轮轨接触应力提高后车轮轮辋内部应力增加对轮辋疲劳裂纹萌生的影响。对普通列车、重载列车、高速列车上实际运用过程中发生辋裂的车轮进行失效分析和研究，结果表明：列车轴重增加和运行速度提高，导致车轮轮辋内部萌生裂纹的“临界夹杂物尺寸”减小，使车轮轮辋中原本处于安全尺寸范围的脆性夹杂物越过“临界夹杂物尺寸”成为疲劳裂纹萌生的主要发源点，最终导致车轮轮辋疲劳裂纹的形成。

车轮；轮辋疲劳裂纹；非金属夹杂物

车轮是机车车辆的重要走行部件，车轮在使用过程中产生的轮辋疲劳裂纹（辋裂）是车轮的典型损伤类型之一，若不及时发现辋裂会严重危及机车车辆的行车安全。当前运用的机车车辆中普遍存在辋裂的损伤情况。

随着中国铁路的快速发展，速度高达300 km/h的列车和30 t轴重的重载货车陆续投入使用，轮轨间的动态相互作用力随速度的提高呈线性规律递增［1］，同样轮轨接触应力随着轴重的提高而增加［2-3］，另外在高速和重载运用下，车轮踏面擦伤、剥离等情况会导致冲击载荷作用在轮轨间，这些因素都将引起车轮轮辋内部应力的增加［4-6］，因此在轮轨间动态相互作用力增大的情况下，车轮轮辋内部夹杂物类型，尺寸大小，形态都将成为影响车轮辋裂的萌生和扩展的重要因素。

结合前期典型的车轮辋裂案例，分析重载、高速下车轮辋裂伤损特点，研究轮轨接触应力增加情况下，车轮轮辋中夹杂物尺寸、类型对车轮辋裂萌生的影响，并提出预防辋裂的措施。

1 试验内容与方法

试验研究的失效车轮分为3种类型，普通列车速度小于120 km/h、轴重小于18 t，重载列车速度小于100 km/h，轴重25 t、高速列车速度大于250 km/h、轴重不超过17 t。以上三者装用的均为辗钢车轮，车轮踏面热处理工艺均为淬火加回火处理，3件车轮的主要元素含量基本在同一水平，拉伸性能和踏面下15 mm处的硬度基本相同，如表1和表2所示。将3个车轮辋裂打开后，分别利用NEOPHOT-21型金相显微镜（OM），S4300冷场发射扫描电镜和FEI-Quanta400扫描电子显微镜（SEM）对裂纹源区断口截面的金相试样上夹杂物进行观察，采用能谱（EDS）定性分析夹杂物种类，利用NMT－3型显微硬度计对裂纹源区附近的组织进行测定。

2 试验结果

典型的车轮辋裂起源于轮辋内部，当裂纹扩展到一定的尺寸后，如图1在轮辋外侧面观察到沿周向的裂纹，辋裂萌生于踏面下一定深度范围存在大颗粒非金属夹杂物的位置，内部疲劳裂纹扩展到轮辋外侧面或踏面后，裂纹的踏面一侧金属极易破碎和发展成局部大块脱落，如图2。疲劳裂纹扩展面与踏面呈某一角度且具有贝壳状条纹特征，如图3，有明显的裂纹源，为典型的疲劳断裂，辋裂断口主要是稳态扩展区域，辋裂的萌生具有低应力高周疲劳断裂性质。

发生辋裂伤损的车轮分别为重载列车使用的辗钢车轮，其宏观形貌如图3，裂纹源位于踏面下19 mm处，普通列车使用的辗钢车轮，如图4，裂纹源位于踏面下14 mm处，图中上侧为踏面一侧断口（上耦合面），已在轮轨接触应力作用下发生破碎，高速列车使用的辗钢车轮，裂纹源位于踏面下10 mm处，断口形貌与图3和图4中断口形貌特征一致。

在3种类型车轮裂纹源区取样进行金相和能谱分析，如图5和图6，普通列车车轮的裂纹源区可观察大颗粒的残留宏观链状非金属夹杂物，经EDS能谱分析发现该残留夹杂物为Al2O3，该种球形夹杂物呈链状分布，为脆性夹杂物，长度约为565μm。

经过多次仔细观察重载列车和高速列车疲劳断口的金相磨面，在断口区域未找到有大颗粒的残留夹杂物，仅观察到裂纹源处异常的金相组织和少量小颗粒的夹杂物。从图7中可见裂纹源断口表面有较厚的白层组织，其厚度约为130μm，白层组织的显微硬度明显高于基体组织，硬度高达860HV0.5，裂纹源断口表面出现马氏体白层说明疲劳裂纹在萌生和扩展后，在轮轨接触应力作用下，轮辋内部的断口耦合表面相互之间反复碾磨和摩擦所形成的。图8为裂纹源附近发现的夹杂物，最大直径约为50μm，可以观察到该夹杂物与车轮基体脱开，夹杂物尖端处破碎严重，这些区域均会产生应力集中，同时可观察到萌生的微观裂纹。夹杂物基体为Al2O3加CaO，基体之上形成Al2O3加Mg O的脆性复合夹杂物。在裂纹源附近发现了大量的10～20μm左右的小尺寸脆性夹杂物，这些夹杂物形成了夹杂物团簇。尺寸较大的夹杂物产生微裂纹后，微裂纹或沿着这些小尺寸的脆性夹杂物迅速扩展，最终形成宏观裂纹。

3 分析与讨论

3个车轮辋裂均为典型的轮辋内部疲劳裂纹性质。经典的理论认为辋裂萌生的应力明显低于材料屈服强度的疲劳断裂，应用成熟的有限元软件，模拟计算在轮轨间相互作用下车轮轮辋内部应力的分布情况，如图9，在轮轨接触面下10～20 mm处轮辋内部剪切应力最大，当该区域存在一定尺寸的链状脆性夹杂物时，在周期性的轮轨接触应力和冲击应力作用下萌生裂纹和疲劳扩展。

研究［7］表明，车轮中夹杂物与基体之间的弹性性能和热性能间存在差异，所以在轮轨接触应力作用下以及冷却过程中将造成非均匀的应力场。如表3，Al2O3的弹性模量大于车轮钢的弹性模量，那么Al2O3夹杂物将比周围基体承受更大应力，夹杂物对裂纹的形成有直接成核的效果。Al2O3的热胀系数小于基体的热胀系数，在车轮钢冷热加工期间，在基体和夹杂物交界处产生拉应力，导致夹杂物与基体脱开，严重时在界面上导致微裂纹，有的夹杂物在随后疲劳加载过程中破碎脱落，这些因素对疲劳裂纹萌生起着重要作用。而单一的小尺寸MnS夹杂物由于弹性模量小于基体，热胀系数大于基体，在载荷作用下相对周围基体承受较小的应力，冷却过程中收缩速度快于基体，与基体间应力较小，因此单一的或复合型的脆性夹杂物或夹杂物团簇是车轮辋裂生成的主要发源点。

另外，车轮轮辋中的夹杂物尺寸存在一个临界尺寸，当夹杂物小于“临界夹杂物尺寸”时，辋裂将不再从夹杂物处萌生。夹杂物临界尺寸不仅与疲劳强度有关，而且与外加载荷有关，车轮踏面下夹杂物所在处的最大主应力σmax＝σwi（缺陷的疲劳极限）为萌生辋裂的临界条件。

式中dc是夹杂物临界尺寸；Hv是基体的维氏硬度值。

由式（2）可知，随着轮辋内部应力的增加，“临界夹杂物尺寸”逐渐变小，增加了夹杂物区域裂纹萌生的可能性。

目前车轮生产厂家都在改进炼钢工艺，旨在减少车轮中非金属夹杂物的含量，车轮钢的冶炼水平已经明显提高。尽管大颗粒球状的Al2O3夹杂物呈链状分布是车轮辋裂萌生的主要原因，但列车轴重增加、运行速度不断提高的背景下，单纯的改进冶炼和脱氧方式，追求更小的夹杂物尺寸，并不能完全避免夹杂物开裂的可能性。近年来依然有大量的辋裂失效案例，特别多发生在重载列车和高速列车用车轮上。高速重载工况都会显著增加轮轨之间的接触应力，造成车轮轮辋内部应力的增加，一些在车轮钢中原先认为处于安全尺寸范围内的小尺寸夹杂物也会造成裂纹的萌生。

因此机车车辆运用部门在现有车轮生产工艺和质量控制制约的情况下，必须依靠加强超声波探伤，加密探伤频次，缩短探伤周期，尤其对经过旋修的车轮要特别关注，有效避免车轮在运行中发生因辋裂而导致的疲劳掉块，确保车轮安全运用。

4 结 论

（1）通过对3件发生辋裂车轮的失效分析，证明列车轴重的增加和运行速度的提高，造成车轮内部辋裂的“临界夹杂物尺寸”减小，增加轮辋疲劳裂纹萌生的可能性。追求更小的夹杂物尺寸，并不能完全避免夹杂物开裂的可能性。

（2）轮轨接触应力增加，造成车轮轮辋内部应力增大，车轮轮辋中存在的原处于安全尺寸范围的单一的或复合型的脆性夹杂物成为了疲劳裂纹萌生的主要发源点。

［1］ 翟婉明.高速铁路轮轨系统的最优动力设计原则［J］.中国铁道科学，1994，15（2）：16-21.

［2］ 卜继玲、李 芾、付茂海，等.重载列车车辆轮轨作用研究［J］.中国铁道科学，2005，26（5）：52-56.

［3］ 杨春雷、李 芾、黄运华，等.40 t轴重货车轮轨动力特性分析［J］.铁道机车车辆，2010，30（3）：1-4.

［4］ 米国发、刘彦磊、张 斌，等.夹杂物对轮辋裂纹萌生的影响［J］.铁道学报，2010，32（4）：108-113.

［5］ 刘建新、易明辉、王开云.重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征［J］.交通运输工程学报，2010，10（3）：52-56.

［6］ 翟婉明.高速铁路轮轨冲击振动的特征及其控制原理［J］.铁道学报，1995，17（3）：28-33.

［7］ 张 斌，卢观健，付秀琴，等.铁路车轮、轮箍失效分析及伤损图谱［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［8］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1968，206：5959.

［9］ Brooksbank D，Andrews K W.J Iron Steel Inst［C］.1969，207：474.

Effect of Fatigue Crack Initiation in Wheel Rims under Condition of Heavy Haul and High Speed

CONG Tao，FU Xiuqin，ZHANG Bin，ZHANG Hong，ZHANG Guanzhen，ZHANG Pengpai
（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Effect of the increase of interior stresses in wheel rim due to the increase of wheel/rail contact stresses on the fatigue crack initiation in rims has been studied for actual service conditions of heavy haul and high speed train wheels.The results obtained from the analysis of three different failure wheels which are typical fatigue crack in rims show that the critical inclusion sizes of non－metallic inclusions which cause crack initiation in wheel rims are decreased with increasing axle load and speed of trains.It is also demonstrated that the previous brittle inclusions with safety sizes have been reached the critical inclusion sizes and become the main source of fatigue crack initation in wheel rims resulting in the fatigue crack initiation.

wheel；fatigue crack in wheel rim；non-metallic inclusion

U266.3；TG141

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.06

1008－7842（2014）05－0024－04

*高铁联合基金重点项目（U1234207、U1334204）；铁道部科技研究开发计划项目（2009J015、2009J016）；中国铁路总公司科技研究开发计划课题（2013J007-A）

�）男，助理研究员，博士研究生（

2014－03－25）