Оси колёсных пар, колёса, редукторы, тормозные диски и сварные узлы рам тележек подвижного состава годами работают под знакопеременными нагрузками и ударами, и их усталостная долговечность сильно зависит от микроструктуры материала, упрочнённых поверхностных слоёв и качества сварки. Поверхности осей, как правило, закаливают токами средней частоты для повышения изгибной усталостной прочности, ободы колёс упрочняют закалкой беговой дорожки, шестерни и высокопрочный крепёж получают нужное сочетание прочности и вязкости улучшением или цементацией; металлографический контроль — базовое средство приёмочных испытаний, типовых испытаний и анализа отказов этих деталей.
Типичные объекты контроля
- Оси из стали LZ50 (слой индукционной закалки токами средней частоты)
- Цельнокатаные колёса из стали CL60 (закалка обода и беговой дорожки)
- Шестерни редукторов из 20CrNiMo, 18CrNiMo7-6
- Поковки валов тяговых электродвигателей и муфт из 42CrMo
- Тормозные диски из чугуна с вермикулярным графитом / литой стали
- Сварные узлы рам тележек из Q355
- Высокопрочные крепёжные болты класса 10.9
Трудности контроля
- Глубина индукционно закалённого слоя оси неравномерна по окружности и в переходных зонах галтелей — необходим отбор в нескольких местах, а эффективную глубину упрочнённого слоя следует определять методом твёрдости;
- Резкий структурный градиент между закалённым мартенситом обода и перлито-ферритной сердцевиной колеса ведёт к рельефу и остаточным царапинам при шлифовке и полировке;
- Сварной узел объединяет три зоны с разными свойствами — основной металл, зону термического влияния и шов — с разной чувствительностью к травителям, и одно приготовление образца должно проявить структуру всех зон;
- Материалы осей и колёс крайне чувствительны к неметаллическим включениям: полировка не должна приводить к их выпадению с образованием «кометных хвостов» и ошибочным оценкам;
- Отбор от крупногабаритных деталей ограничен, а тепло резки может замаскировать исходную структуру — нужны малая подача и обильное охлаждение.
Рекомендуемый маршрут приготовления образцов и контроля
По GB/T 5617 поперечные образцы вырезают на теле оси, на галтели и в переходных зонах на мокром отрезном станке с корундовым кругом, с малой подачей и обильным охлаждением; холодная запрессовка (низкоусадочной эпоксидной смолой) защищает упрочнённые кромки. Шлифовка SiC-бумагами от P240 до P2000 с поворотом на 90° на каждом шаге; черновая полировка алмазной суспензией 9 и 3 мкм, точная — 1 мкм; для образцов на включения финиш — короткая полировка 0.05 мкм коллоидным кремнезёмом. После травления 4% ниталом структуру и границы зёрен наблюдают в металлографическом микроскопе при 100–500×, включения оценивают по эталонным диаграммам GB/T 10561 в светлом поле; микротвердомер Виккерса при HV0.5 измеряет радиальный градиент твёрдости, и эффективная глубина упрочнённого слоя определяется по пределу 550 HV; сварные узлы дополнительно проверяют макротравлением на глубину проплавления, непровары и другие дефекты.
Ссылочные стандарты
- GB/T 5617 Определение эффективной глубины упрочнённого слоя стали после индукционной или пламенной закалки
- GB/T 13298 Методы металлографического исследования микроструктуры металлов
- GB/T 10561 Сталь. Определение содержания неметаллических включений. Микрографический метод с использованием стандартных диаграмм
- GB/T 6394 Металлические материалы. Определение средней величины зерна
- ISO 4967 Сталь. Определение содержания неметаллических включений. Микрографический метод с использованием стандартных диаграмм
Приведенные методы и параметры — пример применения для обсуждения методики, а не фиксированный технологический рецепт; фактический маршрут приготовления образцов, травители и приёмочные показатели подтверждают с учётом материала, размеров и цели контроля конкретного образца.
Типовые сценарии контроля
Effective case depth measurement of a medium-frequency induction-hardened LZ50 axle
- Сложные случаи
- The induction hardened layer varies in depth along the axle body, shoulder and fillet transition, and the boundary between quenched martensite and the pearlite-ferrite core is indistinct at some positions, making the metallographic method alone unreliable; as the axle is a large safety-critical part with limited sampling, one specimen must serve both metallographic and hardness methods.
- Методика подготовки и контроля
- Cut transverse specimens at the axle body and fillet transition on a wet abrasive cut-off machine with an alumina wheel, low feed and ample cooling to prevent tempering of the case. Cold mount in low-shrinkage epoxy to protect the surface edge. Grind with SiC papers from P240 to P2000, rotating 90° between steps, then polish with 9 μm and 3 μm diamond and finish with 1 μm. After etching with 4% nital, observe the case martensite, transition zone and core in bright field at 100–400× and preliminarily estimate the depth metallographically; then measure the radial hardness profile with a micro-Vickers tester at HV0.5, determine the effective case depth by the hardness method per GB/T 5617, and issue the verdict after rating the martensite level against the standard charts.
- Ссылочные стандарты
- GB/T 5617 Determination of effective depth of hardening after induction or flame hardening of steel; GB/T 13298 Metallographic examination methods for metals; GB/T 10561 Steel — Determination of content of non-metallic inclusions — Micrographic method using standard diagrams
Metallographic examination of a Q355 bogie frame welded joint
- Сложные случаи
- A welded joint consists of base metal, HAZ and weld metal with very different structures and etching sensitivity, and one preparation must reveal all zones clearly; lack of fusion, lack of penetration and slag inclusions may exist at the weld root, and polishing scratches or uneven etching can easily mask fine defects; coarse- and fine-grained HAZ regions adjoin each other, so grain size must be rated zone by zone.
- Методика подготовки и контроля
- Cut a full-section specimen covering base metal, HAZ and weld metal normal to the weld on a wet cut-off machine with a diamond or alumina wheel and ample cooling; cold mount upright. Grind with SiC papers from P240 to P2000, polish with 9, 3 and 1 μm diamond, and finish with a short 0.05 μm colloidal silica polish. First macro-etch (hot or cold acid etching) to reveal weld macro-morphology and the fusion line, then etch with 4% nital per GB/T 13298 and observe weld columnar grains, the coarse-grained HAZ and base metal in bright field at 50–500×, using dark field for non-metallic inclusions if needed; measure micro-Vickers hardness at HV0.5 point by point across base metal, HAZ and weld, and judge the joint's structure and hardness against the specified limits.
- Ссылочные стандарты
- GB/T 13298 Metallographic examination methods for metals; GB/T 6394 Determination of average grain size of metals; GB/T 4340.1 Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test method
LZ50 steel axle with mid-frequency induction-hardened layer
- Сложные случаи
- The hardened layer varies in depth across the journal body, shoulder and fillet transition, requiring multi-position evaluation; the steep hardness gradient between the martensitic case and the core means the effective case depth must be defined by the hardness method; the axle is a large critical component, so sampling locations are limited and cutting heat could introduce tempering artefacts.
- Методика подготовки и контроля
- Take transverse sections from the axle body, shoulder and fillet transition on a wet abrasive cut-off machine (alumina wheel) at low feed with ample coolant; cold mount in low-shrinkage epoxy to protect the hardened edges. Grind with SiC papers from P240 to P2000, rotating 90° between steps; rough polish with 9 μm and 3 μm diamond and finish with 1 μm. After a light 4% nital etch, examine the case martensite, transition zone and core at 200–500×; then run a radial micro-Vickers profile at HV0.5 and define the effective case depth at 0.8× surface hardness (or 550 HV) per GB/T 5617, rating the martensite level and core banding.
- Ссылочные стандарты
- GB/T 5617 Determination of effective case depth of steel parts after induction or flame hardening; GB/T 13298 Metallographic method for microstructure inspection of metals; GB/T 4340.1 Metallic materials — Vickers hardness test
Q355 bogie frame weld joint
- Сложные случаи
- The joint combines three zones with different properties — base metal, heat-affected zone and weld metal — that must be observed and hardness-mapped on the same section; the component is large so only small sections can be taken, and weld edges must be preserved; the heat-affected zone is narrow, so the hardness scan needs a fine step to capture hardening peaks.
- Методика подготовки и контроля
- Cut small transverse sections perpendicular to the weld axis on a precision cut-off machine with ample coolant; cold mount to protect the edges. Grind with SiC papers from P240 to P2000 and polish with 3 μm then 1 μm diamond. Macro-etch with 10% nital to reveal the bead contour, measure penetration and reinforcement, and check for lack of fusion, pores and other macro flaws; re-polish and lightly etch with 4% nital, then examine the base metal, coarse- and fine-grained heat-affected zones, fusion line and columnar weld metal at 100–500×; run a micro-Vickers line scan (HV0.5) across the fusion line at 0.1–0.5 mm steps, checking for HAZ hardening peaks against process limits.
- Ссылочные стандарты
- ISO 17639 Destructive tests on welds in metallic materials — Macroscopic and microscopic examination of welds; GB/T 2654 Hardness test methods for welded joints; GB/T 4340.1 Metallic materials — Vickers hardness test
Сценарии — примеры методик, а не отчёты заказчиков; режим определяется при оценке образца.
Учебные материалы MICROCRE · режим уточняйте по оценке образца и регламенту работ.