地铁列车转向架构架开裂的失效分析

沈豪

（上海轨道交通维护保障中心车辆公司，上海 200233）

0 引 言

地铁列车转向架构架是地铁列车非常重要的构件之一，由不同形状和尺寸的St52－3钢板（为德国生产制造的一种焊接结构用耐侯钢，具有良好的焊接性能）焊接而成。某型号地铁列车转向架构架正常设计寿命为30a，在列车运行约5a后的检修中发现了多起转向架构架开裂现象。因发现及时，没有造成严重的后果。为防止此类失效问题的再次出现，作者对其失效原因进行了分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

图1 裂纹位置（构架倒置）Fig.1 Location of the fracture（inverted bogie frame）

开裂处位于转向架构架“工”型箱体的下表面和垂直表面上，见图1中箭头所指的椭圆形标识位置，其基本位于转向架构架的横梁上，该处有一个焊接于横梁上的突出结构，该部位向外凸出处安装电机，见图2。

将转向架构架裂纹部位切割取下，由图3可见，裂纹基本位于转向架构架横梁的母材上，从拐角部位向两个垂直相交的母材以近45°扩展，垂直方向母材上的裂纹较长，和z向约成45°，水平方向的裂纹和x向也约成45°。

图4 裂纹开裂面宏观形貌Fig.4 Macro morphology of the fracture surface at low magnification（a）and medium magnification（b）

将裂纹打开，可见开裂面比较平整，靠近“工”型箱体的内表面存在剪切唇，如图4（a）所示，可见开裂是从“工”型箱体外表面区域开始的；在较高放大倍数下观察，隐约可见有贝壳纹和放射纹存在，见图4（b）。根据放射纹的收敛方向或贝壳纹的逆指向可判断开裂源位于垂直板材和水平板材的角焊缝处，然后向相互垂直的两块焊板扩展。

裂纹源区断口的宏观形貌见图5，图5（a）和（b）为两个相匹配的开裂面，可见存在明显的孔洞型焊接缺陷以及放射纹和人字纹特征；根据放射纹和人字纹的收敛方向判断开裂源位于焊缝上的孔洞型缺陷处；由图5（b）可以看到，靠近开裂面左上部分存在大致平行的线痕，此为最初制造转向架构架时切割钢板留下的加工痕迹，为原始自由表面，属于未熔合焊接缺陷。

图5 裂纹源区上下匹配面的宏观形貌Fig.5 Macrography of fracture source：（a）top surface and（b）below surface

1.2 化学成分

失效转向架构架母材的化学成分见表1，可见其含量均符合EN10155（1993）《焊接结构用耐候钢》中对St52－3钢的技术要求。

1.3 拉伸性能

从靠近裂纹的垂直焊板上加工出拉伸试样进行拉伸试验，结果见表2，可见其母材性能符合EN10155（1993）中对St52－3钢的技术要求。

1.4 显微组织

从开裂源区以及裂纹扩展区分别取样做显微组织分析，由图6可见，裂纹源区的显微组织中焊接特征明显，存在未熔合和气泡焊接缺陷，在焊缝区域还有柱状晶组织。从靠近开裂面的母材上切取纵向试样，经镶嵌、磨抛后置于LEICA DMLM型光学显微镜下观察，按照 GB／T 10561－2005／ISO4967：1998（E）实际检验A法，采用ISO评级图评定夹杂物级别，检验结果为 A0.5，B0，C0，D0.5，无粗系夹杂物。转向架构架裂纹扩展区显微组织为铁素体和珠光体，存在带状组织偏析，为穿晶型断裂，图中箭头所指的剪切唇为最后断裂区域；母材的显微组织也为铁素体和珠光体，也存在带状组织偏析，转向架构架裂纹附近的钢板母材组织正常。

表1 失效转向架构架的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of disable bogie frame（mass） %

表2 拉伸性能测试结果Tab.2 Test results of tensile properties

图6 转向架构架不同区域的显微组织Fig.6 Microstructure of different regions of bogie frame：（a）fracture source area at low magnification；（b）fracture source area at high magnification；（c）extension area and（d）base metal

1.5 断口SEM形貌

由图7可见，转向架构架开裂源区及靠近开裂源区的断口上覆盖着一层较厚、个别区域已经龟裂的氧化腐蚀产物和点蚀坑；在原始开裂面和人工断开面交界处的分界线比较明显；人工断开面的主要特征为韧窝；裂纹扩展区的开裂面比较平坦，存在一些腐蚀产物；该区域高倍形貌显示有明显的疲劳辉纹和少量二次裂纹。

2 分析与讨论

由以上分析可知，开裂处无明显塑性变形，存在少量剪切唇，存在放射纹路和贝壳纹特征，放射纹收敛于焊缝区域的焊接缺陷处，具有疲劳断裂的宏观特征［1］。靠近裂纹源区的断裂面氧化腐蚀程度比较严重，无法观察到断口的微观形貌，靠近裂纹尖端的断裂面上观察到了大量疲劳辉纹和少量二次裂纹，具有疲劳断裂的微观特征，可判断转向架构架处开裂为疲劳开裂。开裂构架母材的化学成分、拉伸性能和显微组织均符合技术要求。裂纹源区的焊缝中存在明显的气泡和未熔合等焊接缺陷，根据开裂面上放射纹和人字纹的收敛方向判断开裂源于焊缝上的孔洞型缺陷。这说明该转向架构架的焊接质量较差，焊缝中存在较多的焊接缺陷是产生疲劳开裂的主要原因。

正常情况下，在转向架构架近裂纹处向外凸出的部位安装电机，电机悬挂于该处后，“工”型箱体的上表面承受压应力，下表面承受拉应力，在列车运行期间，由于路况等原因，电机会产生上下振动，使得转向架构架反面承受交变拉应力，并于应力集中明显的焊接缺陷处萌生裂纹源［2］，从而导致转向架构架的疲劳开裂。

3 结论与措施

该转向架构架的开裂性质为疲劳开裂，裂纹源的产生和焊缝区域较为严重的焊接缺陷及结构不合理有关。列车在运行过程中，裂纹区域会承受不同程度的交变循环拉应力，使得焊接缺陷处萌生了裂纹源，从而导致疲劳开裂。

图7 断口不同区域的SEM形貌特征Fig.7 SEM morphology of different regions of fracture：（a）fracture source area；（b）nearby fracture source area；（c）crack extension area and artificial crack area；（d）dimple in artificial crack area；（e）cracks extension area and（f）fatigue striation in cracks extension area

根据该分析结论，提出不再将电机悬挂于转向架构架上，并控制焊接质量的措施。该措施实施后经近10a的实际运行，转向架构架再未出现开裂。

［1］张栋，钟培道，陶春虎.失效分析［M］.北京：国防工业出版社，2004：132－133.

［2］师昌绪，钟群鹏，李成功.中国材料工程大典［M］.北京：化学工业出版社，2005：500.