劉淑鳳 郭榮貴 鄧巧娟 楊福泉 楊飛宇 高飛虎

(國標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 101407)

隨著鐵路行業(yè)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的不斷深入，我國軌道交通裝備制造技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平[1]。高速動(dòng)車組對安全的要求隨著速度的提升而不斷提高，而軌道上的任何障礙物都會(huì)對高速運(yùn)行的動(dòng)車組產(chǎn)生危害，甚至引發(fā)脫軌事故，故高速動(dòng)車組前端需安裝排障器[2]。新型列車排障器置于頭車司機(jī)室前端下方，其下端距軌面150～250 mm，在整車碰撞時(shí)通常處于車鉤緩沖器和車頭結(jié)構(gòu)之間，屬于碰撞的中間構(gòu)件，但在與線路上較低的障礙物接觸時(shí)，排障器則位于碰撞最前方，主要作用是排除軌道上的障礙物。所以排障器能否安全可靠的固定在車頭前端，直接關(guān)系到高速列車的運(yùn)行安全性，而排障器是通過調(diào)整板連接車頭結(jié)構(gòu)，因此，加強(qiáng)動(dòng)車組排障器整體組件，包括其調(diào)整板的分析檢測，對保障列車的可靠運(yùn)行至關(guān)重要[3]。針對某投入運(yùn)營的動(dòng)車組排障器調(diào)整板(以下簡稱調(diào)整板)的彎角斷裂現(xiàn)象，開展了斷口分析、化學(xué)分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微組織分析等系統(tǒng)化的調(diào)查、研究，并提出了預(yù)防措施，避免同類事故的發(fā)生，有力提升了動(dòng)車組的安全性。

1 分析方案的確認(rèn)

本次案例所涉及動(dòng)車組排障器調(diào)整板所使用的技術(shù)條件為歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 10025-5：2004《結(jié)構(gòu)鋼熱軋制品 第5部分：改進(jìn)的耐大氣腐蝕結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件》，圖1和圖2為本次案例所涉及動(dòng)車組排障器調(diào)整板彎角處斷裂件的照片，斷裂位置如箭頭所示。從以下幾方面分別對調(diào)整板進(jìn)行檢測并分析，一方面進(jìn)行斷口宏觀觀察分析、斷口微觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、組織結(jié)構(gòu)分析，從材料本身入手，分析材料本身是否合乎使用要求；另一方面，從工藝設(shè)計(jì)加工的角度分析是否存在不合理因素，綜合分析并找出本次失效的主要原因。具體分析方案如下：

圖1 彎角處出現(xiàn)裂紋的調(diào)整板

圖2 從彎角處完全斷裂的調(diào)整板

(1)對調(diào)整板斷口情況進(jìn)行宏觀觀察，分析斷口的宏觀特征；

(2)采用化學(xué)分析法對調(diào)整板進(jìn)行材質(zhì)分析，判斷化學(xué)成分是否符合交貨技術(shù)條件的要求；

(3)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，分析調(diào)整板力學(xué)性能是否符合交貨技術(shù)條件的要求；

(4)采用金相顯微鏡對材料內(nèi)部組織進(jìn)行觀察，分析調(diào)整板微觀組織是否存在問題；

(5)采用掃描電鏡進(jìn)一步觀察并分析斷口的特點(diǎn)，判斷調(diào)整板斷裂破壞的形式。

2 調(diào)整板分析結(jié)果

2.1 體視顯微鏡觀察

由于斷口已經(jīng)被嚴(yán)重氧化，觀察前先對斷口進(jìn)行了清洗，從斷裂面可以看到，整個(gè)斷裂存在幾個(gè)斷裂臺(tái)階，見圖3。

圖3 失效件體視鏡下斷口形貌

2.2 化學(xué)分析結(jié)果

對于材料而言，化學(xué)成分及組織形態(tài)均可能影響其性能。根據(jù)委托方提供的資料，調(diào)整板所使用的材質(zhì)為S355J2W。從化學(xué)成分的分析結(jié)果(見表1)可知，失效樣件的各項(xiàng)元素含量均符合交貨技術(shù)條件規(guī)定的該材質(zhì)成分范圍要求。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 力學(xué)性能結(jié)果

2.3.1 室溫拉伸試驗(yàn)

分別按規(guī)定對轉(zhuǎn)向座進(jìn)行取樣，遠(yuǎn)離裂紋區(qū)域，按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，見表2。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，三個(gè)平行試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均滿足交貨技術(shù)條件規(guī)定的該材質(zhì)的性能指標(biāo)。

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 低溫沖擊試驗(yàn)

沖擊吸收能量表示的是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力，它對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋、晶粒粗化等都會(huì)使沖擊吸收能量明顯降低。為了判斷調(diào)整板的耐沖擊性能，按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》沿縱向取樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表3。測試結(jié)果表明失效樣件材料的抗低溫(-20℃)沖擊性能較好。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 顯微組織觀察

通過顯微鏡對材料進(jìn)行常規(guī)組織(晶粒尺寸分布，析出相的尺寸分布、夾雜、缺陷等)觀察，可以反推出材料可能的制備方法及熱處理工藝等相關(guān)信息，從而推斷其工藝可能對材料性能產(chǎn)生的影響[4-5]。圖4為在材料板縱向試樣中發(fā)現(xiàn)的夾雜物照片，可見材料中有少量夾雜物存在，數(shù)量較少且分散，應(yīng)該對材料性能影響不大。圖5和圖6為材料縱截面與橫截面的金相組織照片。從金相組織照片可見，材料組織類型為鐵素體+珠光體，且?guī)罱M織不明顯[6-7]。

圖4 縱向夾雜物照片

圖5 調(diào)整板縱截面金相組織

圖6 調(diào)整板橫截面金相組織

2.5 斷口分析

斷口記錄了材料在載荷與環(huán)境作用下斷裂前的不可逆變形，以及裂紋萌生和擴(kuò)展直至斷裂的全過程[8-9]。對斷口進(jìn)行形貌觀察可以推斷裂紋形成與擴(kuò)展的機(jī)理，推斷材料的斷裂形式。以下是對失效調(diào)整板的斷口進(jìn)行的掃描電鏡分析結(jié)果，見圖7。由斷口的宏觀形貌可知，材料有多條裂紋萌生，裂紋源區(qū)為調(diào)整板的內(nèi)角處，可以推斷裂紋起始是由于大應(yīng)力起裂。掃描電鏡下觀察各個(gè)區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)有夾雜、疏松及孔洞等缺陷。斷口上可以清晰地看到明顯的疲勞條帶和二次裂紋。該疲勞條帶密集，且間距較小，疲勞斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口。

圖7 斷口掃描電鏡形貌

2.6 結(jié)果分析

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

(1)由調(diào)整板的宏觀分析結(jié)果可知，整個(gè)斷裂為多裂紋起裂，且裂紋位置在靠近橫梁的一側(cè)。

(2)從化學(xué)成分的分析結(jié)果可知，失效樣件的各項(xiàng)元素含量均符合交貨技術(shù)條件中規(guī)定的S355J2W的成分范圍要求。

(3)由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，三個(gè)平行試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均滿足交貨技術(shù)條件規(guī)定的S355J2W的性能要求。

(4)從低溫沖擊性能分析結(jié)果可知，失效樣件材料的抗沖擊韌性合格，且從結(jié)果數(shù)值可以看出失效調(diào)整板的材質(zhì)耐低溫沖擊性能較好。

(5)從金相組織形貌觀察結(jié)果可知，材料中有少量夾雜物存在，數(shù)量較少且分散，應(yīng)該對材料性能影響不大；從金相組織照片可見，材料組織類型為鐵素體+珠光體，帶狀組織特征不明顯。

(6)從斷口分析可見，斷口上可以清晰地看到疲勞條帶和二次裂紋，證實(shí)該斷口為疲勞斷口，該疲勞條帶密集，且間距較小，說明該疲勞斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口。

3 結(jié)果討論

通過對失效動(dòng)車組調(diào)整板進(jìn)行較全面系統(tǒng)的分析工作，主要對其進(jìn)行了化學(xué)成分分析、微觀組織分析以及室溫拉伸、低溫沖擊進(jìn)行分析，對斷口進(jìn)行了宏觀、金相微觀形貌組織分析，結(jié)合委托方提供的該失效件的相關(guān)信息，結(jié)果如下：

(1)該牌號(hào)S355J2W鋼調(diào)整板化學(xué)成分合格，室溫拉伸、低溫沖擊性能較好，塑性較好，微觀組織正常。

(2)斷裂方式為疲勞斷裂，經(jīng)分析應(yīng)為大應(yīng)力致多處起裂。調(diào)整板本身的自重較重，上臂與工作前臂的彎角處受到工作前臂的重力作用，在列車前進(jìn)時(shí)，會(huì)同時(shí)在上下及前后方向產(chǎn)生小的振動(dòng)，所以分析推測在重力下的周期性載荷作用使得彎角處產(chǎn)生了疲勞裂紋，而持續(xù)的作用下使得裂紋繼續(xù)擴(kuò)展直到斷裂。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述對相關(guān)測試數(shù)據(jù)的分析及綜合討論，引起動(dòng)車組排障器調(diào)整板失效的主要原因可能為：在工作前臂的重力作用情況下，列車前進(jìn)的振動(dòng)使得調(diào)整板發(fā)生了疲勞裂紋，持續(xù)的作用下使得裂紋繼續(xù)擴(kuò)展直到斷裂。建議可重新設(shè)計(jì)調(diào)整板，建議調(diào)整板上壁加粗，工作前臂尺寸減小，降低重力，從而減小調(diào)整板彎角處的受力，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。