國產(chǎn)EA4T車軸鋼的缺口疲勞性能

景啟明，曲順德，季亞奇，韓維新，王群娣，趙興龍

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；2.太原重工股份有限公司，太原 030024)

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國產(chǎn)EA4T車軸鋼的缺口疲勞性能

景啟明1，曲順德1，季亞奇1，韓維新1，王群娣2，趙興龍2

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；2.太原重工股份有限公司，太原 030024)

摘要：在國產(chǎn)EA4T車軸鋼上截取光滑和缺口疲勞試樣，按照EN13261-2009標(biāo)準(zhǔn)測試了其旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能，并觀察了斷口形貌。結(jié)果表明：國產(chǎn)EA4T車軸鋼的光滑和缺口疲勞強(qiáng)度均滿足EN13261-2009的要求，缺口試樣的疲勞強(qiáng)度比光滑試樣的低30%左右；光滑試樣的裂紋萌生于試樣表面，呈單源開裂，缺口試樣的裂紋萌生于缺口根部，呈多源開裂；未斷缺口試樣的缺口根部存在非擴(kuò)展性裂紋。

關(guān)鍵詞：EA4T車軸鋼；旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；缺口；非擴(kuò)展裂紋

0引言

EA4T車軸鋼廣泛應(yīng)用于制造高速列車及城軌車輛的車軸。車軸在實(shí)際使用過程中主要承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷，同時(shí)常因?yàn)轱w砂等外在因素導(dǎo)致輪座部位產(chǎn)生微動損傷，引起局部應(yīng)力集中，因此在選材與車軸設(shè)計(jì)制造的過程中除了要考慮車軸的疲勞極限外，還應(yīng)該考慮車軸鋼的缺口敏感性。在實(shí)際檢測中常用光滑試樣和缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能作為車軸抗疲勞性能和抗裂性能的重要指標(biāo)[1]。歐洲EN13103和EN13104標(biāo)準(zhǔn)對車軸設(shè)計(jì)方法和程序做了詳細(xì)的規(guī)定，根據(jù)整軸疲勞極限與EA4T鋼安全系數(shù)(S)來確定許用應(yīng)力，而小比例試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限是計(jì)算安全系數(shù)的重要參數(shù)。

國內(nèi)外有關(guān)車軸疲勞性能的研究有很多，包括應(yīng)力強(qiáng)度因子對車軸疲勞性能的影響、疲勞極限與車軸設(shè)計(jì)[2-3]、小比例試樣圓周表面的局部缺口對疲勞極限的影響[4]、國產(chǎn)鋼種LZ50及45鋼的疲勞性能研究等[5-6]。然而歐洲EN13261-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的缺口試樣缺口圓弧半徑(R)為0.04 mm，深度0.1 mm，該缺口難以加工和檢測，因而采用該缺口試樣進(jìn)行國產(chǎn)車軸鋼疲勞性能的研究并不多。

因此，作者研究了國產(chǎn)EA4T車軸鋼小比例試樣缺口疲勞性能，采用缺口圓弧半徑為0.04 mm的試樣，測試分析了其疲勞極限和斷口形貌，通過ANSYS有限元軟件計(jì)算了試樣的缺口應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)，并檢測了疲勞試驗(yàn)后未斷裂試樣缺口根部的顯微組織。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用車軸由太原重工股份有限公司提供，以國產(chǎn)EA4T車軸鋼為材料,按照EN13261-2009標(biāo)準(zhǔn)制造。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣從車軸輪座靠近軸身表面的部位截取，其化學(xué)成分見表1。

表1　車軸鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

EA4T車軸鋼的熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，靠近軸身外表面的顯微組織如圖1所示，為回火索氏體及貝氏體。力學(xué)性能滿足EN13261-2009標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度為732 MPa，屈服強(qiáng)度為586 MPa，伸長率為23.2%。

圖1　EA4T車軸鋼的顯微組織Fig.1　Microstructure of EA4T axle steel (Quench & Temper)

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)用光滑試樣尺寸如圖2所示；缺口試樣尺寸如圖3所示，參考EN 13261-2009標(biāo)準(zhǔn)，其缺口為環(huán)狀V形缺口，缺口張角為30°，深度為0.1 mm，底部曲率半徑為0.04 mm。

圖2　光滑試樣的形狀和尺寸Fig.2　Shape and size of smooth specimen

圖3　缺口試樣的形狀和尺寸Fig.3　Shape and size of notched specimen

利用PQ-1型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 4337-2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》，在室溫下采用四點(diǎn)加力進(jìn)行試驗(yàn)，加載頻率為5 000 r·min-1，應(yīng)力比R為-1，疲勞極限為加載循環(huán)107周次對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度；利用INSPECT F50型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣斷口形貌；采用OLMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　缺口應(yīng)力集中系數(shù)

利用ANSYS軟件，根據(jù)圖3的試樣尺寸建立有限元模型，加載方式為四點(diǎn)加力，加載應(yīng)力496 N，力臂40 mm，力矩19 840 N·mm。有限元模型采用solid95四面體單元進(jìn)行計(jì)算，Smartsize的網(wǎng)格劃分水平值采用5。缺口試樣的應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示，試樣平行段部位的應(yīng)力分布與實(shí)際受力狀態(tài)一致。圖5給出了缺口最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域應(yīng)力分布情況，越接近缺口根部區(qū)域，應(yīng)力越大，其中20606節(jié)點(diǎn)(箭頭位置)應(yīng)力760 MPa。由表3可知，模擬得到的缺口試樣最大等效應(yīng)力SEQU為793.05 MPa，

圖4　模擬得到缺口試樣的應(yīng)力分布云圖Fig.4　Simulated stress distribution for notched specimen

圖5　模擬得到缺口根部的應(yīng)力分布Fig.5　Simulated stress distribution at the notch root

力矩/(N·mm)名義計(jì)算應(yīng)力(缺口根部)/MPa名義計(jì)算應(yīng)力(軸身表面)/MPa模擬等效應(yīng)力(軸身表面節(jié)點(diǎn)44)/MPa模擬最大等效應(yīng)力(缺口根部)/MPaKt19840215202207.43793.053.69

根據(jù)最大等效應(yīng)力計(jì)算得到缺口試樣的缺口應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)為3.69。該結(jié)果與文獻(xiàn)[7]查表得到的應(yīng)力集中系數(shù)3.5～3.8相吻合。

2.2　疲勞斷口形貌

2.2.1光滑試樣疲勞斷口形貌

圖6　光滑試樣疲勞斷口的宏觀和SEM形貌Fig.6　Fracture macroscopic and SEM morphology of smooth specimen：(a) macro-morphology; (b) crack source; (c) fatigue striations and (d) instant rupture zone

由圖6(a),(b)可見，在360 MPa應(yīng)力下循環(huán)1.865×106周次時(shí)，光滑試樣的疲勞裂紋萌生于試樣表面(如箭頭所示)，為單源疲勞，這是因?yàn)樵嚇邮苄D(zhuǎn)彎曲載荷作用時(shí)，表面承受應(yīng)力最大。由圖6(c)可知，裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌主要為疲勞條帶，并且同一區(qū)域的條帶基本平行，不同區(qū)域的條帶不平行，同時(shí)還可以看出有二次裂紋的存在(如箭頭所示)。由圖6(d)發(fā)現(xiàn)瞬斷區(qū)為韌窩形貌，由于斷裂瞬間有劇烈變形，形成很大的臺階。瞬斷區(qū)位于裂紋源區(qū)的對面，由于受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用，沿著與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向偏向疲勞源。2.2.2缺口試樣疲勞斷口形貌

由圖7可見，在260 MPa應(yīng)力下循環(huán)1.64×105周次時(shí)，缺口試樣的疲勞斷口形貌與光滑試樣的相差較大。缺口試樣的裂紋萌生于缺口根部，這是因?yàn)槿笨诟坑泻艽蟮膽?yīng)力集中。與光滑試樣單源開裂不同，缺口試樣在缺口根部有多個(gè)裂紋源，如圖7(a)所示，為多源開裂；疲勞裂紋源大多不在一個(gè)平面上，又形成了臺階,如圖7(b)箭頭所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌特征是明顯的疲勞條帶，與光滑試樣的相比，缺口試樣沒有觀察到明顯的二次裂紋，瞬斷區(qū)的特征為韌窩。

2.3　旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

按照GB/T 24176-2009 《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》，采用升降法求得光滑試樣的疲勞極限為350 MPa，缺口試樣的疲勞極限為241 MPa，均達(dá)到了EN13261-2009標(biāo)準(zhǔn)要求。采用升降法測試結(jié)果如圖8所示。缺口試樣的疲勞極限比光滑試樣的降低30%左右,說明缺口處應(yīng)力集中對疲勞極限造成巨大的損失，缺口對于車軸的疲勞壽命影響很大。

2.4　缺口試樣上的非擴(kuò)展性裂紋

選取加載應(yīng)力240 MPa，循環(huán)107周次未斷的缺

圖7　缺口試樣疲勞斷口的宏觀和SEM形貌Fig.7　Fracture macroscopic and SEM morphology of notched specimen(a) macro-mophology; (b) crack source; (c) fatigue striations and (d) instant rupture zone

圖8　小比例試樣的疲勞試驗(yàn)升降圖Fig.8　Staircase graphs for fatigue test of small specimen：(a) smooth specimen and (b) notched specimen

圖9　未斷試樣缺口根部的非擴(kuò)展裂紋微觀形貌Fig.9　Micro-morphology at notch root of non propagating cracksin the non-fracture specimen

口試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察缺口根部顯微形貌，發(fā)現(xiàn)缺口根部有裂紋存在，如圖9中箭頭所示。裂紋長度為58.8 μm，符合物理短裂紋的定義(長度小于0.5～1 mm)[8]。經(jīng)過107周次應(yīng)力加載循環(huán)，該裂紋未擴(kuò)展。對于有尖銳缺口的疲勞試樣，缺口根部局部區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度范圍超過裂紋萌生門檻值后產(chǎn)生小裂紋，而在相同名義應(yīng)力下，小裂紋具有比長裂紋高的多的擴(kuò)展速率，擴(kuò)展一段距離后，由于閉合作用，小裂紋停止擴(kuò)展，形成非擴(kuò)展裂紋[9-10]。疲勞試樣的V形缺口半徑為0.04 mm，具備產(chǎn)生非擴(kuò)展裂紋的必要條件。裂紋形核可以在疲勞極限以下的較低應(yīng)力下發(fā)生，產(chǎn)生在缺口根部的應(yīng)力集中區(qū)域。

非擴(kuò)展性裂紋現(xiàn)象已經(jīng)有很多理論解釋，其中由Elber提出的塑性誘發(fā)的裂紋閉合理論認(rèn)為，只有施加應(yīng)力大于張開應(yīng)力(σop)時(shí)，裂紋才能完全張開；當(dāng)卸載時(shí)，施加應(yīng)力小于閉合應(yīng)力(σcl)時(shí)，裂紋開始閉合。裂紋只有在完全張開之后才能擴(kuò)展，所以應(yīng)力循環(huán)中只有循環(huán)最大應(yīng)力(σmax)大于σop部分對疲勞裂紋擴(kuò)展有貢獻(xiàn)。若σmax≤σop，則裂紋將不擴(kuò)展。實(shí)際裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的過程中，將在裂紋面附近產(chǎn)生塑性變形區(qū)。變形區(qū)的材料，由于塑性變形而產(chǎn)生了不可恢復(fù)的伸長。卸載時(shí)，變形區(qū)外材料的彈性變形要恢復(fù)，而變形區(qū)內(nèi)發(fā)生過塑性變形的材料卻不可能協(xié)調(diào)地恢復(fù)以適應(yīng)彈性變形部分材料的收縮。因此裂紋面將發(fā)生閉合(至少是部分閉合)才能滿足變形的協(xié)調(diào)。卸載時(shí)裂紋面附近存在的壓應(yīng)力是通過裂紋面?zhèn)鬟f的，只有裂紋表面閉合才能傳遞這種壓力[11]。

3結(jié)論

(1) 國產(chǎn)EA4T車軸的光滑試樣和缺口試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限均滿足EN13261-2009的要求；缺口試樣的疲勞極限比光滑試樣的低30%左右。

(2) 光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞裂紋萌生于試樣表面，呈單源開裂，而缺口試樣的疲勞裂紋萌生于缺口根部，呈多源開裂；兩種試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)都有明顯的疲勞條帶，瞬斷區(qū)均為韌窩形貌。

(3) 通過ANSYS模擬計(jì)算，符合EN13261標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞試樣缺口應(yīng)力集中系數(shù)為3.69。

(4) 經(jīng)過107周次疲勞作用，由于應(yīng)力集中，未斷裂缺口試樣的缺口根部可以觀察到非擴(kuò)展性裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏安安，紀(jì)熙，李艷斌，等.帶缺口構(gòu)件疲勞壽命的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2011，35(3)：1-3.

[3]MADIA M, BERETTA S, SCH?DEL M. Stress intensity factor solutions for cracks in railway axles[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2011, 78(5):764-792.

[4]張俊清，周素霞，謝基龍.缺口對車軸鋼疲勞性能的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34(4)：132-135.

[5]黃國，黃海明，王超，等. 45#車軸鋼疲勞性能試驗(yàn)研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2013, 35(4):71-76.

[6]何忠，姚偉偉. LZ50鋼車軸的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能[J].機(jī)械工程材料，2012，36(1)：94-96.

[7]PILKEY W D. Peterson′s Stress Concentration Factors[M]. Second Edition. New York: John Wiley & Sons Inc., 1997:123-123.

[8]SURESH S，RITCHIE R O.Propagation of short fatigue cracks[J].International Metals Reviews,1984，29(1)：445-475.

[9]HADDAD M H E，TOPPER T H，SMITH K N.Prediction of non propagation cracks[J].Engineering Fracture Mechanics,1979,11(3): 573-584.

[10]李鋒,何宇廷,范超華,等.疲勞小裂紋理論及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料，2007，31(11)：6-9.

Notch Fatigue Property of Domestic EA4T Axle Steel

JING Qi-ming1，QU Shun-de1，JI Ya-qi1，HAN Wei-xin1, WANG Qun-di2, ZHAO Xing-long2

(1.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;

2. Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

Abstract:The rotating bending fatigue property of smooth and notched specimens cut from domestic EA4T axle steel was tested according to the standard of EN13261-2009 and the fracture morphology was observed. The results show that the fatigue strength of the domestic EA4T axle steel met the requirements of EN13261-2009, and the fatigue strength of the notched specimen was 30% less than that of the smooth specimen; the rotating bending fatigue cracks initiated from a single source on the surface of the smooth specimen, while the cracks in notched specimen were originated from several points around the notch root; non propagating cracks were also observed at the notch root of the non fractured notched specimen.

Key words:EA4T axle steel; rotating bending fatigue; notch; non propagating crack

中圖分類號：TH117.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0106-05

通訊作者：韓維新研究員

作者簡介：景啟明(1988-)，男，湖北十堰人，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAG12A07-C02)

收稿日期:2014-07-29；

修訂日期:2015-08-28

DOI:10.11973/jxgccl201510023