分享：０Cr１７Ni７Al鋼制受電弓扭簧斷裂原因分析

摘 要:０Cr１７Ni７Al鋼制受電弓扭簧在運行過程中出現(xiàn)小批量斷裂失效.通過宏觀檢驗、化學 成分分析、拉伸試驗、斷口分析和金相檢驗等方法對扭簧斷裂的原因進行了分析.結(jié)果表明:受電 弓扭簧的斷裂模式為疲勞斷裂,疲勞源位于扭簧表面;簧絲在拉拔過程中產(chǎn)生的劃痕和拉絲缺陷使 其承受復雜應力的能力降低,最終在弓網(wǎng)動態(tài)耦合交變載荷作用下發(fā)生斷裂. 

關鍵詞:受電弓;扭簧;疲勞斷裂;表面缺陷 

中圖分類號:TG１１５．５       文獻標志碼:B         文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００４８Ｇ０４

采用電力牽引方式傳動的動車組需要從接觸網(wǎng) 不間斷獲得電流來保證動車組高速前行,受電弓是實 現(xiàn)這一功能的重要設備,其性能好壞直接影響動車組 能否安全可靠地運行,因此高性能受電弓被稱為高速 動車組十大關鍵配套技術(shù)之一[１].某型號受電弓在 弓頭長度方向各安裝了一根扭簧,其主要作用是吸 收和緩沖弓網(wǎng)動態(tài)耦合作用對弓頭及其他結(jié)構(gòu)件的 橫向及縱向沖擊載荷,保證弓頭及其他結(jié)構(gòu)件在受 電弓全壽命周期內(nèi)的正常運行.某動車組在入庫檢 修時,一段時間陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有受電弓弓頭扭簧斷裂,如 圖１~２所示,(該扭簧由?３．８mm 的鋼絲制成,材 料為 ０Cr１７Ni７Al 鋼,鋼 絲 纏 繞 后 在 ４７５ ℃ 保 溫１h進 行 回 火 處 理 ).受 電 弓 運 行 里 程 為 (４~５０)×１０４km.

為了保證受電弓持續(xù)正常運行,防止類似故障 再次大批量發(fā)生,筆者對斷裂扭簧進行了一系列理 化檢驗和分析. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗

對斷裂扭簧的表面進行清洗,使用５０倍放大 鏡觀察其狀 態(tài),由 圖 ３ 可 知 扭 簧 表 面 明 顯 存 在 沿 軸向分布的溝 槽 和 疑 似 微 裂 紋.根 據(jù) 文 獻[２]判 斷這種缺陷 為 劃 痕 和 拉 絲,是 彈 簧 鋼 絲 常 見 的 表 面缺陷.

１．２ 化學成分分析 

對斷裂 扭 簧 取 樣 進 行 化 學 成 分 分 析,結(jié) 果 見 表１,可見各元素含量均符 合 GB/T２４５８８－２００９ «不銹彈簧鋼絲»對０Cr１７Ni７Al鋼的成分要求.

１．３ 拉伸試驗 

從斷裂扭簧上截取試樣,按照 GB/T２２８．１－ ２０１０«金屬材 料 拉 伸 試 驗 第 １ 部 分:室 溫 試 驗 方 法»和 GB/T２４５８８－２００９進行拉伸試驗,結(jié)果見表 ２,可見各項測試結(jié)果均符合技術(shù)要求.

１．４ 硬度測試 

按照 GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度 試驗 第１部分:試驗方法»,對扭簧的外表面、內(nèi)表 面及縱截面心部進行硬度測試.由表３可知簧絲內(nèi) 表面的硬度高于外表面和心部的,這與各部位的馬 氏體含量有關.

１．５ 斷口分析 

對扭簧斷口進行超聲清洗后,在掃描電鏡下觀 察其微觀形貌,結(jié)果如圖４所示.可見斷口明顯分 為兩個區(qū)域:A 區(qū)為瞬斷區(qū),表面有韌窩特征;B 區(qū) 有海灘狀輝紋,為典型疲勞斷口特征[３].從圖４a) 中位置１和２可見,疲勞裂紋源起始于扭簧表面[４],當裂紋擴展至扭簧中心部位時,又分為兩個疲勞源 繼續(xù)擴展(位置３和４),直至扭簧發(fā)生瞬斷.

１．６ 金相檢驗 

對扭簧的圓周截面及軸向截面分別取樣,利用 金相顯微鏡觀察其顯微組織.由圖５和圖６可知, 扭簧內(nèi)表面存在大小不一的凹坑缺陷,凹坑最大深 度約為６０μm,組織為馬氏體＋析出相,軸向截面上 的析出相呈帶狀分布.

２ 分析和討論 

該斷裂扭簧的化學成分、力學性能及硬度均符 合相關標準的技術(shù)要求,其顯微組織為馬氏體＋析 出相,未見異常,可以排除由于扭簧簧絲材料不合格 引起的斷裂.

在扭簧表面發(fā)現(xiàn)有沿軸向分布的劃痕和拉絲, 而扭簧對表面缺陷十分敏感,表面缺陷的存在會降 低其使用壽命[５Ｇ６].GB/T２４５８８－２００９ 中明確規(guī) 定簧絲表面不允許存在上述表面缺陷.在隨后的金 相檢驗中也觀察到扭簧圓周截面及軸向截面存在多 處 大 小 不 同 、深 度 不 一 的 凹 坑 ,凹 坑 最 大 深 度 達６０μm.唐剛[７]的研究結(jié)果表明,疲勞裂紋的形成 主要是由于在交變載荷作用下金屬表面出現(xiàn)了不均 勻的滑移,因此疲勞裂紋常產(chǎn)生在構(gòu)件表面,構(gòu)件的 表面質(zhì)量對其疲勞壽命至關重要.扭簧表面的劃痕和拉絲缺陷通常是拉拔時模具的孔不光潔或潤滑不 良導致的.卷制簧絲時,卷制機的滾輪、導絲桿、頂 桿等工具表面若長時間使用而得不到維護或更新, 也會在簧絲表面形成拉絲.受電弓受流時弓頭快速 振動,對扭簧的疲勞性能要求極高,因此要求扭簧表 面質(zhì)量必須符合技術(shù)要求.

該扭簧的斷口呈典型疲勞斷裂特征,疲勞源位 于簧絲表面,在受電弓受流過程中,由于頻繁吸收和 緩沖弓網(wǎng)動態(tài)耦合作用下的交變載荷,扭簧纏繞部 位產(chǎn)生彎曲應力,裂紋逐漸形成、擴展直至發(fā)生斷 裂.表面質(zhì)量不合格導致扭簧承受復雜應力的能力 下降,加速了該斷裂過程.

３ 結(jié)論及建議 

(１)該扭簧的斷裂模式屬于疲勞斷裂,表面存 在的劃痕和拉絲缺陷使其難以承受高頻交變載荷是 扭簧發(fā)生疲勞斷裂的主要原因. 

(２)應定期對簧絲拉拔模具包括卷制機的滾 輪、導絲桿、頂桿等進行檢查、維護和更新,防止簧絲表面再次出現(xiàn)劃痕和拉絲等表面缺陷;制定合理的 檢驗方案,加強對簧絲在拉拔、卷制成型后表面狀態(tài) 的檢查,杜絕不合格品流入下一道工序.

參考文獻: 

[１] 張永升,賈毅,呂錄勛,等．高速列車受電弓風洞試驗 研究[J]．實驗力學,２０１４,２９(１):１０５Ｇ１１１． 

[２] 王德成,張英會,劉輝航．彈簧手冊[M]．北京:機械工 業(yè)出版社,１９９９． 

[３] 束德林．金屬力學性能[M]．北京:機械工業(yè)出版社, １９９９． 

[４] 唐海中,黃春紅,吳彩芬．圓柱螺旋壓縮彈簧斷裂失 效分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(１２):９００Ｇ ９０２． 

[５] 胡躍均,陳麒琳,程琴榮,等．離合器踏板助力扭簧斷 裂分析[J]．失效分析與預防,２０１７,１２(３):１８０Ｇ１８４． 

[６] 史霞,劉志瑩,王道勇．發(fā)動機氣門彈簧斷裂原因分 析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(３):１９７Ｇ２０１． 

[７] 唐剛．汽車鋼板彈簧斷裂失效分析[J]．汽車零部件, ２０１９(７):９６Ｇ９７． 

<文章來源  > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 56卷 > 2期 (pp:48-51)>