轮轴材料热处理与失效分析湖南铁道课件

湖南铁道职业技术学院《轮轴装修工》课程团队制作轮轴材料热处理与失效分析课堂引入想要获得高质量、高性能的轮对，需要经过哪些工序？如何判断车轮是否失效？何种原因导致其失效？0102轮轴材料热处理车轴、车轮理化性能与机械性能目录车轮、轮箍失效分析03车轮、轮箍主要损伤的形成原因04一、轮轴材料热处理碾钢车轮从炼钢到成形轧制再到最后检验合格出厂，须在冲孔压弯工序后进行相应的热处理：冲孔压弯→等温处理（消除白点）→车轮在环形炉中加热→淬火处理→回火处理→粗加工→……→检验合格出厂。（一）碾钢车轮热处理一、轮轴材料热处理碾钢轮箍从炼钢到轧制再到最后检验合格出厂，须在轧制工序后进行相应的热处理：轧制→等温处理（消除白点）→轮箍加热→淬火处理→回火处理→粗加工→……→检验合格出厂。（二）碾钢轮箍热处理一、轮轴材料热处理铸钢车轮从原材料熔炼、造型到最后检验合格出厂，须进行相应的热处理：熔炼、造型→浇筑→开箱与缓冷→出桶与热轮清理→热处理→……→检验合格出厂。（三）铸钢车轮热处理（一）车轴理化性能与机械性能二、车轴、车轮理化性能与机械性能车轴化学成分车轴采用优质碳素结构钢制成钢坯，加热锻压成型，经热处理和机械加工制成；车轴钢有LZ40钢、LZ45CrV、LZ50钢三种，50钢主要用于重载提速的车辆上。（一）车轴理化性能与机械性能二、车轴、车轮理化性能与机械性能1、50钢车轴理化性能与机械性能（一）车轴理化性能与机械性能二、车轴、车轮理化性能与机械性能2、40钢车轴理化性能与机械性能（二）车轮理化性能与机械性能二、车轴、车轮理化性能与机械性能1、车轮的化学成分（二）车轮理化性能与机械性能二、车轴、车轮理化性能与机械性能2、车轮的机械性能（一）车轮、轮箍失效的基本类型三、车轮、轮箍失效分析1、失效的含义

车轮和轮箍是铁路客、货、机车不可缺少的重要走行部件，它必须安全可靠地承担机车、车辆的载荷和在钢轨上快速行驶等等。当它丧失其应用的功能时，即为失效。2、失效的基本类型

由于车轮和轮箍在生产过程加工中产生的表面缺陷、内部缺陷以及运行使用过程中内、外力因素的影响，车轮和轮箍的失效主要表现为磨耗、疲劳裂纹、剥离、掉块、崩轮、崩箍等。（一）车轮、轮箍失效的基本类型三、车轮、轮箍失效分析（一）车轮、轮箍失效的基本类型三、车轮、轮箍失效分析（二）失效分析的目的和失效原因三、车轮、轮箍失效分析进行失效分析目的是为了提出对策，防止车轮和轮箍同类非正常失效的再次发生。这种非正常失效可能引起的原因很多，常见的原因有以下几种：1.车轮和轮箍存在不符合产品质量控制标准的缺陷而未能被预先发现。2.车轮和轮箍产品供货技术条件中所规定的某些性能和质量指标可能不满足提速或重载使用条件的要求。3.车轮和轮箍产品在制造过程中可能偶然出现意外的情况，导致出现产品供货技术条件中所没有规定的质量问题。4.在加工、装配过程中操作不当，或使用过程中偶然发生的意外损伤等。（三）失效分析的任务和要求三、车轮、轮箍失效分析

失效分析对于查明问题的真相、事故定责以及找出问题产生的根源和隐患，从而在下一步采取针对性的整改措施等方面有着重要的意义。

失效分析的任务和要求大致包括以下几个方面：1.事故原因和责任的失效分析

机车车辆在运行过程中，车轮或轮箍发生的突发性失效，经常会导致行车事故。其事故原因可能与车轮或轮箍的制造质量有关，也可能与使用单位漏检有关。因此，对事故原因和责任进行失效分析的同时，还需要分析失效过程的发展特点，以便找出事故的主要责任和直接根源。（三）失效分析的任务和要求三、车轮、轮箍失效分析2.非正常失效的原因分析

由于生产厂方在生产过程中出现质量失控的情况而使不合格的车轮或轮箍投入使用出现失效；或在用的车轮或轮箍由于使用条件突变而出现的失效。此类失效的车轮或轮箍是行车安全的一大隐患，如不能及时发现，将给铁路运输造成不可估量的损失。如某车轮制造厂1998年生产的炉号为21002甲的一批车轮，由于生产工艺控制不当，出现了严重内部冶金质量问题，在使用中产生裂纹、掉块等。为确保行车安全，该炉号的车轮一律追回更换。3.提高车轮和轮箍使用寿命和安全可靠性的失效分析

此类分析要求生产、检修和使用单位对车轮和轮箍从制造、加工、组装、检修和使用过程发现的缺陷进行统计和失效分析，特别是要加强对失效原因的检验分析。从而促进车轮和轮箍产品质量的提高，提高车轮和轮箍的使用寿命和安全可靠性。（三）失效分析的任务和要求三、车轮、轮箍失效分析4.缺陷危险性预测失效分析

产品存在的缺陷大致可分为三类：（1）危险性缺陷。会导致产品失效，且不可修复。（2）可修复缺陷。此类缺陷如不修复会导致产品加快失效，修复后可继续使用，安全度提（3）安全缺陷。不会导致产品在正常使用条件下失效，因而不需修复。

车轮和轮箍的危险性预测是根据缺陷的位置、大小、形状、运用受力分析、断裂力学分析，以及以往车轮和轮箍失效分析的经验和事例等，确定缺陷属于哪一类，从而采取针对性措施。5.仲裁性的失效分析

仲裁性的失效分析是为了查清产品失效责任的承担者。这种分析在生产和使用部门对事故车轮或轮箍的事故原因和责任意见不一致时尤为重要。（四）失效分析的资料搜集三、车轮、轮箍失效分析

准确、及时、全面地掌握失效车轮或轮箍现场的第一手资料，对于明确事故责任有着重要意义。1、现场调查资料（1）失效事故发生（发现)的时间、地点、经过等。（2）失效部件的名称、规格、型号、生产厂家、生产时间、生产顺号（炉号）等。（3）失效部件的装用（检修）单位、装用时间、使用概况（包括车型或机型、装载情况、运行公里、运行区间）等。（4）失效部件的损伤程度和损伤情况，现场周围情况（拍照取证）。（5）了解相同部件的使用情况和失效历史。（6）考虑失效部件的取样部位和取样方法，为检验做准备。（7）听取各方面人员对失效部件的看法，包括失效的过程、原因，以及对采取的措施的看法和建议等。（四）失效分析的资料搜集三、车轮、轮箍失效分析2、背景资料（1）失效部件原始完整的制造、检修记录。（2）车轮或轮箍的制造工艺、供货条件和产品质量合格证书等。（3）客、货、机车的检修规程以及轮轴检修组装规则对车轮或轮箍的质量要求。（4）失效部件的工作条件和受力状态（轮轨接触应力、制动力、车轮或轮箍残余应力、运行速度等）。（5）车轮或轮箍的主要失效类型、失效分析案例及有关资料。（一）磨耗

磨耗是车轮、轮箍在使用中形成的主要损伤之一。在正常条件下，车轮、轮箍的使用寿命主要是由于磨耗到限而报废的。随着铁路高速重载的发展，车轮、轮箍的磨耗日趋严重。影响车轮、轮箍磨耗的因素主要有以下几个方面：1.由于轮轨相互作用及不同的运行状态引起滚动、滑动摩擦而导致的车轮、轮箍磨耗。2.车辆载重和车轮黏着系数对车轮、轮箍的影响。3.车轮、轮箍的外形对磨耗的影响。4.车轮钢的化学成分和组织对磨耗的影响。5.轮轨间硬度匹配的影响。四、车轮、轮箍主要损伤的形成原因（二）轮辋疲劳裂纹

轮辋裂纹若不及时发现，直接会导致崩轮事故，是当前客货车行车安全的主要隐患。轮辋疲劳裂纹起源于轮辋内部缺陷。当裂纹扩展到一定大小时，会观察到在轮辋外侧面的沿圆周方向裂纹或在踏面上横裂纹，还可能发展到轮缘部位开裂。

轮辋裂纹产生的原因主要是在裂纹源处车轮钢在冶炼过程中产生的大颗粒的链状非金属夹杂物。非金属夹杂物与母材之间的弹性性能和热性能间存在差异，在轮轨接触应力作用下造成非均匀的应力场。四、车轮、轮箍主要损伤的形成原因（三）制动热裂纹和擦伤1.制动热裂纹

由于车轮踏面表层制动受热引起应变疲劳，经较少次数反复循环后就会萌生疲劳裂纹，这种裂纹称之为热裂纹。

当车轮被强烈制动时，踏面表层形成一受热层，由于受热层的热膨胀受到轮辋冷金属基体的约束，在受热层内产生周向压缩应力。当应力达到车轮钢的屈服极限时，受热层局部产生塑性变形。随着受热层的冷却，在受热层内产生了周向拉应力。以后每次制动都会重复应变过程，形成热疲劳。四、车轮、轮箍主要损伤的形成原因（三）制动热裂纹和擦伤2.擦伤车轮、轮箍擦伤是在停车或紧急制动时，由于轮轨间剧烈滑动摩擦使踏面形成椭圆形伤痕。摩擦产生的高温使踏面金属组织变硬变脆，在列车载荷多次作用下，较浅的擦伤可能由于与钢轨的磨耗而消失，较深的擦伤可能发展成为踏面剥离。擦伤是车轮踏面常见的惯性缺陷。四、车轮、轮箍主要损伤的形成原因（四）剥离

剥离是车轮、轮箍在运用中由于热机械作用或轮轨接触疲劳作用而在踏面局部或圆周上产生的金属剥落损伤现象。四、车轮、轮箍主要损伤的形成原因1.接触疲劳剥离

接触疲劳剥离是由于轮轨接触面在接触应力作用下，导致踏面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。

踏面塑性变形层的深度与轮轨接触应力及材质强度有关，当轮轨接触应力超过材质的接触疲劳强度时，疲劳裂纹就会在变形层表面同时或先后萌生，同时沿变形流线方向深处发展；当踏面磨耗速率小于疲劳裂纹扩展速率时，则会在踏面形成疲劳剥离裂纹和剥离掉块。（四）剥离2.制