动车组维护与检修：零件断裂的原因与后果

动车组零件的损伤主要是裂纹与断裂。例如轴类、箱体、螺栓等，都是容易发生裂损的零件。零件的裂损通常会产生较严重后果。因此，分析动车组零件裂损的原因及其规律，以便采取相应措施加以防止，就显得非常重要。

（一）断裂机理

动车组零件的断裂，有的是受一次载荷或冲击载荷作用而造成的，有的是在不太大的载荷长期作用下造成的。大多数动车组零件是在受多次交变载荷作用下而产生裂纹的，这种形式的损坏叫疲劳断裂。下面着重研究疲劳断裂方面的问题。

疲劳断裂的产生取决于交变应力的大小、交变应力循环的次数、材料的抗疲劳强度三个因素。交变应力小于一定数值时，材料可以承受无限多次循环载荷而不破坏，这个数值称为疲劳强度极限。当应力大于疲劳强度极限时，材料所承受的循环次数就有限度，达到这个循环次数时，材料就会破坏。这就是疲劳断裂机理。

一系列金相分析结果表明，断裂过程大致经历 5 个阶段：晶体中局部地区出现晶粒滑移；裂纹成核，即微观裂纹产生；微观裂纹扩展（裂纹长度 l＜0.05 mm）；宏观裂纹扩展（裂纹长度 l＞0.05 mm）；断裂。

金属零件承受交变载荷时，在应力集中的局部地区将出现严重的塑性变形，个别晶粒内出现剪切性滑移。在交变载荷的继续作用下，使最初出现的位移加长和变宽，形成一些滑移带，如图2.9 所示。在某些材料中，实际由滑移带挤出的金属高度高达1～2 μm，同时也产生一些深的挤入槽。与此同时，还产生新的剪切位移和滑移带，这些变形使晶粒分裂成小块（其直径为 10－3～10－4mm）。

金属材料表面通过各种滑移方式，最后大都沿着起作用的滑移带形成疲劳源，即疲劳裂纹成核。一般有两种成核方式：晶间成核和穿晶成核。关于疲劳裂纹成核的定义，即何种状态才算是一个疲劳裂纹，有不同的观点。从研究疲劳机理的角度上看，利用分辨率最高的电子显微镜，将长度为 10－4mm 的裂纹定义为成核；往往工程上基于实用角度，通常把长度为0.05～0.1 mm 的裂纹定义为成核，用一般放大镜可看到。

在形成滑移带裂纹以后，进一步加强了滑移带的应力集中，这时裂纹将沿着与拉伸应力成一定角度（约为±45°）的滑移面扩展，称为疲劳断裂过程第Ⅰ阶段成长。这个阶段的穿透通常是不深的（十分之几毫米）。当微观裂纹生长到一定长度后，便很快改变方向，最后沿着与拉伸应力垂直的方向生长，称为疲劳断裂过程的第Ⅱ阶段生长，如图2.10 所示。

图2.9　滑移带示意图

图2.10　疲劳裂纹的扩展

实际上，多晶体材料第Ⅰ阶段的生长，包含成百个单位的滑移带裂纹，它们在第Ⅱ阶段成长开始时，最后连成一主导裂纹，即宏观裂纹。宏观裂纹继续扩展，当严重削弱了零件的有效面积时，就导致零件的断裂。

（二）疲劳断面特征

由前述可知，疲劳断裂破坏是由于零件局部表面出现疲劳裂纹，裂纹逐步向深、向长扩展，最后当零件有效面积小到一定程度时突然发生断裂。因此，疲劳断裂断口都有明显的两个区域：一个是疲劳断裂区，另一个是最后折断区。前者表面较为光洁，后者表面较为粗糙。

疲劳断裂区的断面光滑明亮，它是裂纹逐渐发展的痕迹，在交变载荷的作用下，裂纹时合时裂，互相摩擦使表面变得光滑。疲劳裂纹的起点，表面多呈方齿形。因为疲劳裂纹都是由许多滑移带连成一个宏观裂纹后，逐步向金属深处扩展，所以裂纹汇合处表面就呈现不平。

最后折断区的表面粗糙，它是最后折断的部分，通常都有明显的塑性变形痕迹。对于韧性金属材料多是纤维状的结构；对于脆性金属材料则是呈粗晶粒结构，如图2.11 所示。

图2.11　轴类零件疲劳断面示意图

另外，有些零件在断裂前只经历了一次载荷作用，如冲击载荷，或只经历了较少次数的交变载荷就发生了断裂，这种情况称为一次性加载断裂。其断面形态全部为最后折断区。

疲劳断裂断面有以下特点：

（1）疲劳源一般发生在零件应力集中最为严重的地方，如小孔、圆角等，也可能发生在零件表面或内部的缺陷处；

（2）最后折断区面积越大，零件受载越严重；(www.xing528.com)

（3）疲劳断裂区越光滑，零件断裂前应力循环次数越多；

（4）对于转动的受弯曲作用的轴类零件，最后折断区越接近中心，其超载程度越大（可达30%～100%），应力循环不超过30×104次时即可能断裂。

（三）疲劳断裂原因

引起零件疲劳破坏的原因，有以下几方面：

（1）金属材料自身存在缺陷。

金属材料在冶炼、轧制等过程中形成的内部缺陷，如夹杂、气孔等。

（2）零件在热加工时引起的缺陷。

零件在铸造、锻压和热处理时，内部或表面留有局部缺陷，如非金属夹杂、气孔表面裂纹。如果这些缺陷恰位于危险断面内，特别是接近表面时则极易产生裂纹。

（3）零件结构上存在缺陷。

零件在结构、形状上不合理常能造成应力集中、引起断裂，例如零件断面变化急剧，过渡圆角半径过小。强度和硬度越高的材料，对应力集中的敏感性越大。

（4）零件表面加工时引起的缺陷。

表面光洁度、加工留下的残余应力及加工深度对疲劳强度极限都有直接的影响。表面越粗糙，疲劳强度越低。

（5）检修时引起零件损伤。

零件在搬运时碰伤、检查时锤击打伤，都会造成应力集中；检修时，冷压、火烤弯曲零件，会产生内应力或破坏金相组织，降低材料强度；不正确的组装，也会产生附加应力，导致疲劳破坏。

（四）减轻断裂的措施

（1）在零件设计上减少应力集中。

（2）对零件采用表面强化措施，如高频淬火、镀铬、滚压和喷丸处理等。

（3）提高零件检修质量，特别注意下面几点：

①避免零件表面的各种损伤，如划伤、碰伤。

②螺栓紧固力矩大小严格符合技术要求。

③保证各装配零件之间和连接零件之间的位置精度要求，如螺栓与支承面的垂直度。