地铁轴端接地垫片裂纹故障分析

1 问题概述

苏州四号线在检修中发现多起轴端接地垫片裂纹故障，该垫片材质为X8CrNiMoAl。故障垫片安装于地铁车辆转向架轴端，螺栓安装扭矩为22N·m，垫圈至发现开裂故障服役时间1～2年。

2 原因分析

2.1 宏观形貌分析

查看故障螺栓无松动，三层垫圈表面发现存在氧化色，无明显的挤压磨损痕迹或腐蚀现象。三层垫圈中只有最上方垫圈发生开裂，为贯穿裂纹，裂纹开口较大，而下方两枚垫圈未发生开裂。

2.2 微观形貌分析

查看失效垫圈裂纹断面低倍形貌，发现断面平整，无明显塑性变形，断面无明显的挤压磨损或腐蚀痕迹。将断面分为A（外）、B（中）、C（内）三个区域分别进行检测分析。

2.2.1 A区

A区低倍下断面形貌可见明显的放射状条纹，条纹收敛于断口内部，如下图1中箭头所示，靠近外圈断面边缘存在宽度约为0.15mm的斜断面（a1），内部存在断面区（a2）。

图1 断面A区低倍形貌

查看a1区微观形貌，可见明显的韧窝形貌，同时断面存在明显的覆盖物。a2区微观形貌，可见明显的准解理形貌，断面未发现明显的覆盖物（见图2）。

图2 a区微观形貌

对a1区进行能谱分析，结果显示除基体元素外存在O、Cl、Ca、Na、K等元素。a2区结果可见除基体元素外无其他元素（见图3）。

2.2.2 B区及C区

对B区进行微观形貌分析，结果显示断面边缘有明显的韧窝形貌，远离断面的边缘有明显的准解理形貌，断面无明显的覆盖物。能谱分析结果显示除基体元素外无其他元素。C区结果显示断面边缘有明显的韧窝形貌，远离断面的边缘有明显的准解理形貌，断面无明显的覆盖物。能谱分析结果显示除基体元素外无其他元素。

图3 a区能谱分析结果

2.3 金相检测

对失效垫圈断裂起始区进行金相组织检测，结果可见表面与芯部组织存在明显差异。失效垫圈近表面显微组织为马氏体+少量残留奥氏体+弥散分布的颗粒状强化相，该区域深度约为0.14mm，与断口所示边缘斜断面宽度（0.15mm）相近。失效垫圈芯部显微组织，为隐晶马氏体+岛状δ铁素体+弥散分布的强化相。查看失效垫圈非金属夹杂物形貌，根据“GB/T 10561-2005”标准结果显示为B类氧化铝（细系）0.5级，D类球状氧化物（细系）1.5级。

为加强对比度选取完好垫圈进行金相检测，结果显示完好垫圈芯部显微组织为隐晶马氏体+岛状δ铁素体+弥散分布的强化相，与失效垫圈一致。显微组织检测显示近表面组织与芯部组织存在明显差异，异常组织深度约为0.01mm（见图4）。

图4 垫圈金相检测结果

2.4 硬度检测

对失效垫圈及完好垫圈分别进行硬度梯度试验，由外表面边缘向内测试，结果如表1所示，可见失效垫圈表面0.15mm范围内硬度明显低于芯部硬度，而完好垫圈表面与芯部硬度无明显差异，同时失效垫圈芯部硬度与完好垫圈相近。

表1 垫圈硬度梯度测试结果

2.5 化学成分分析

采用碳硫分析仪及ICP对失效垫圈进行化学成分分析，结果显示化学成分符合“DIN EN 10088-1 en”标准要求。

2.6 检测结论

失效垫圈断口低倍形貌可见明显的放射状条纹，条纹收敛于断口内部，说明裂纹起始于垫圈内部，断面微观形貌可见大面积的准解理形貌，呈现金属材料脆性断裂特征。靠近外表面约0.15mm范围内为斜断面，该区域与起裂区相邻，斜断面可见明显的韧窝形貌，呈现韧性过载断裂特征。斜断面存在明显的覆盖物，经能谱扫描，除基体元素外存在明显的O、Cl、Na、K、Ca等外来元素，说明该断面曾在一段时间内暴露于外部环境中，而内部断面无明显覆盖物，未发现外来元素，因此斜断面应早于内部断面形成。

失效垫圈起裂区金相组织显示，靠近外表面存在深度为0.14mm的异常组织区，该区域组织与芯部组织存在明显差异，而完好垫圈表面异常组织深度仅为0.01mm。硬度测试结果显示，失效垫圈近表面约0.15mm范围内硬度明显低于芯部硬度，而完好垫圈硬度较为均匀。失效垫圈近表面异常组织深度，硬度异常范围与斜断面宽度一致。

3 结语

由于失效垫圈表面存在明显的异常组织，导致表面硬度显著降低，强度明显下降，而安装过程中垫圈靠近外表面的区域承受较大的拉应力作用，表面薄弱区可能发生过载开裂，形成裂纹。垫圈服役过程中承受冲击载荷作用，裂纹尖端应力集中明显，易发生过载断裂。

轴端接地垫圈失效模式为原始裂纹引起的过载断裂。引起垫圈产生原始裂纹的主要原因是表面组织异常，导致硬度、强度显著降低。垫片的热处理过程应按规范严格控制。