车轮断裂原因分析

摘要：通过无损探伤检测、化学成分检测、扫描电镜和金相分析等方法对车轮断裂原因进行了失效分析. 结果表明，由于车轮存在内部气泡缺陷，且车轮材料韧性很差，当锻造或正火处理冷却速度过快时，在缺陷部位形成应力集中，产生开裂源。

关键词：车轮 失效分析 缺陷

0 引言

某钢厂生产的Φ600mm车轮在运输过程中发生开裂，该车轮材质为65#钢，制造工艺为锻造―正火―机加―车轮踏面喷水淬火。为了寻找车轮开裂的原因，我们从宏观和微观断口形貌、材料金相组织及成分等方面对其失效原因进行了分析。

1 宏观检测

开裂车轮断口样品宏观形貌如图1所示。断裂沿车轮径向扩展，断裂部位无宏观塑性变形。图中上表面均为断面。

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图1

2 无损探伤检测

用PXUT-350B+超声波探伤仪，B4S-N 探头对送检样品进行了超声波检测，检测结果为：在样品中间部位（车轮壁厚心部位置）深约45～70mm之间发现最大当量为Φ4 左右的单个不连续缺陷。

3 化学成分检测

化学成分检测结果如表1所示，符合GB/T 699-1999

标准中65#钢的成分规定。

表1 化学成分分析结果

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4 力学性能检测

在非缺陷区截取了拉伸和冲击试样，所得力学性能检测结果如表2所示。检测结果显示，车轮样品抗拉强度及延伸率符合技术条件要求；冲击吸收功（AKU）很低，说明材料韧性很差（冲击试验样品断口边缘无宏观塑性变形）。踏板表面硬度平均值为36.3HRC，心部位置硬度平均值为37.7HRC，符合技术条件（HRC：33.1～41.8）要求。

表2 力学性能检测结果与技术条件比对表

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5 断口检测

断口宏观形貌如图2所示。用日立S-3400N 型扫描电镜对断裂源区微观形貌进行了检测，结果如图3～7所示。宏观小亮面位置未显示断面特征（见图3～7），是锻造变形后的气泡缺陷表面[1]。

6 金相检测

6.1 取样

低倍组织检测样品在缺陷区域截取，金相组织检测样品取自硬度检测样品。

6.2 低倍组织检测

低倍组织检测结果如图8所示，依据GB/T1979-

2001标准评定，存在内部气泡缺陷，与断口微观检测结果吻合。

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图8 低倍组织 ×1

6.3 金相组织检测

金相组织检测结果如图所示。依据GB/T 10561-

2005标准评定，非金属夹杂物检测结果：A1.0e，B0.5，C0，D1.5e。表层组织细密，为细珠光体+少量铁素体，不是淬火组织；心部组织为细珠光体+少量铁素体[2]。

7 检测结果分析

7.1 断裂车轮化学成分符合技术条件规定；力学性能检测结果中冲击吸收功很低，说明车轮材料韧性很差。

7.2 超声波探伤检测发现送检样品心部位置存在当量为Φ4 左右的单个不连续缺陷。经对该部位进行低倍组织检测发现，该部位存在小裂纹状内部气泡缺陷。内部气泡缺陷的存在割裂了基体组织，易在车轮锻造及正火过程中，特别是热处理残余应力较大时，产生应力集中，引发开裂[3]。

7.3 车轮金相组织踏面表层及心部组织均为细珠光体+少量铁素体，说明车轮在锻造或正火处理时的冷却速度较快，导致了材料强度和脆性的增大。踏面硬度虽符合技术条件要求，但其组织不是淬火组织。

8 结论

由于车轮存在内部气泡缺陷，且车轮材料韧性很差，当锻造或正火处理冷却速度过快时（产生较大残余应力），在缺陷部位形成应力集中，产生开裂源。当裂纹扩展超过车轮外层材料强度时，导致车轮瞬时脆性断裂。

参考文献：

[1]亨利G，豪斯特曼D.宏观断口学及显微断口学[M].北京：机械工业出版社，1990：46-59.

[2]上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1987：227-237.

[3]王仁智，吴培远.疲劳失效分析[M].北京：机械工业出版社，1987：77.