低溫對EA4T車軸鋼疲勞性能的影響

尹鴻祥，吳 毅，張關(guān)震，李 翔，張澎湃，張 弘，李文博

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

車軸是高速動車組的關(guān)鍵部件，車軸斷裂極有可能造成動車組脫軌，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。根據(jù)歐洲鐵路公司（ERA）的鐵路安全性能報告的統(tǒng)計，平均約每5 000 萬km 運營里程發(fā)生1 次斷軸事故。斷軸事故調(diào)查分析表明，高周疲勞是車軸的主要失效模式［1］，尤其是車軸的低溫服役安全問題更是現(xiàn)階段高鐵車軸關(guān)注的重點。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，進行低溫環(huán)境下EA4T 車軸鋼疲勞性能試驗，旨在揭示高鐵車軸鋼在低溫環(huán)境下的疲勞損傷機理，為高鐵車軸低溫超長壽命預(yù)測和可靠性分析提供科學(xué)和試驗依據(jù)。

1 試驗材料和方法

車軸在服役過程中主要承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用。因此采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法，試驗設(shè)備為四連式懸臂梁型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機。試驗用疲勞小試樣取自動車組新造EA4T車軸軸身表面10 mm處，試樣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1，試樣尺寸如圖1所示。

表1 EA4T車軸鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 車軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣（單位：mm）

采用升降法確定疲勞極限：取第1 個應(yīng)力σ1≈0.5σb，其中σb為疲勞強度。如果材料疲勞循環(huán)至107周次仍未斷裂，那么停止試驗，增加應(yīng)力幅繼續(xù)進行試驗；如果材料壽命低于107周次，再降低應(yīng)力幅進行疲勞試驗。較高應(yīng)力水平按成組試驗法進行試驗：在確定材料疲勞極限后，應(yīng)力依次向上遞增進行疲勞試驗，直至材料疲勞壽命低于104周次。

使用JEL6010 型掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，判斷裂紋萌生位置和裂紋擴展方式。

使用Tecnai G2 F30 S-TWIN 型場發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡，觀察不同溫度下疲勞斷口附近精細(xì)組織。

使用USF-2000 型超聲疲勞試驗機進行車軸疲勞性能測試，試驗裝置中配置低溫環(huán)境箱，制冷方式為液氮制冷，通過電磁閥控制液氮流量來調(diào)節(jié)溫度。低溫環(huán)境箱工作溫度范圍為室溫～-180 ℃，控制精度為±2 ℃，載荷范圍為150～1 200 MPa。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 溫度對疲勞性能的影響

對室溫、-40 ℃和-80 ℃下的低溫疲勞性能進行測試，根據(jù)疲勞試驗結(jié)果，得到EA4T車軸鋼的S—N曲線如圖2 所示。由圖2 可以看出：EA4T車軸鋼在3 種試驗溫度下的疲勞壽命均位于104～107次范圍內(nèi)，曲線均由1段高應(yīng)力區(qū)的斜線和1段顯示疲勞極限的水平線組成；S—N曲線均表現(xiàn)為隨著應(yīng)力降低疲勞壽命逐漸增加，且疲勞數(shù)據(jù)分散性也隨應(yīng)力降低而增加；3 種溫度下S—N曲線斜線段斜率絕對值隨溫度降低而降低，表現(xiàn)出低溫下EA4T 的應(yīng)力敏感性與溫度成反比，溫度降低疲勞強度升高。所以相比于室溫環(huán)境，光滑試樣在低溫環(huán)境下裂紋形核需要消耗更長的循環(huán)周次。

圖2 EA4T 車軸鋼在室溫、-40 ℃和-80 ℃下的S—N 曲線對比

2.2 疲勞斷口觀察

對不同溫度不同應(yīng)力水平下疲勞斷口進行觀察，可發(fā)現(xiàn)斷口的典型特征相同，均分為裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)3 個不同的區(qū)域，因此僅以-80 ℃低溫環(huán)境下疲勞斷口為例，其在高應(yīng)力和低應(yīng)力下的疲勞斷口形貌如圖3 和圖4 所示。圖中：紅色圈內(nèi)為裂紋源。

所以，就中國目前的政治、社會條件而言，西方聯(lián)邦式徹底分權(quán)模式并不適合，這在當(dāng)前的基層民主選舉就能看得出，一點恩惠就能換取一張選票，導(dǎo)致基層政治治理乃至社會治理出現(xiàn)一些與現(xiàn)代治理大相徑庭的結(jié)果，特權(quán)乃至霸凌情況成為基層治理屢見不鮮的難題，就是例證。中國現(xiàn)代的民主意識、治理的傳統(tǒng)影響等，都不支持中國照搬西方聯(lián)邦式徹底的分權(quán)模式，必須探索適合中國特色的單一制國家“中央統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、地方授權(quán)執(zhí)行”的財政體制分權(quán)模式。

由圖3 可以看出：裂紋源區(qū)表現(xiàn)出高應(yīng)力多源萌生，裂紋從多個源區(qū)向內(nèi)部擴展；由于這些裂紋并不位于同一擴展面，隨著裂紋向內(nèi)部擴展，多個不同擴展面的裂紋匯聚在同一平面形成明顯襯度的“脊”。

圖3 高應(yīng)力下EA4T車軸鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口形貌（Nf=6.44×104次，σ=700 MPa）

圖4 低應(yīng)力下EA4T車軸鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口（Nf=5.32×106次，σ=520 MPa）

由圖4 可以看出：低應(yīng)力為單源萌生，裂紋從單一源區(qū)呈放射狀向試樣內(nèi)部擴展；疲勞源區(qū)位于表面，這與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣加載方式有關(guān)，因為應(yīng)力加載方向垂直于試樣軸向，所以軸向截面處并非均勻受力，最大應(yīng)力位于試樣表面處，且由表面向內(nèi)部逐漸降低。

試樣旋轉(zhuǎn)過程中，斷口2 端易發(fā)生相對運動產(chǎn)生摩擦。隨著裂紋向內(nèi)部擴展，疲勞源區(qū)逐漸被磨平形成光亮平面。裂紋擴展區(qū)面積隨應(yīng)力增大占斷口總面積比例逐漸增大，且均可以觀察到疲勞條帶，證明在-80 ℃～室溫溫度范圍內(nèi)裂紋擴展機制為滑移機制。瞬斷區(qū)多位于裂紋源區(qū)對側(cè)表面處，但隨應(yīng)力增加裂紋源區(qū)數(shù)量增多，瞬斷區(qū)逐漸由表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，瞬斷區(qū)典型特征均為韌窩。

2.3 疲勞斷口位錯組態(tài)觀察

由于-80 ℃～室溫下疲勞斷口宏觀與微觀形貌特征都十分相似，為了更深入地表征溫度對EA4T車軸鋼疲勞壽命的影響，制取不同溫度下疲勞壽命Nf=2×106次附近的近斷口橫斷面透射樣，分析溫度對疲勞損傷位錯結(jié)構(gòu)的影響。EA4T 車軸鋼在室溫下斷口附近典型位錯結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5（a）可以看出：室溫下回火馬氏體大多數(shù)的位錯都聚集在晶界處；匯聚在晶界處部分具有一致排列導(dǎo)向的位錯彼此形成滑移帶，部分與滑移帶取向不同的自由位錯同樣塞積在晶界處；隨著滑移帶在晶界處的形成和自由位錯在晶界處的塞積，兩部分取向不同的位錯相互纏繞、釘扎，形成了以回火馬氏體為中心的位錯墻。從圖5（b）可以看出，晶粒內(nèi)部存在一定數(shù)量取向不一的自由位錯。

圖5 室溫下EA4T車軸鋼斷口附近位錯結(jié)構(gòu)（Nf=2.00×106次，σ=350 MPa）

EA4T車軸鋼在-40 ℃下的斷口附近典型位錯結(jié)構(gòu)如圖6 所示。由圖6 可以看出：-40 ℃下，回火馬氏體內(nèi)部和晶界處位錯密度增加，形成位錯胞，但自由位錯數(shù)量減少，絕大部分位錯具有相同的取向，位錯之間的纏繞減少；回火馬氏體內(nèi)部位錯被嚴(yán)格限制在晶界內(nèi)，晶界內(nèi)可看到明顯駐留滑移帶，證明在室溫～-40 ℃溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度的降低，位錯的產(chǎn)生與擴展被限制在體心立方（bcc）晶格密排位向內(nèi)。

圖6 -40 ℃下EA4T 車軸鋼斷口附近位錯結(jié)構(gòu)（Nf =2.66×106次，σ=450 MPa）

EA4T車軸鋼在-80 ℃下斷口附近典型位錯結(jié)構(gòu)如圖7 所示。由圖7 可以看出：與-40 ℃相似，回火馬氏體內(nèi)部形成位錯胞，回火馬氏體晶粒內(nèi)部位錯絕大部分聚集在晶界處，呈階梯狀，宏觀位錯位相還保持原有的平行取向；大部分位錯發(fā)生垂直于原位錯方向的扭折。

室溫與低溫環(huán)境下EA4T車軸鋼斷口位錯結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別為隨溫度降低，位錯取向被嚴(yán)格限制在密排位相內(nèi)，晶粒內(nèi)部自由位錯數(shù)目減少，Hwang［20］在研究高碳奧氏體鋼的韌—脆轉(zhuǎn)變時發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，即18Cr-10Mn 奧氏體鋼在塑性變形時發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變且低溫下馬氏體中位錯傾向在晶格滑移面｛111｝內(nèi)平行排列，斷口表面大部分晶粒斷面傾向晶粒的密排面。Zhu［16］在研究高速列車輪輻材料低溫疲勞性能時也通過研究斷口表面晶粒取向發(fā)現(xiàn)，溫度從60 ℃降低至-60 ℃時，斷面晶粒取向為晶格滑移面｛110｝ 和｛112｝ 的比例逐漸升高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是塞積在相界或晶界處的位錯主要以滑移帶二次滑移和交滑移釋放塞積應(yīng)力，但由于溫度的降低，位錯向非密排位交滑移困難，導(dǎo)致裂紋在晶界處的萌生與擴展。然而裂紋難以穿過取向不同晶粒間晶界，所以位錯被嚴(yán)格限制在晶粒內(nèi)部，且隨著應(yīng)力的增大，傾向發(fā)生相鄰晶粒整體扭轉(zhuǎn)到相同取向，以便于裂紋穿過晶粒進一步擴展。

圖7 -80 ℃下EA4T 車軸鋼斷口附近位錯結(jié)構(gòu)（Nf =2.20×106次，σ=550 MPa）

而當(dāng)溫度較高時，屈服應(yīng)力較低，晶粒內(nèi)部位錯的產(chǎn)生和移動并非被嚴(yán)格局限于密排位相內(nèi)，直觀表現(xiàn)為晶粒內(nèi)部出現(xiàn)取向不同的自由位錯。隨著位錯的移動，不同取向的位錯塞積在界面處，產(chǎn)生相互間的纏繞與釘扎并逐漸形成了跨越界面的位錯胞，位錯胞內(nèi)的應(yīng)力集中誘發(fā)了小裂紋的萌生。

2.4 疲勞損傷機理

在近斷裂門檻值的低應(yīng)力強度因子區(qū)，疲勞裂紋擴展速率與溫度的關(guān)系主要由塑性變形熱激活過程控制。溫度與位錯克服短程障礙的熱激活自由能成反比，導(dǎo)致溫度降低時位錯運動的晶格間摩擦阻力增加，摩擦阻力、溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系為

式中：σf為摩擦阻力；ΔG0為熱激活自由能；V為熱激活體積；k為玻爾茲曼常數(shù)；為塑性應(yīng)變速率；為塑性應(yīng)變速率參數(shù)。

位錯運動發(fā)生時，必須克服晶格間摩擦阻力σf與晶體內(nèi)其他位錯應(yīng)力場對運動位錯的阻力σa，這2 個應(yīng)力的關(guān)系可近似看作簡單的加和關(guān)系，即材料的局部屈服應(yīng)力σy為

1983年，Johnson G R 和Cook W H 提出John?son-Cook 本構(gòu)模型，用來描述韌性材料高應(yīng)變率、大應(yīng)變對屈服應(yīng)力的影響，為

式中：A，B，C，m和n均為與材料本身有關(guān)的常數(shù)；ε為應(yīng)變；為應(yīng)變率；ε0為與應(yīng)變率有關(guān)參數(shù)；T?為與環(huán)境溫度成正比的無量綱溫度。

根據(jù)式（2）、式（3）均可以得出材料屈服應(yīng)力反比于環(huán)境溫度，即溫度降低屈服強度升高。位錯只能在受到應(yīng)力大于材料的局部屈服應(yīng)力時夠發(fā)生移動，所以位錯開動所需驅(qū)動力閾值隨溫度的降低而升高，直接表現(xiàn)為疲勞極限隨溫度的降低而升高。

哈爾濱至大連客運專線是目前世界上速度最快的高寒地區(qū)運營高鐵，冬季最低溫度為-36.5 ℃。事故分析表明，高寒地區(qū)車軸的疲勞損傷并不比溫度較高地區(qū)增加。這是由于光滑車軸在低溫條件下，疲勞強度升高，但沒有發(fā)生所謂的疲勞脆性。

3 結(jié) 論

（1）EA4T 車軸鋼應(yīng)力敏感性和溫度成反比。溫度降低，疲勞強度升高；在高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力一定時，溫度越低，疲勞壽命越長。高于-80 ℃條件下，EA4T 車軸材料低溫服役的疲勞性能優(yōu)良，不會出現(xiàn)延—脆轉(zhuǎn)變溫度，安全可靠。

（2）不同溫度下疲勞斷口典型特征相同，均分為裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)3 個不同的區(qū)域。裂紋源區(qū)表現(xiàn)為高應(yīng)力多源萌生，低應(yīng)力單源萌生。不同溫度下裂紋擴展機制均為滑移機制。

（3）隨著溫度的降低，典型位錯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。晶界處位錯由位錯墻向位錯胞轉(zhuǎn)變，晶內(nèi)位錯由自由位錯→駐留滑移帶→位錯扭折轉(zhuǎn)變。位錯取向被嚴(yán)格限制在密排位相內(nèi)，晶粒內(nèi)部自由位錯數(shù)目減少。

（4）材料微觀和宏觀屈服應(yīng)力均反比于環(huán)境溫度，即溫度降低時，位錯開動所需驅(qū)動力閾值升高，直接表現(xiàn)為疲勞極限的升高。