湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院《輪軸裝修工》課程團隊制作輪軸材料熱處理與失效分析課堂引入想要獲得高質(zhì)量、高性能的輪對，需要經(jīng)過哪些工序？如何判斷車輪是否失效？何種原因?qū)е缕涫В?102輪軸材料熱處理車軸、車輪理化性能與機械性能目錄車輪、輪箍失效分析03車輪、輪箍主要損傷的形成原因04一、輪軸材料熱處理碾鋼車輪從煉鋼到成形軋制再到最后檢驗合格出廠，須在沖孔壓彎工序后進行相應的熱處理：沖孔壓彎→等溫處理（消除白點）→車輪在環(huán)形爐中加熱→淬火處理→回火處理→粗加工→……→檢驗合格出廠。（一）碾鋼車輪熱處理一、輪軸材料熱處理碾鋼輪箍從煉鋼到軋制再到最后檢驗合格出廠，須在軋制工序后進行相應的熱處理：軋制→等溫處理（消除白點）→輪箍加熱→淬火處理→回火處理→粗加工→……→檢驗合格出廠。（二）碾鋼輪箍熱處理一、輪軸材料熱處理鑄鋼車輪從原材料熔煉、造型到最后檢驗合格出廠，須進行相應的熱處理：熔煉、造型→澆筑→開箱與緩冷→出桶與熱輪清理→熱處理→……→檢驗合格出廠。（三）鑄鋼車輪熱處理（一）車軸理化性能與機械性能二、車軸、車輪理化性能與機械性能車軸化學成分車軸采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成鋼坯，加熱鍛壓成型，經(jīng)熱處理和機械加工制成；車軸鋼有LZ40鋼、LZ45CrV、LZ50鋼三種，50鋼主要用于重載提速的車輛上。（一）車軸理化性能與機械性能二、車軸、車輪理化性能與機械性能1、50鋼車軸理化性能與機械性能（一）車軸理化性能與機械性能二、車軸、車輪理化性能與機械性能2、40鋼車軸理化性能與機械性能（二）車輪理化性能與機械性能二、車軸、車輪理化性能與機械性能1、車輪的化學成分（二）車輪理化性能與機械性能二、車軸、車輪理化性能與機械性能2、車輪的機械性能（一）車輪、輪箍失效的基本類型三、車輪、輪箍失效分析1、失效的含義

車輪和輪箍是鐵路客、貨、機車不可缺少的重要走行部件，它必須安全可靠地承擔機車、車輛的載荷和在鋼軌上快速行駛等等。當它喪失其應用的功能時，即為失效。2、失效的基本類型

由于車輪和輪箍在生產(chǎn)過程加工中產(chǎn)生的表面缺陷、內(nèi)部缺陷以及運行使用過程中內(nèi)、外力因素的影響，車輪和輪箍的失效主要表現(xiàn)為磨耗、疲勞裂紋、剝離、掉塊、崩輪、崩箍等。（一）車輪、輪箍失效的基本類型三、車輪、輪箍失效分析（一）車輪、輪箍失效的基本類型三、車輪、輪箍失效分析（二）失效分析的目的和失效原因三、車輪、輪箍失效分析進行失效分析目的是為了提出對策，防止車輪和輪箍同類非正常失效的再次發(fā)生。這種非正常失效可能引起的原因很多，常見的原因有以下幾種：1.車輪和輪箍存在不符合產(chǎn)品質(zhì)量控制標準的缺陷而未能被預先發(fā)現(xiàn)。2.車輪和輪箍產(chǎn)品供貨技術(shù)條件中所規(guī)定的某些性能和質(zhì)量指標可能不滿足提速或重載使用條件的要求。3.車輪和輪箍產(chǎn)品在制造過程中可能偶然出現(xiàn)意外的情況，導致出現(xiàn)產(chǎn)品供貨技術(shù)條件中所沒有規(guī)定的質(zhì)量問題。4.在加工、裝配過程中操作不當，或使用過程中偶然發(fā)生的意外損傷等。（三）失效分析的任務和要求三、車輪、輪箍失效分析

失效分析對于查明問題的真相、事故定責以及找出問題產(chǎn)生的根源和隱患，從而在下一步采取針對性的整改措施等方面有著重要的意義。

失效分析的任務和要求大致包括以下幾個方面：1.事故原因和責任的失效分析

機車車輛在運行過程中，車輪或輪箍發(fā)生的突發(fā)性失效，經(jīng)常會導致行車事故。其事故原因可能與車輪或輪箍的制造質(zhì)量有關(guān)，也可能與使用單位漏檢有關(guān)。因此，對事故原因和責任進行失效分析的同時，還需要分析失效過程的發(fā)展特點，以便找出事故的主要責任和直接根源。（三）失效分析的任務和要求三、車輪、輪箍失效分析2.非正常失效的原因分析

由于生產(chǎn)廠方在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量失控的情況而使不合格的車輪或輪箍投入使用出現(xiàn)失效；或在用的車輪或輪箍由于使用條件突變而出現(xiàn)的失效。此類失效的車輪或輪箍是行車安全的一大隱患，如不能及時發(fā)現(xiàn)，將給鐵路運輸造成不可估量的損失。如某車輪制造廠1998年生產(chǎn)的爐號為21002甲的一批車輪，由于生產(chǎn)工藝控制不當，出現(xiàn)了嚴重內(nèi)部冶金質(zhì)量問題，在使用中產(chǎn)生裂紋、掉塊等。為確保行車安全，該爐號的車輪一律追回更換。3.提高車輪和輪箍使用壽命和安全可靠性的失效分析

此類分析要求生產(chǎn)、檢修和使用單位對車輪和輪箍從制造、加工、組裝、檢修和使用過程發(fā)現(xiàn)的缺陷進行統(tǒng)計和失效分析，特別是要加強對失效原因的檢驗分析。從而促進車輪和輪箍產(chǎn)品質(zhì)量的提高，提高車輪和輪箍的使用壽命和安全可靠性。（三）失效分析的任務和要求三、車輪、輪箍失效分析4.缺陷危險性預測失效分析

產(chǎn)品存在的缺陷大致可分為三類：（1）危險性缺陷。會導致產(chǎn)品失效，且不可修復。（2）可修復缺陷。此類缺陷如不修復會導致產(chǎn)品加快失效，修復后可繼續(xù)使用，安全度提（3）安全缺陷。不會導致產(chǎn)品在正常使用條件下失效，因而不需修復。

車輪和輪箍的危險性預測是根據(jù)缺陷的位置、大小、形狀、運用受力分析、斷裂力學分析，以及以往車輪和輪箍失效分析的經(jīng)驗和事例等，確定缺陷屬于哪一類，從而采取針對性措施。5.仲裁性的失效分析

仲裁性的失效分析是為了查清產(chǎn)品失效責任的承擔者。這種分析在生產(chǎn)和使用部門對事故車輪或輪箍的事故原因和責任意見不一致時尤為重要。（四）失效分析的資料搜集三、車輪、輪箍失效分析

準確、及時、全面地掌握失效車輪或輪箍現(xiàn)場的第一手資料，對于明確事故責任有著重要意義。1、現(xiàn)場調(diào)查資料（1）失效事故發(fā)生（發(fā)現(xiàn))的時間、地點、經(jīng)過等。（2）失效部件的名稱、規(guī)格、型號、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時間、生產(chǎn)順號（爐號）等。（3）失效部件的裝用（檢修）單位、裝用時間、使用概況（包括車型或機型、裝載情況、運行公里、運行區(qū)間）等。（4）失效部件的損傷程度和損傷情況，現(xiàn)場周圍情況（拍照取證）。（5）了解相同部件的使用情況和失效歷史。（6）考慮失效部件的取樣部位和取樣方法，為檢驗做準備。（7）聽取各方面人員對失效部件的看法，包括失效的過程、原因，以及對采取的措施的看法和建議等。（四）失效分析的資料搜集三、車輪、輪箍失效分析2、背景資料（1）失效部件原始完整的制造、檢修記錄。（2）車輪或輪箍的制造工藝、供貨條件和產(chǎn)品質(zhì)量合格證書等。（3）客、貨、機車的檢修規(guī)程以及輪軸檢修組裝規(guī)則對車輪或輪箍的質(zhì)量要求。（4）失效部件的工作條件和受力狀態(tài)（輪軌接觸應力、制動力、車輪或輪箍殘余應力、運行速度等）。（5）車輪或輪箍的主要失效類型、失效分析案例及有關(guān)資料。（一）磨耗

磨耗是車輪、輪箍在使用中形成的主要損傷之一。在正常條件下，車輪、輪箍的使用壽命主要是由于磨耗到限而報廢的。隨著鐵路高速重載的發(fā)展，車輪、輪箍的磨耗日趨嚴重。影響車輪、輪箍磨耗的因素主要有以下幾個方面：1.由于輪軌相互作用及不同的運行狀態(tài)引起滾動、滑動摩擦而導致的車輪、輪箍磨耗。2.車輛載重和車輪黏著系數(shù)對車輪、輪箍的影響。3.車輪、輪箍的外形對磨耗的影響。4.車輪鋼的化學成分和組織對磨耗的影響。5.輪軌間硬度匹配的影響。四、車輪、輪箍主要損傷的形成原因（二）輪輞疲勞裂紋

輪輞裂紋若不及時發(fā)現(xiàn)，直接會導致崩輪事故，是當前客貨車行車安全的主要隱患。輪輞疲勞裂紋起源于輪輞內(nèi)部缺陷。當裂紋擴展到一定大小時，會觀察到在輪輞外側(cè)面的沿圓周方向裂紋或在踏面上橫裂紋，還可能發(fā)展到輪緣部位開裂。

輪輞裂紋產(chǎn)生的原因主要是在裂紋源處車輪鋼在冶煉過程中產(chǎn)生的大顆粒的鏈狀非金屬夾雜物。非金屬夾雜物與母材之間的彈性性能和熱性能間存在差異，在輪軌接觸應力作用下造成非均勻的應力場。四、車輪、輪箍主要損傷的形成原因（三）制動熱裂紋和擦傷1.制動熱裂紋

由于車輪踏面表層制動受熱引起應變疲勞，經(jīng)較少次數(shù)反復循環(huán)后就會萌生疲勞裂紋，這種裂紋稱之為熱裂紋。

當車輪被強烈制動時，踏面表層形成一受熱層，由于受熱層的熱膨脹受到輪輞冷金屬基體的約束，在受熱層內(nèi)產(chǎn)生周向壓縮應力。當應力達到車輪鋼的屈服極限時，受熱層局部產(chǎn)生塑性變形。隨著受熱層的冷卻，在受熱層內(nèi)產(chǎn)生了周向拉應力。以后每次制動都會重復應變過程，形成熱疲勞。四、車輪、輪箍主要損傷的形成原因（三）制動熱裂紋和擦傷2.擦傷車輪、輪箍擦傷是在停車或緊急制動時，由于輪軌間劇烈滑動摩擦使踏面形成橢圓形傷痕。摩擦產(chǎn)生的高溫使踏面金屬組織變硬變脆，在列車載荷多次作用下，較淺的擦傷可能由于與鋼軌的磨耗而消失，較深的擦傷可能發(fā)展成為踏面剝離。擦傷是車輪踏面常見的慣性缺陷。四、車輪、輪箍主要損傷的形成原因（四）剝離

剝離是車輪、輪箍在運用中由于熱機械作用或輪軌接觸疲勞作用而在踏面局部或圓周上產(chǎn)生的金屬剝落損傷現(xiàn)象。四、車輪、輪箍主要損傷的形成原因1.接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離是由于輪軌接觸面在接觸應力作用下，導致踏面表層金屬塑性變形及疲勞裂紋萌生和發(fā)展的破壞方式。

踏面塑性變形層的深度與輪軌接觸應力及材質(zhì)強度有關(guān)，當輪軌接觸應力超過材質(zhì)的接觸疲勞強度時，疲勞裂紋就會在變形層表面同時或先后萌生，同時沿變形流線方向深處發(fā)展；當踏面磨耗速率小于疲勞裂紋擴展速率時，則會在踏面形成疲勞剝離裂紋和剝離掉塊。（四）剝離2.制