人工缺陷對(duì)S38C車軸鋼疲勞極限的影響

,3,3

(西南交通大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院，2.牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 3.材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；4.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111； 5.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春130062)

0 引 言

我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)突破29 000 km，即將完成“八縱八橫”的建設(shè)規(guī)劃。經(jīng)過(guò)高速動(dòng)車組技術(shù)的引進(jìn)→消化吸收→創(chuàng)新過(guò)程，我國(guó)目前已形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組車輛體系。安全是高速鐵路運(yùn)營(yíng)的首要目標(biāo)，為此不僅要做好線路和車輛的生產(chǎn)制造質(zhì)量控制，還要制定合理的維護(hù)維修制度。車軸是高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，承載著車輛所有部件和旅客，并在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)車輛前進(jìn)。車軸采用損傷容限設(shè)計(jì)，一旦車軸斷裂，將會(huì)發(fā)生脫軌、側(cè)翻等重大事故，造成人員傷亡[1-3]。影響車軸疲勞強(qiáng)度的主要因素有裝配面的微動(dòng)疲勞、軸身刮擦與磕碰、異物沖擊以及局部腐蝕等。目前,我國(guó)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組車軸鋼主要包括EA4T(25CrMo4)鋼、30NiCrMoV12鋼和S38C鋼，有關(guān)低速車輛車軸和高速動(dòng)車組用EA4T車軸鋼和30NiCrMoV12鋼疲勞性能的研究較多[4-6]。但是，有關(guān)S38C車軸鋼疲勞性能的研究報(bào)道較少。研究表明，S38C鋼車軸多采用表面感應(yīng)淬火的方法提高抗微動(dòng)疲勞性能[7]，但是軸身的刮擦、磕碰和異物沖擊等局部破壞會(huì)造成車軸出現(xiàn)局部變形、材料損失或微裂紋，從而影響車軸的疲勞壽命和服役性能，并造成安全隱患。為此，作者分別采用布氏硬度計(jì)、電火花燒蝕方法在S38C車軸鋼疲勞試樣表面制造壓痕和電火花凹坑兩類人工缺陷，研究了含有不同尺寸人工缺陷試樣的疲勞極限，并與Murakami模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了不同人工缺陷對(duì)疲勞極限影響的差異，為S38C鋼車軸外物沖擊損傷評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為我國(guó)CRH2型動(dòng)車組用S38C車軸鋼，由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司提供，熱處理方式為表面感應(yīng)淬火+低溫回火，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示；該車軸內(nèi)部的基體組織如圖1所示，可見(jiàn)S38C車軸鋼組織為鐵素體和珠光體，珠光體中鐵素體片層和滲碳體片層相間排列，滲碳體片層筆直，片層厚度和片層間距均勻，表明S38C鋼的組織純凈均勻，沒(méi)有明顯的位錯(cuò)等晶體缺陷。

該動(dòng)車組用車軸為空心車軸，軸身段外徑約為190 mm，內(nèi)徑約為60 mm，在軸身內(nèi)外半徑中心處沿徑向截取如圖2所示的疲勞試樣。利用壓頭直徑為1.587 5 mm的布氏硬度計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)載荷(100,150,187.5,250 N)的方式在試樣中心壓制出不同尺寸的人工壓痕缺陷。采用電火花在試樣中心燒蝕出不同尺寸的電火花凹坑缺陷。為方便描述，下文將含有人工壓痕和電火花凹坑缺陷的疲勞試樣稱為人工壓痕試樣與電火花凹坑試樣。采用VKH-1000型超景深顯微鏡測(cè)量人工缺陷的幾何參數(shù)，計(jì)算缺陷在橫截面上的投影面積，具體尺寸見(jiàn)表3。采用VK-9710K型共聚焦顯微鏡觀察人工缺陷表面和截面形貌。

表1 S38C車軸鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of S38C axle steel (mass) %

表2 S38C車軸鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of S38C axle steel

圖1 S38C車軸鋼基體的TEM形貌Fig.1 TEM morphology of S38C axle steel substrate: (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖2 疲勞試樣的尺寸Fig.2 Dimension of fatigue specimen

表3 不同人工缺陷的幾何尺寸Table 3 Dimension of different artificial defects

采用 GPS-100 型電磁諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行拉壓疲勞試驗(yàn)，加載波形為正弦波，頻率為130～150 Hz，應(yīng)力比為-1，循環(huán)次數(shù)為5×106周次時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為疲勞極限。采用階梯法(每組有效試樣數(shù)為12～14 個(gè))測(cè)人工缺陷試樣的疲勞極限，同時(shí)與不含缺陷光滑試樣的進(jìn)行對(duì)比。利用JEOL-7001型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。在人工壓痕試樣壓痕處截取直徑為3 mm，厚度為1 mm的圓片，經(jīng)粗磨、細(xì)磨使厚度降至100 μm以下，然后在電解雙噴減薄機(jī)上減薄至約100 nm，電解液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% HClO4與質(zhì)量分?jǐn)?shù)85% CH3COOH組成，減薄電壓為25 V，減薄溫度為-20 ℃，之后用Tecnai F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)觀察人工壓痕底部的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 人工缺陷的表面與截面形貌

由于具有不同投影面積的同類人工缺陷的形貌類似，因此分別以投影面積為0.158 7 mm2的人工壓痕和投影面積為0.027 2 mm2的電火花凹坑為例，對(duì)缺陷的表面和截面形貌進(jìn)行觀察。由圖3可知：人工壓痕形狀規(guī)則，表面光滑，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，壓痕邊緣因受到擠壓而略有隆起，但并未發(fā)現(xiàn)材料堆積或開(kāi)裂現(xiàn)象；人工壓痕截面中未變形區(qū)域組織為典型的中碳鋼組織，即鐵素體網(wǎng)格包絡(luò)著珠光體，組織細(xì)小且分布均勻，而在壓痕形成過(guò)程中受到擠壓和拉伸作用的變形區(qū)域組織呈層疊狀，為片層狀鐵素體與珠光體。電火花凹坑表面粗糙，有燒蝕留下的痕跡，凹坑邊緣堆積著燒蝕產(chǎn)物；由凹坑截面形貌可看出凹坑表面較粗糙，存在很多因燒蝕而形成的微孔，燒蝕產(chǎn)物呈白色，硬度較高，推測(cè)主要由馬氏體、碳化物和殘余奧氏體組成[8-10]。

圖3 不同人工缺陷的表面與截面形貌Fig.3 Surface (a, c) and cross section (b,d) morphology of different artificial defects: (a-b) artificial indentation and (c-d) electronic discharge machined crater

2.2 疲勞極限

描述缺陷尺寸和試樣疲勞極限之間關(guān)系的經(jīng)典模型為Murakami方程[11-12]，其表達(dá)式為

(1)

式中：σ為缺陷試樣的疲勞極限；H為顯微硬度；S為缺陷在截面上的投影面積。

圖4 試驗(yàn)得到和計(jì)算得到不同人工缺陷試樣的疲勞極限與缺陷投影面積平方根之間的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of fatigue limit of different artificial defect specimens vs square root of defect projected area obtained by test and calculation

根據(jù)人工壓痕和電火花凹坑的尺寸，利用Murakami方程可計(jì)算出試樣的疲勞極限。試驗(yàn)得到，不含缺陷的光滑試樣的疲勞極限為250 MPa。由圖4可知：試驗(yàn)得到人工壓痕試樣和電火花凹坑試樣的疲勞極限均隨著缺陷投影面積的增加而降低，且在研究范圍內(nèi)，這兩種人工缺陷試樣的疲勞極限均呈線性降低趨勢(shì)；在缺陷投影面積相同條件下，試驗(yàn)得到電火花凹坑試樣的疲勞極限比人工壓痕試樣的低30 MPa左右，由Murakami方程計(jì)算得到的疲勞極限比試驗(yàn)得到的電火花缺陷試樣的僅低約20 MPa，但比試驗(yàn)得到的人工壓痕試樣的低約50 MPa。

2.3 疲勞斷口形貌

由于不同投影面積的同類人工缺陷試樣的斷口形貌類似，因此分別以投影面積為0.158 7 mm2的人工壓痕試樣和投影面積為0.027 2 mm2的電火花凹坑試樣的疲勞斷口為例對(duì)形貌進(jìn)行觀察，并選取光滑試樣的疲勞斷口進(jìn)行對(duì)比。由圖5可知：光滑試樣的疲勞斷口清晰地分為裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)；裂紋起源于試樣表面，呈放射狀擴(kuò)展，且當(dāng)裂紋擴(kuò)展面積達(dá)到截面面積的約30%時(shí)試樣斷裂，斷口未發(fā)現(xiàn)夾雜物等缺陷，具有明顯的疲勞輝紋和裂紋交互錯(cuò)層撕扯特征，為典型塑性材料的疲勞斷口形貌。當(dāng)引入人工壓痕后，試樣的表面完整性被破壞，疲勞裂紋源呈現(xiàn)多源特征，且分布在缺陷表面，其中主裂紋源在缺陷底部最深處，這是因?yàn)榇颂幱泻艽蟮膽?yīng)力集中；電火花凹坑試樣的斷口形貌和人工壓痕試樣的類似，不同的是沒(méi)有明顯的主裂紋源，凹坑表面不同微孔處形成的多個(gè)裂紋同步擴(kuò)展。

圖5 不同試樣疲勞斷口的整體形貌和裂紋源形貌Fig.5 Overall morphology (a, c, e) and crack source morphology (b, d, f) of fatigue fracture of different specimens: (a-b) smooth specimen; (c-d) artificial indentation specimen and (e-f) electronic discharge machined crater specimen

圖6 人工壓痕底部的顯微組織Fig.6 Microstructure of bottom of artificial indentation: (a) bright field image; (b) dark field image; (c) deformed pearlite and (d) deformed ferrite

2.4 顯微組織

為了更有效地分析人工缺陷對(duì)試樣疲勞極限的影響，選取投影面積為0.158 7 mm2的人工壓痕試樣為例，對(duì)其缺陷底部的顯微組織進(jìn)行觀察。由圖6可知：在明場(chǎng)像中人工壓痕底部的珠光體已發(fā)生彎曲變形，珠光體中的滲碳體已彎曲甚至斷裂，表明在壓痕形成過(guò)程中局部產(chǎn)生了剪切變形，同時(shí)鐵素體片層也因受到擠壓而變薄，鐵素體中位錯(cuò)墻將鐵素體分割形成亞晶粒和納米晶粒；在暗場(chǎng)像中已經(jīng)找不到完整的鐵素體、滲碳體板條，只觀察到尺寸200 nm左右的細(xì)小亞晶粒，其明暗襯度差表明亞晶粒取向具有很大的差異。對(duì)比原始基體組織可以發(fā)現(xiàn)，在壓痕形成過(guò)程中組織中形成了大量位錯(cuò)缺陷，造成位錯(cuò)強(qiáng)化，同時(shí)亞晶粒和納米晶粒的形成導(dǎo)致細(xì)晶強(qiáng)化，因此人工壓痕底部表面的強(qiáng)度提高并處于壓應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致表面起裂門(mén)檻值上升，推測(cè)這是造成其疲勞極限遠(yuǎn)高于Murakami方程計(jì)算值的原因。

電火花凹坑是在電極放電作用下，金屬材料發(fā)生液化-氣化而形成的缺陷，凹坑表面粗糙，無(wú)殘余壓應(yīng)力[13]，微米級(jí)的微孔分布在表面，這些微孔造成了局部的應(yīng)力集中，誘導(dǎo)疲勞裂紋的萌生，降低疲勞極限，同時(shí)在燒蝕過(guò)程中凹坑表面形成的硬脆層在一定程度上抑制了裂紋的萌生，小范圍提升了裂紋的起裂門(mén)檻值，這可能是造成試驗(yàn)值略高于Murakami方程計(jì)算值的一個(gè)原因。綜上可知，在作者研究的缺陷尺寸范圍內(nèi)，電火花凹坑試樣的疲勞極限可以用Murakami模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

(1) 疲勞裂紋從人工缺陷底部萌生，含人工缺陷疲勞試樣的疲勞極限較光滑疲勞試樣的低，且在研究范圍內(nèi)，人工壓痕試樣和電火花凹坑試樣的疲勞極限均隨著缺陷在橫截面上投影面積的增加而呈線性降低趨勢(shì)；在缺陷于橫截面上投影面積相同條件下，試驗(yàn)得到電火花凹坑試樣的疲勞極限比人工壓痕試樣的低30 MPa左右。

(2) 在缺陷于橫截面上投影面積一定時(shí)，人工壓痕試樣的疲勞極限試驗(yàn)值比由Murakami方程計(jì)算得到的高約50 MPa，這是由于壓痕處存在的大量位錯(cuò)與細(xì)小晶粒導(dǎo)致的；電火花凹坑表面粗糙，表面無(wú)殘余壓應(yīng)力，同時(shí)因燒蝕冷卻而形成的硬脆層可適當(dāng)抑制裂紋的萌生，導(dǎo)致電火花凹坑試樣的疲勞極限僅比計(jì)算值高約20 MPa，含該類缺陷試樣的疲勞極限可由Murakami方程進(jìn)行近似預(yù)測(cè)；標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣表面所含人工缺陷的種類會(huì)極大影響其疲勞極限，且影響程度與人工缺陷對(duì)表面的改變程度相關(guān)。