内容提要：本文通过对车轮辐板螺纹工艺孔裂纹的检验分析，表明车轮辐板采用了非正常的尖牙螺纹孔工艺结构，尖牙螺纹孔处应力集中，导致裂纹产生。
关键词：整体车轮；辐板螺纹孔；裂纹
1 事故及样品概况
2000年12月1日配属乌局T53次客车由哈密站13:54分开出，在柳树泉站14:34分通过时，值班员发现机车车轮冒出火星，车轮摇晃并伴有烟雾，当即用无线列调通知司机，司机确认后立即停在柳树泉至雅子泉下行线1391km+361m处，进一步检查发现该机车轮对第一位非齿轮侧轮辐3个螺纹工艺孔与传动销孔发生贯通裂纹，整体车轮断裂成内圈和外圈两部分。事故发生后乌局立即组织人员对所有出入库、停留机车的走行部进行检查，结果又发现6台DF11型机车13个车轮的工艺孔存在裂纹。此事件引起铁道部领导的高度重视现场选取两个带裂纹典型车轮进行了破坏，样品车轮履历情况见表1。
1号车轮内侧外观形貌见图1，外侧外观形貌见图2;2号车轮内侧外观形貌见图3。 
图1 1号车轮内侧外观形貌 图2 1号车轮外侧外观形貌
图3 2号车轮内侧外观形貌
(粉笔所画区域内为裂纹)
2 检验分析
根据裂纹产生位置、形态及为考察整体机车车轮全面性能指标，检验内容如下:
1.裂纹及断口宏观形貌分析;
2.常规理化性能检验;
3.断口裂纹源处金相及扫描电镜检验。
1号车轮取样位置示意图见图4;2号车轮取样位置示意图见图5。
图4 1号车轮取样位置示意图
图5 2号车轮取样位置示意图
2.1 裂纹及断口宏观形貌分析
由图1、图2可见1号车轮裂纹在内、外侧面均已贯通，裂纹起始于螺纹工艺孔处并由两端延伸至外圆减重大孔边缘，两孔之间裂纹长约160mm，螺纹工艺孔规格为3×M39×3，并为尖螺牙，螺纹工艺孔与减重大孔边缘均为锐棱;由图3可见2号车轮仅在辐板内侧面的其中一个螺纹工艺孔发现裂纹，裂纹尚未贯通至外侧，肉眼观察裂纹长度约为20mm(见图6)。
图6 2号车轮螺纹工艺孔裂纹形貌
对图1、图2所示，按1号车轮A-B-C气割下一条断口，其对合形貌见图7，打开后可见断口形貌(图8、图9)，由断口形貌可见明显的疲劳裂纹扩展区，疲劳裂纹扩展区长约140mm，疲劳条纹呈海滩状，它表示裂纹前沿在间歇扩展中的逐次位置。裂纹源位于辐板内侧螺纹工艺孔边缘锐棱处(箭头所指)。在距螺纹孔(辐板内侧面测量)40～50mm区域内呈暗红色，这说明在裂纹产生后的一段时间内车轮处于大气环境中，裂纹处有空气及其它腐蚀性介质进入，发生氧化腐蚀，经过柠檬酸清洗后仍可依稀看到裂纹扩展形貌，该区域疲劳条纹间距较小，说明该处疲劳扩展速度较慢。在距减重大孔边缘(辐板内侧面测量)15mm处区域为撕裂区，说明疲劳裂纹扩展到此处时车轮材料本身的应力已完全不能抵抗外界应力，即在很短的时间内撕裂。疲劳裂纹的形成与承受交变应力息息相关，它是每一次应力循环后裂纹扩展留下的痕迹，以上说明辐板螺纹工艺孔裂纹形成属于低应力高周疲劳。
图7 图1、2所示1号车轮螺纹孔A-B-C裂纹形貌
图8 图7所示上半部耦合断口形貌(箭头所指为裂纹源)
图9 图7所示下半部耦合断口形貌(箭头所指为裂纹源)
对2号车轮图6所示部位进行取样后观察到裂纹非常细小，用磁粉探伤方法检查，发现裂纹在辐板内侧面处长约42mm，延伸至螺纹孔内长约30mm(见示意图10)，为观察到裂纹断口形貌，采用线切割方式矩形切取(40mm×20mm)，但并未打开断口;再次距螺纹孔边缘10mm矩形切取时仍未脱落，对切取下的该样品用人工方式方能打开，打开后观察到非常细密的疲劳裂纹扩展条纹，疲劳条纹间距小于1mm，说明疲劳裂纹扩展速度很慢，裂纹源同样位于辐板内侧螺纹工艺孔边缘锐棱处。对图10所示裂纹矩形切取的四个侧面均进行了磁粉探伤，根据探伤所示表面裂纹扩展长度估算出内部裂纹的扩展形貌(示意图10-1)。
图10 2号车轮螺纹孔裂纹形貌示意图
图10-1 2号车轮裂纹扩展示意图
以上宏观检查已可初步表明裂纹萌生是由于螺纹工艺孔边缘锐棱处应力集中所致。
2.2 轮辋和辐板的常规理化性能检验
两个车轮取样进行了化学成分、轮辋金相组织及非金属夹杂物评定、轮辋硬度、低倍组织及冲击性能等检验，检验结果均符合车轮技术条件要求
2.3 断口裂纹源处金相及扫描电镜检验
裂纹源附近金相检验形貌见图11、图12，由图11、图12可见金相组织为正常的珠光体+沿晶界分布的少量铁素体，裂纹源处未见导致裂纹萌生的异常组织和非金属夹杂物等材质缺陷。 
图11 1号车轮裂纹源处金相组织400× 图12 2号车轮裂纹源处金相组织400×
对两个车轮裂纹源处进行扫描电镜分析，通过断口裂纹走向可以看出裂纹均起源于靠近辐板内侧的第一个半螺纹尖牙处，裂纹源处无任何材质缺陷，裂纹扩展为典型的疲劳特征，图13、图14分别为1号车轮裂纹源区扫描电镜形貌和包含一个螺纹的低倍形貌;图15、图16分别为2号车轮裂纹源区扫描电镜形貌和包含一个螺纹的低倍形貌。 
图13 1号车轮裂纹源处扫描电镜形貌180× 图14 1号车轮裂纹源处含1个螺纹扫描电镜形貌20×
 
图15 2号车轮裂纹源处扫描电镜形貌180× 图16 2号车轮裂纹源处含1个螺纹扫描电镜形貌20×
3 结论
3.1 根据进口车轮技术条件规定的各项理化性能进行检验结果表明，所选取两个车轮性能满足技术条件规定。
3.2 裂纹起源于车轮辐板内侧螺纹工艺孔锐棱处，并向减重大孔同心圆处扩展，而不沿螺纹工艺孔同心圆圆周方向扩展，说明位于减重大孔同心圆上传动销的扭转力对裂纹扩展起主导作用，轮轨接触应力对裂纹扩展处于次要地位。裂纹源处金相检验及扫描电镜检验结果表明裂纹源处未见导致裂纹萌生的异常组织和非金属夹杂物等材质缺陷。
3.3 辐板螺纹工艺孔靠近轮毂处，其内侧面孔端位于辐板圆弧过渡处，该结构决定了在辐板内侧面螺纹孔边缘处承受比外侧面大得多的应力，当车轮每回转一周该位置将承受最大应力σmax至σmin之间的交变应力作用，随着辐板服役时间的增长，当σmax超过材料疲劳极限σ-1时，必然产生疲劳裂纹。
由于车轮辐板处采用了非正常的尖牙螺纹孔工艺结构，使得该处产生应力集中，材料力学理论表明，在轮毂与辐板内侧为圆弧过渡的结构中，由于应力集中产生的径向拉应力峰值位于切点圆周截面上，这时的应力会比没有辐板螺纹工艺孔时相应部位应力值大很多倍，辐板所受平均应力σcp与辐板螺纹工艺孔应力集中处最大应力之比，称之为应力集中系数K，即K=σmax/σcp，K值与应力集中处的形状与尺寸有关，对于车轮辐板螺纹工艺孔而言，棱缘处圆角半径越大，K值越小，则σmax越小，由于应力集中产生裂纹的可能性就越小，反之亦然。
车轮辐板螺纹工艺孔裂纹产生的直接原因是由于应力集中和疲劳破坏的结果，因为该孔结构的存在和螺牙尖锐，孔边缘应力集中不可避免，随着车轮服役年限的增长，轮辋厚度减薄，辐板孔处应力场的分布也会逐渐变化，它承受的应力状态也就会越加恶劣，另外车轮残余应力也对辐板受力有一定影响。车轮辐板受力是一个非常复杂的过程，它与车轮形状的变化、运用工况的变化、疲劳循环次数的增多、残余应力的影响、制动效应等都有直接关系，因此对于运用一定年限的车轮，存在辐板孔且孔边缘较尖锐的话，此处产生裂纹是非常可能的，但准确计
算出其裂纹产生及扩展的时间还需要做大量的实验和研究工作。
3.4 正确认识辐板孔裂纹的损伤特性，事实上在我国铁路机车车辆运营历史上曾多次发生此类损伤现象，如1983年5月～1984年4月间，配属青岛机务段前进型机车导轮辐板曾发生多起辐板内侧减重孔裂纹，孔与孔之间裂纹相连;1997年3月在广州铁路集团公司开始，以后在许多路局均发生车辆整体辗钢车轮辐板内侧工艺吊装孔裂纹。产生裂纹原因均是由于辐板内侧工艺孔棱缘尖锐导致应力集中。
4 建议
4.1 建议机车制造厂改进工艺孔设计或彻底取消工艺孔，以消除应力集中隐患。
4.2 对于现有带孔的在役车轮，应采用包括磁粉探伤在内的手段加强对辐板孔的检查，对没有出现裂纹的辐板孔应用细砂轮对边缘处进行磨光倒圆角，对螺纹应铰光，这样会大大降低应力集中系数，有效防止裂纹产生。
作者单位：铁道部科学研究院金属及化学研究所(end)
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