地铁车辆抗侧滚扭杆的断裂原因

樊茜琪

(上海轨道交通检测技术有限公司, 上海 200434)

随着我国高速铁路及城市轨道交通的快速发展，对其车辆安全性和舒适性的要求也越来越高。为了提高轨道车辆的抗侧滚刚度，尤其是减小车辆在经过弯道或岔道时的侧滚趋势，在轨道车辆的设计中广泛采用了抗侧滚装置[1]。抗侧滚装置主要由扭杆、轴承支座、扭臂、拉压杆组件等组成，当车辆有侧滚趋势时，两个扭臂对于扭杆分别有一个反向的力矩作用，使扭杆发生扭转弹性变形，这时扭杆的复原弹性会提供一个反扭矩来减小车辆的侧滚趋势[2]。可见扭杆是主要受力部件，容易在服役过程中发生断裂[3-5]。

某地铁车辆抗侧滚装置示意图如图1所示。扭杆材料为51CrV4弹簧钢，扭杆总长为2 590 mm，轴段中心处外径约为47.3 mm，扭杆与扭臂之间采用花键连接。扭杆关键生产工艺包括机械加工、整体淬火与回火、喷丸处理和表面喷漆等。

图1 抗侧滚装置示意图Fig.1 Diagram of an anti-roll device

该车辆在服役过程中一扭杆于轴段中心部位发生断裂。该扭杆在装配前经过淬火和回火处理后，在轴段中心部位进行了局部加热和矫直处理。为了分析该扭杆断裂的根本原因，笔者进行了一系列的理化检验和分析，以期为改善扭杆性能提供参考。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂扭杆的宏观形貌如图2所示，可见断面倾斜于扭杆轴线。在扭杆的一侧，断口呈弧形分布，其附近沿纵向有大面积油漆摩擦剥落现象，如图2a)所示；在扭杆的另一侧，断口呈曲折的台阶状，其附近有少量挤压擦碰痕迹，如图2b)所示。将扭杆断裂附近区域去除表面油漆后用4%(体积分数，下同)硝酸酒精溶液浸蚀，然后对扭杆进行观察，可见在断口呈曲折台阶状的一侧有三处近似椭圆状的斑区，并且部分断口位于其中一斑区内，如图2c)所示，表明扭杆断裂可能与该异常区域有关。

图2 断裂扭杆的宏观形貌Fig.2 Macro morphology on broken torsion bar: a) one side fracture; b) the other side fracture; c) abnormal speckle area

图3 扭杆断口的宏观形貌Fig.3 Macro morphology on the fracture of torsion bar of: a) the overall; b) the crack initiation area

图3a)所示为扭杆断口的宏观形貌。图中上侧断口边缘有一月牙状深色区域，由此区域起始沿两侧周向向下形成放射状条纹花样(图中箭头所示)。两侧条纹花样均呈扭转弧形，最终交汇于断口的右下侧区域，该区域断面粗糙，呈撕裂状。由扭杆断口的宏观形貌可以判断，断口的月牙状区域为裂纹起始区，断口的中心区域为裂纹扩展区，断口的右下侧区域为最终断裂区。裂纹起始区恰好在断口呈曲折台阶状的位置，如图2b)所示，毗邻裂纹起始区，裂纹扩展初期形成不规则的起伏台阶状断口。进一步观察裂纹起始区宏观形貌，如图3b)所示，可见断口较平坦，呈灰褐色轻微氧化状，可能是扭杆自先期开裂至最终断裂期间暴露于空气中受到氧化所致。

图4 裂纹起始区SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack initiation area: a) the overall at low magnification; b) the periphery at high magnification; c) away from the periphery at high magnification

1.2 扫描电镜分析

使用JSM-6610型扫描电镜(SEM)分析断口上的裂纹起始区、裂纹扩展区和最终断裂区形貌，3个区域的分析位置见图3a)中方框A,B,C。裂纹起始区的SEM形貌如图4所示。由图4a)可见，断面较平坦，局部有受挤压及擦伤的痕迹，并可见自边缘向下扩展的放射状条纹。边缘区的高倍形貌显示该区域主要具有沿晶开裂特征，如图4b)所示。靠近心部区域的SEM形貌则呈以沿晶开裂为主、准解理断裂为辅的混合特征，但晶粒较边缘区域明显细化，如图4c)所示。

图5所示为裂纹扩展区的SEM形貌。由图5a)可见，有沿周向自上而下的放射状条纹；中间有一细微台阶，这可能是裂纹扩展过程中承载力方向变化所致。高倍下可见近似平行的疲劳辉纹，这些疲劳辉纹与扭转方向(即放射状条纹的走向)大致垂直，如图5b)所示。另外，图5b)所示的二次裂纹表明局部沿晶开裂模式也同时存在，图3a)中裂纹扩展区右侧区域显现出同样的断裂微观特征。

图5 裂纹扩展区SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack propagation area: a) at low magnification; b) at high magnification

图6所示为最终断裂区的SEM形貌。该区域表面较粗糙，局部有被挤压及擦伤的痕迹，如图6a)所示。在高倍下基本呈准解理形貌，局部有少量韧窝，如图6b)所示。

图6 最终断裂区SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the final fracture area: a) at low magnification; b) at high magnification

1.3 金相检验

分别取扭杆断口附近以及远离断口区域的纵截面制备金相试样。试样经研磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，使用DMI5000M型光学显微镜进行观察，其显微组织形貌如图7所示。

扭杆断口裂纹起始区附近未见明显与开裂相关的夹杂物，如图7a)所示。扭杆断口附近的显微组织沿扭杆轴向呈带状分布，且扭杆外表面斑区的显微组织有异常，如图7b)所示。斑区的显微组织为细小条片状马氏体和少量残余奥氏体，如图7c)所示。斑区以外的正常区域显微组织则为条片状马氏体、少量残余奥氏体和少量铁素体，如图7d)和图7e)所示，其中铁素体是在热处理过程中发生了轻微脱碳所引起的。图7f)为扭杆中心部位远离断口处的显微组织形貌，整体呈明暗相间的带状分布，其中明亮条带主要为细小条片状马氏体和少量残余奥氏体，而灰暗条带则主要为粗大条片状马氏体和少量残余奥氏体。图7f)所示的带状组织特征与图7b)的一致，带状组织很可能是合金元素偏析引起的。

1.4 化学成分分析

在扭杆远离断口处取样，利用QSN750-Ⅱ型真空直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示，可知扭杆的化学成分符合BS EN 10089:2002《淬火和回火弹簧用热轧钢——交货技术条件》对51CrV4弹簧钢的技术要求。

1.5 力学性能测试

在扭杆中心远离断口处沿轴向取样，依据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定的试验方法，使用棒状试样测得材料的室温力学性能如下：屈服强度为(1 628.5±5.5) MPa，抗拉强度为(1 952.5±2.5) MPa，断后伸长率为2.0%±0.1%，断面收缩率为3.0%±1.0%。扭杆中心处的实际强度远超设计强度(1 500～1 650 MPa)。

图7 扭杆不同区域的显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of different areas of torsion bar: a) near the crack initiation area (not etched); b) the area near the fracture; c) the area near the speckle; d) speckle area and nearby normal area; e) normal area; f) central area

表1 扭杆的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of torsion bar (mass fraction) %

在扭杆中心远离断口处沿轴向取样，依据GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定的试验方法，测得试样的室温冲击吸收功(KV2)为(8.1±0.5) J，低于设计要求(不小于10 J)。由强度、断后伸长率和冲击吸收功的试验结果可知，扭杆材料中心部位强度明显偏高，韧性则偏低。

依据GB/T 230.1-2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》规定的试验方法分别测试扭杆中心远离断口处、经去漆处理后的正常外表面以及椭圆状斑区[图2c)中黑色箭头指示的区域]的洛氏硬度。得到扭杆中心远离断口处、正常外表面和椭圆状斑区的硬度分别为(54.9±0.1) HRC，(43.9±0.4) HRC,(52.9±0.8) HRC。可见斑区的硬度值与中心部位的接近，但明显比其附近正常外表面的要高。

2 分析与讨论

由理化检验可知，断裂扭杆的化学成分符合BS EN 10089:2002对51CrV4弹簧钢的技术要求。扭杆基体的显微组织为条片状马氏体和少量残余奥氏体，马氏体条片的粗细相间使得扭杆在淬火、回火处理后显微组织形貌出现纵向带状分布的特征。上述带状组织的形成很可能与扭杆材料内部合金元素偏析和扭杆在热加工时易于形成纤维状组织有关。通常粗大马氏体条片来源于粗化的原始奥氏体晶粒，并且由图7f)可见粗大的马氏体在光学显微镜下呈黑色，是因为其析出了碳化物，容易被硝酸酒精浸蚀，由此判断这些马氏体条片已经被充分回火。

扭杆正常部位的组织中含有少量铁素体，这是热处理过程中表层脱碳所引起的。扭杆中心部位局部区域有椭圆形斑区存在。斑区的组织与正常部位的不同，其主要区别在于前者条片状马氏体较后者更为细小，并且后者还包含少量铁素体。斑区内异常组织的形成与扭杆矫直时局部加热、矫直工装接触部位的局部变形和快速冷却有关。分析认为由于斑区位于扭杆矫直时与工装接触的部位，局部加热和矫直变形在斑区内产生更多的晶体缺陷，从而促进斑区温度快速冷却至Ms点以下的马氏体形成温度区间内，促进细小马氏体条片的形成；并且由于冷却速度较快，铁素体的形成被抑制。

脱碳和铁素体的存在使得扭杆正常外表面的硬度值[(43.9±0.4) HRC]低于设计要求范围(44～47 HRC)，而斑区的硬度值[(52.9±0.8) HRC]和远离外表层的硬度值[(54.9±0.1) HRC]却显著高于设计值。由冲击吸收功和断后伸长率的试验结果可知，扭杆基体材料的韧性较差，从而使其抵抗疲劳破坏的能力降低。

根据断口的宏、微观形貌可知，扭杆的断裂模式为疲劳断裂。扭杆裂纹起始区附近未见明显与开裂相关的夹杂物分布，根据断裂面倾斜于扭杆轴线以及断口宏、微观形貌可知，扭杆发生了正断型扭转疲劳断裂。疲劳裂纹形核位置位于表面硬度异常区域(斑区)。由于斑区和基体材料的高硬度和低韧性，结合图4可知裂纹起始区呈现出沿晶开裂为主、准解理断裂为辅的混合特征；根据图5和图6可知随着扭转疲劳载荷的持续作用，疲劳辉纹沿两侧周向向下扩展，最终形成终断区，导致扭杆断裂。由于扭杆受到挤压与擦伤，裂纹起始区无法形成像裂纹扩展区所示正常的疲劳辉纹。另外由图1可见，扭杆中心部位的直径较其他部位的要小，同样的扭矩会造成中心部位承受更大的剪应力(和等效正应力)，这也是导致断裂部位位于扭杆中段的重要原因。

3 结论及建议

该扭杆发生了正断型扭转疲劳断裂。扭杆基体材料强度偏高，韧性偏低；另外，扭杆在矫直时局部加热，矫直工装接触部位发生了局部变形，加上冷却速度过快，使得扭杆中段形成了表面硬度异常区域。在扭转疲劳载荷的持续作用下，表面硬度异常区域形成了沿晶开裂为主、准解理断裂为辅的疲劳裂纹源，并不断扩展，最终造成扭杆断裂。

建议严格控制包括淬火、回火在内的扭杆关键生产工艺。提高扭杆材料的韧性，避免表面存在如组织、性能不均匀等的异常区域。