第7章车轴材料
提纲•
引言
•轮轴结构
•轮轴材料及性能
•轮轴的加工工艺
•轮轴的发展趋势
引言
车轴是高速列车的关键旋转和承载零部件，车体的重量依靠车轴是高速列车的关键旋转和承载零部件车体的重量依靠车轴承担和传递。

对列车的安全运行十分重要。

例子：
试验材料取自RD2 型表面开裂车轴。

该
车轴服役时间约为7 年零3 个月，裂纹
在车轴右端轴颈卸荷槽部位。

车轴材质
为LZ50 优质碳素钢。

0.54C，0.77Mn，0.23Si，0.09Cr，0.02 Ni，
0.011P，0.010S，0.01Cu。

轮轴的标准•欧洲的标准：UIC811/EN‐13104欧洲的标准
•美国标准AAR
•日本的标准：JISE4501
轴的承载能力与轮的直径存在定的比例关系，见下表。

轴的承载能力与轮的直径存在一定的比例关系，见下表。

轮轴结构
•轮轴的设计遵循的原则：轴重/轮径的比值轮轴的设计遵循的原则
一般在0.01‐0.02之
间，且随着速度
间且随着速度
的增加而降低。

机械结构及其设计•轮座突起
•车轴与轮毂之间为突悬组装
•轮座与轴身过渡圆弧的取值欧洲建议为ρ=0.1d
裂纹出现的位置及无损检测的必要性
设计方法
建立在力学基础上的结构设计原则：
•基于传统疲劳理论的许用应力法（结合有限元）
解决的基本问题：不同运行条件下轮轴压装过盈量及轮毂壁厚度尺寸；车轴镶入部的疲劳强度等。

建立在载荷谱的基础上，车轴的减重设计，例如空心轴的设计。

不同热处理状态下轴承钢的许用应力
轮轴材料及其性能
•日本标准：两个标准SFA55和SFA60，其中SPA60为日本标准其中
高速列车车轴用钢。

•欧洲标准：TGV标准A1N钢‐‐‐欧洲UIC811，寿命为700万公里。

曾采用CrMo钢和Ni Cr钢，但表面损伤效果不好。

‐
典型材料包括：EA1N,EA4T,34CrNiMo6
车轴钢的成分
50车轴钢
优势：相较40车轴钢，疲劳强度提高32%，抗断裂性能好。

，抗断裂性能好
轮轴加工工艺
表面中频（3kHz)淬火热处理
（表面感应加热，然后喷水冷
却）
车轴表面疲劳强度问题
表面滚压处理问题
1.熔炼：电炉或转炉熔炼；
熔炼电炉或转炉熔炼
2.钢锭轧制后再锻造成车轴；
3.调质处理(调质工艺为860℃油淬十550~680℃回火)，然后
质质艺为油淬十回火然进行半精加工，保留1mm(指直径)的精加工余量；
4.3kHz感应淬火和200℃的回火处理；
43kH℃的回火处理
5.对车轴进行0.7mm(指直径)的车削和0.22mm(指直径)的半
008mm(的精磨
精磨以及0.08mm(指直径)的精磨。

6.空心车轴还需进行镗孔加工，内表面加工精度要求高。

表面中频感应淬火处理
为了提高轴的疲劳强度，
对轴进行表面淬火，形成
马氏体硬化层。

注意：频率的影响
经过表面淬火，表面出现较高的残余压应力，而硬化层也较深。

经过表面淬火表面出现较高的残余压应力而硬化层也较深
C和G比较发现，经过3kHz处理的轴疲劳强度较10kHz 的高得多。

存在个安全值，12.6.
存在一个安全值，
随着交变应力次数的增加，应力强度因子存在曲线关系。

不同热处理方式，安全值的高低是不同的。

可值的高低是不同的可见，疲劳性能与组织状
态密切相关。

组织特征
•车轴表面为马氏体组织，逐渐过渡到贝氏体组织，4毫米车轴表面为马氏体组织逐渐过渡到贝氏体组织
处为细珠光体组织，再往内为铁素体组织，直至基体组织。

•高频淬火部位的硬度为HS55‐80；
•表层残余应力为588‐980MPa；
•恰当的滚压能够大幅提高轮轴的疲劳强度。

恰当的滚压能够大幅提高轮轴的疲劳强度
•非电解涂镀于压装部位，有利于提高疲劳强度。

轮轴的检修
•荧光和磁粉对轮座进行检测，再行组装。

荧光和磁粉对轮座进行检测再行组装
轮轴的发展趋势
•—空心车轴；
重载轮轴的轻量化空车轴
•高强度、低应力、低变形的车轮辐板外形；
举例车轴钢的韧性问题
‐108℃附近发生韧在发生韧
性的急剧降低。

夏比冲击试验：GB/T229‐1994
断口组织
裂纹问题
应力强度因子门槛值
谢谢！。