轴箱托板断裂分析

李崇斌

摘 要  通过轴箱托板各项检测推断断裂原因。轴箱托板在制造过程中存在折弯工艺，折弯使轴箱托板最大折弯处应力集中，地铁运行过程中轴箱托板受到振动，在折弯内侧开裂并扩展，最终导致轴箱托板断裂。

关键词 轴箱托板；折弯；断裂；应力集中，Q235B；

1前言

Q235B是含碳量小于0.35%的常见低碳钢结构材料，引用范围非常广泛，在各个行业都有应用，比如在建筑、桥梁、机械工程、汽车等制造业中都有大量应用。Q235B材质因其良好的可塑性、韧性和可焊性，常被用于各种构件的制造，包括钢板、钢管、钢棒等。由于其良好的机械性能、成本较低，Q235B材质在市场上很有竞争力。

折弯是金属板料在折弯机上模或下模的压力下，首先经过弹性变形，然后进入塑性变形,在塑性弯曲的开始阶段，板料是自由弯曲，随着上模或下模对板料的施压，板料与下模槽内表面逐渐靠紧，同时曲率半径和弯曲力臂也逐渐变小，继续加压直到行程终止，使上下模与板材靠紧全接触，此时完成一个弯曲，就是俗称的折弯。

地铁在出厂后走行31.9万公里检车时，发现材质为Q235B的轴箱托板出现断裂的情况。轴箱托板是用于固定地铁转向架线缆的工件。轴箱托板一端紧固在轴箱体和托座之间，另一端紧固线缆。轴箱托板在地铁停止运行时仅承受线缆的载荷，而在地铁运行时则随着轴箱振动而振动。轴箱托板的制造工艺流程，为使用Q235B材质的6mm厚板材激光切割-打磨-压平-铣-折弯-打砂喷漆。为分析断裂原因，将断裂的紧固螺栓进行检测。

2试验方法

2.1宏观检测

轴箱托板安装位置和形貌见图1、2所示，断裂发生在轴箱托板折弯处。轴箱托板从折弯内侧起裂，属于多源断裂，其中左侧为主裂纹源区，断口可见明显的疲劳弧线，弧线向外侧扩展，其扩展形式与受力状态吻合，轴箱托板断口宏观形貌见图3所示。

图1 轴箱托板安装位置	图2 轴箱托板形貌

图 3 轴箱托板断口宏观形貌

2.2电镜检测

对断口进行扫描电镜微观检验，主裂纹源区较平滑，表面被腐蚀产物覆盖，经能谱分析表面主要为腐蚀产物和铁的氧化物见图4所示，形貌见图5所示。次裂纹源区也呈平滑状态，表面多被腐蚀和氧化见图6所示。裂纹扩展区形貌主要呈准解理断裂形貌见图7，靠近裂纹源区可见疲劳扩展条带见图8所示。终断区形貌可见挤压层，主体形貌也呈准解理断裂形貌见图9所示。样品微观形貌呈脆性准解理断裂形貌特征，未见韧性断裂特征，根据断裂形貌，判断属于疲劳脆性断裂。

图 4 主裂纹源区表面能谱分析结果	图5 主裂纹源区扫描电镜微观形貌 500×
图 6 次裂纹源区扫描电镜微观形貌 500×	图 7 裂纹扩展区准解理断裂形貌形貌 500×
图 8裂纹扩展区疲劳条带形貌形貌 500×	图 9 裂纹终断区扫描电镜微观形貌 500×

2.3金相检测

在断裂的轴箱托板主裂纹源处截取金相试样，在主裂纹源处未见明显非金属夹杂。在断裂的轴箱托板与线缆固定处截取金相试样，依据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物进行评级，评级结果为A0.5,B0.5,C0,D0级。依据GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》对试样晶粒度评级，晶粒度为9级，基体组织为铁素体+珠光体，见图10。

图 10 轴箱托板基体组织  100×

2.4机械性能检测

在断裂的轴箱托板上截取机械性能和硬度试样进行机械性能检测，检测结果见表1，该试样的机械性能符合GB/T700-2006《碳素结构钢》标准要求。

表1  轴箱托板机械性能检测结果

样品名称	抗拉强度 Rm（MPa）	屈服强度 RP0.2（MPa）	断后伸长率 A（%）	硬度（HBW）
轴箱托板	494	358	30	141
Q235B标准值	370～500	≥235	≥26	140～160

2.5化学成分测试

在断裂的轴箱托板上截取试样进行化学成分分析，检测结果见表2，该试样的化学成分符合GB/T700-2006《碳素结构钢》标准要求。

表2  轴箱托板化学成分检测结果

样品名称	化学成分(%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni
轴箱托板	0.200	0.121	0.225	0.010	＜0.002	0.151	0.007	0.004
Q235B标准值	≤0.20	≤0.35	≤1.40	≤0.045	≤0.045	≤0.30	≤0.30	≤0.30

3断裂原因分析

通过宏观检测、金相检测、机械性能检测及化学成分分析检测结果可知，轴箱托板的非金属夹杂、金相组织、晶粒度没有异常。轴箱托板的机械性能、硬度、化学成分均符合GB/T700-2006《碳素结构钢》标准中Q235B的材质要求，试样断口呈脆性准解理断裂形貌，未见韧性断裂特征，根据断裂形貌判断属于疲劳脆性断裂。

Q235B板材在折弯的过程中外侧承受拉伸应变和拉应力，内侧承受压缩应变和压应力。Q235B板材在最大弯曲处组织与折弯前原始试样组织相对比，弯曲压缩面试样组织中晶粒打碎、压扁。拉伸状态下晶粒沿着拉伸方向延伸。Q235B板材最大弯曲处的晶粒形状受拉成为轴状铁素体和珠光体。铁素体变少且晶粒边界变弯或者不规则，除铁素体以外的组织周边容易聚集和形成缠结和位错，以导致产生新的晶界且应力集中。

轴箱托板在运用环境过程中存在振动，地铁运行过程中托板在折弯应力集中处产生疲劳开裂，最终发生断裂。

4结论

轴箱托板在折弯应力集中处发生疲劳脆性断裂。轴箱托板在制造过程中存在折弯工艺，折弯使轴箱托板最大折弯处应力集中，地铁运行过程中轴箱托板受到振动，在折弯内侧开裂并扩展，最终导致轴箱托板断裂。

参考文献

1崔忠圻，覃耀春． 金属学与热处理［M］． 北京: 机械工业出版社，2004．

2戴雨馨.Q235B板材的弯曲变形研究[J].包钢科技, 2017, 43(6):4.DOI:CNKI:SUN:BGKJ.0.2017-06-018.