某大型动车组排障器调整板失效分析

刘淑凤 郭荣贵 邓巧娟 杨福泉 杨飞宇 高飞虎

(国标(北京)检验认证有限公司，北京 101407)

随着铁路行业引进消化吸收再创新的不断深入，我国轨道交通装备制造技术已处于世界领先水平[1]。高速动车组对安全的要求随着速度的提升而不断提高，而轨道上的任何障碍物都会对高速运行的动车组产生危害，甚至引发脱轨事故，故高速动车组前端需安装排障器[2]。新型列车排障器置于头车司机室前端下方，其下端距轨面150～250 mm，在整车碰撞时通常处于车钩缓冲器和车头结构之间，属于碰撞的中间构件，但在与线路上较低的障碍物接触时，排障器则位于碰撞最前方，主要作用是排除轨道上的障碍物。所以排障器能否安全可靠的固定在车头前端，直接关系到高速列车的运行安全性，而排障器是通过调整板连接车头结构，因此，加强动车组排障器整体组件，包括其调整板的分析检测，对保障列车的可靠运行至关重要[3]。针对某投入运营的动车组排障器调整板(以下简称调整板)的弯角断裂现象，开展了断口分析、化学分析、力学性能试验、显微组织分析等系统化的调查、研究，并提出了预防措施，避免同类事故的发生，有力提升了动车组的安全性。

1 分析方案的确认

本次案例所涉及动车组排障器调整板所使用的技术条件为欧洲标准BS EN 10025-5：2004《结构钢热轧制品 第5部分：改进的耐大气腐蚀结构钢的交货技术条件》，图1和图2为本次案例所涉及动车组排障器调整板弯角处断裂件的照片，断裂位置如箭头所示。从以下几方面分别对调整板进行检测并分析，一方面进行断口宏观观察分析、断口微观形貌观察、化学成分分析、力学性能试验、组织结构分析，从材料本身入手，分析材料本身是否合乎使用要求；另一方面，从工艺设计加工的角度分析是否存在不合理因素，综合分析并找出本次失效的主要原因。具体分析方案如下：

图1 弯角处出现裂纹的调整板

图2 从弯角处完全断裂的调整板

(1)对调整板断口情况进行宏观观察，分析断口的宏观特征；

(2)采用化学分析法对调整板进行材质分析，判断化学成分是否符合交货技术条件的要求；

(3)采用万能材料试验机对材料的力学性能进行测试，分析调整板力学性能是否符合交货技术条件的要求；

(4)采用金相显微镜对材料内部组织进行观察，分析调整板微观组织是否存在问题；

(5)采用扫描电镜进一步观察并分析断口的特点，判断调整板断裂破坏的形式。

2 调整板分析结果

2.1 体视显微镜观察

由于断口已经被严重氧化，观察前先对断口进行了清洗，从断裂面可以看到，整个断裂存在几个断裂台阶，见图3。

图3 失效件体视镜下断口形貌

2.2 化学分析结果

对于材料而言，化学成分及组织形态均可能影响其性能。根据委托方提供的资料，调整板所使用的材质为S355J2W。从化学成分的分析结果(见表1)可知，失效样件的各项元素含量均符合交货技术条件规定的该材质成分范围要求。

表1 化学成分(质量分数，%)

2.3 力学性能结果

2.3.1 室温拉伸试验

分别按规定对转向座进行取样，远离裂纹区域，按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行试验，见表2。由拉伸试验结果可知，三个平行试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均满足交货技术条件规定的该材质的性能指标。

表2 室温拉伸试验结果

2.3.2 低温冲击试验

冲击吸收能量表示的是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，它对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、晶粒粗化等都会使冲击吸收能量明显降低。为了判断调整板的耐冲击性能，按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》沿纵向取样进行低温冲击试验，结果见表3。测试结果表明失效样件材料的抗低温(-20℃)冲击性能较好。

表3 冲击试验结果

2.4 显微组织观察

通过显微镜对材料进行常规组织(晶粒尺寸分布，析出相的尺寸分布、夹杂、缺陷等)观察，可以反推出材料可能的制备方法及热处理工艺等相关信息，从而推断其工艺可能对材料性能产生的影响[4-5]。图4为在材料板纵向试样中发现的夹杂物照片，可见材料中有少量夹杂物存在，数量较少且分散，应该对材料性能影响不大。图5和图6为材料纵截面与横截面的金相组织照片。从金相组织照片可见，材料组织类型为铁素体+珠光体，且带状组织不明显[6-7]。

图4 纵向夹杂物照片

图5 调整板纵截面金相组织

图6 调整板横截面金相组织

2.5 断口分析

断口记录了材料在载荷与环境作用下断裂前的不可逆变形，以及裂纹萌生和扩展直至断裂的全过程[8-9]。对断口进行形貌观察可以推断裂纹形成与扩展的机理，推断材料的断裂形式。以下是对失效调整板的断口进行的扫描电镜分析结果，见图7。由断口的宏观形貌可知，材料有多条裂纹萌生，裂纹源区为调整板的内角处，可以推断裂纹起始是由于大应力起裂。扫描电镜下观察各个区域均未发现有夹杂、疏松及孔洞等缺陷。断口上可以清晰地看到明显的疲劳条带和二次裂纹。该疲劳条带密集，且间距较小，疲劳断口为低应力高周疲劳断口。

图7 断口扫描电镜形貌

2.6 结果分析

从以上试验数据，可以得出以下结论：

(1)由调整板的宏观分析结果可知，整个断裂为多裂纹起裂，且裂纹位置在靠近横梁的一侧。

(2)从化学成分的分析结果可知，失效样件的各项元素含量均符合交货技术条件中规定的S355J2W的成分范围要求。

(3)由拉伸试验结果可知，三个平行试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均满足交货技术条件规定的S355J2W的性能要求。

(4)从低温冲击性能分析结果可知，失效样件材料的抗冲击韧性合格，且从结果数值可以看出失效调整板的材质耐低温冲击性能较好。

(5)从金相组织形貌观察结果可知，材料中有少量夹杂物存在，数量较少且分散，应该对材料性能影响不大；从金相组织照片可见，材料组织类型为铁素体+珠光体，带状组织特征不明显。

(6)从断口分析可见，断口上可以清晰地看到疲劳条带和二次裂纹，证实该断口为疲劳断口，该疲劳条带密集，且间距较小，说明该疲劳断口为低应力高周疲劳断口。

3 结果讨论

通过对失效动车组调整板进行较全面系统的分析工作，主要对其进行了化学成分分析、微观组织分析以及室温拉伸、低温冲击进行分析，对断口进行了宏观、金相微观形貌组织分析，结合委托方提供的该失效件的相关信息，结果如下：

(1)该牌号S355J2W钢调整板化学成分合格，室温拉伸、低温冲击性能较好，塑性较好，微观组织正常。

(2)断裂方式为疲劳断裂，经分析应为大应力致多处起裂。调整板本身的自重较重，上臂与工作前臂的弯角处受到工作前臂的重力作用，在列车前进时，会同时在上下及前后方向产生小的振动，所以分析推测在重力下的周期性载荷作用使得弯角处产生了疲劳裂纹，而持续的作用下使得裂纹继续扩展直到断裂。

4 结论

经过上述对相关测试数据的分析及综合讨论，引起动车组排障器调整板失效的主要原因可能为：在工作前臂的重力作用情况下，列车前进的振动使得调整板发生了疲劳裂纹，持续的作用下使得裂纹继续扩展直到断裂。建议可重新设计调整板，建议调整板上壁加粗，工作前臂尺寸减小，降低重力，从而减小调整板弯角处的受力，降低失效风险。