車軸是軌道交通機車車輛的關鍵零部件之一，其安全性直接關乎整車的安全。因此，保證車軸具有優異的性能十分必要。EA1N車軸鋼是歐洲鐵路車軸廣泛應用的一種車軸材料，EN 13261-2003 也是目前世界上最先進的車軸標準之一，對車軸的化學成分及機械性能等都做了很高的要求。我公司此次新開發車型的車軸即選用EA1N 材質。車軸作為關鍵零部件，需進行一系列型式試驗，其中就包括實物車軸疲勞試驗。

而在進行此次疲勞試驗時，車軸出現了裂紋并發生斷裂。針對該情況，有必要對其疲勞裂紋產生的原因進行探究分析，對于后期的疲勞試驗以及生產工藝的改進至關重要。

鑒此，本文擬通過對其原材料、鍛造過程、熱處理過程、理化性能檢驗、機加工過程以及宏觀斷口逐個進行分析排查，來找出可能導致車軸產生疲勞裂紋的不良因素，進而對其進行改進。

材料及分析方法

材料

本次車軸所采用的材料為EA1N 車軸鋼，由表1可知，該車軸鋼的化學成分完全符合EN 13261 標準的要求。

表1 EA1N 鋼的化學成分(wt%)

分析方法

對生產制造過程中的相關記錄進行檢查，包括鍛造過程、熱處理過程、機加工過程。

并從接近斷口位置的部分進行取樣，分別進行化學成分、低倍組織、力學性能、高倍組織的檢驗，取樣位置為車軸橫截面上的9 個位置，即相互垂直的兩條直徑線所在的外表層處、R/2 處，以及中心處，共計9 個點，如圖1 所示。最后對其宏觀斷口進行觀察分析。

圖1 取樣位置示意圖

結果與分析

鍛造過程

檢查車軸的鍛造記錄，記錄顯示加熱溫度為1170℃，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，鍛后空冷。鍛造過程均滿足工藝要求。

熱處理過程

檢查車軸的熱處理記錄，記錄顯示正火加熱溫度為880℃，空冷。熱處理過程均滿足工藝要求。

機加工過程

檢查車軸的機加工記錄，并重新對數控程序坐標點進行核算，數控程序走刀軌跡沒有問題。對斷裂車軸的各關鍵部位進行檢查，各部位尺寸均滿足要求。

然而，在對其加工參數進行調查時發現，操作者對進給量進行了經驗性地提高，由1.2mm/r 提高到了3.0mm/r。雖然對產品尺寸沒有影響，但這種大幅提高進給量的做法必然會導致車軸表層產生大量的拉應力，造成車軸本身疲勞強度的降低。

此外，還發現軸身與輪座過渡圓弧處的粗糙度存在一定的問題，如圖2 所示。可以看出，在圓弧處能夠很清晰地看到加工刀花，雖然無法對圓弧處進行粗糙度值的測定，但通過對比可以發現，該關鍵位置的粗糙度并沒有滿足圖紙小于等于Ra1.6μm 的要求。

圖2 軸身與輪座的圓弧處

不同位置處的化學成分

表2 為車軸斷口附近9 個位置的化學成分檢測結果。由表2 可以發現，9 處的化學成分基本一致，不存在成分偏析的現象。

表2 EA1N 車軸不同位置的化學成分(wt%)

低倍組織

表3 為車軸斷口附近截面的低倍組織級別。由表3 可知，車軸材料的一般偏析、中心疏松、錠型偏析、斑點狀偏析現象均不明顯，甚至不存在。

表3 EA1N 車軸斷口附近的低倍組織(級)

力學性能

表4 為從車軸斷口附近9 點取樣的力學性能。由表4 可知，該車軸每點的性能均滿足EN13261 的要求，并且具有較好的均勻性，特別是表層。

表4 EA1N 車軸力學性能

高倍組織

表5 為車軸斷口附近9 點取樣的金相組織、晶粒度以及非金屬夾雜。由表5 可知，各項指標均滿足標準要求，且材料純凈度良好，金相組織、晶粒度表現均一。

表5 高倍檢測

斷口分析

車軸在產生疲勞裂紋后發生斷裂，分為兩部分，其中車軸的輪座部位殘留在了車輪轂孔內，如圖3 所示。由圖3 可以看出，裂紋出現在了軸身與輪座的圓弧過渡處，此位置是應力集中區，也是此次試驗考核的區域。

圖3 斷軸

對其輪座部位進行觀察，如圖4 所示，可以看出，該部位出現了兩處大裂紋。其中一處導致了車軸斷裂，另外一處還處于擴展階段。對其斷口進行觀察，如圖5 所示，可以較明顯地看到裂紋擴展產生的貝紋線，并指向了裂紋源的位置，表明該裂紋為從表面萌生的疲勞裂紋，如圖5 位置1、位置2 處。

圖4 斷軸的輪座斷口

圖5 輪座的宏觀斷口

而從軸身部分的斷口也可以看到同樣的情形，如圖6 所示，位置1 和位置2 為裂紋源。

圖6 軸身的宏觀斷口

結合圖5 和圖6 可以看出，導致車軸斷裂的大裂紋是由兩個小裂紋構成的，兩個小裂紋在車軸表面各自萌生后不斷進行擴展，兩者相遇后，裂紋之間的部分在試驗力的作用下便被剪斷，進而相互連接成為一個大裂紋，剪斷部位如圖7 所示。

圖7 裂紋相互連接處

在此位置還發現，兩個裂紋的前端均存在各自擴展的痕跡，如圖8 所示，這也說明了導致車軸斷裂的大裂紋是由兩個裂紋在擴展過程中發生剪斷后連接而共同導致的。

圖8 兩個裂紋前端的擴展痕跡

討論

由表2、表3 和表5 可知，本次EA1N 車軸不同位置的化學成分均一致，不存在成分偏析的現象，低倍組織以及非金屬夾雜也符合標準，且質量較高。同時，由斷口分析可知，疲勞裂紋為多處出現，且萌生于表面，非內部缺陷處。因此，可以確定此次疲勞裂紋的產生并非原材料的問題。

車軸在鍛造以及熱處理過程中，運行過程均按照標準完成，熱處理后也具有了合格的力學性能、晶粒度和金相組織，且在車軸圓周方向表現出了較好的均勻性。因此，在熱加工過程中，也未產生不利于車軸疲勞的影響因素。

而對于機加工工序，因進給量進行了提高的調整，雖然對外形尺寸沒有影響，但必然會使車軸表層產生較大的拉應力，降低了車軸本身的疲勞極限。而且，粗糙度過高使得刀花這種表面微觀缺陷得到一定程度的放大，進而為疲勞裂紋提供了大量的萌生位置，增大了發生疲勞裂紋的可能性。當交變載荷作用于車軸時，產生的應力便會在刀花處不斷囤積，當其超過車軸的疲勞極限時，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴展，擴展過程中不同裂紋相互連接，最終導致車軸斷裂。

結論

⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產生不利影響。

⑵車軸機加工過程中，進給量的提高直接導致了車軸表層拉應力的增大，降低了車軸的疲勞極限。同時，表面粗糙度的過高又為裂紋提供了大量的萌生位置，最終使得車軸圓周表面多個位置產生疲勞裂紋，裂紋擴展過程中相互連接，進而發生斷裂。