車鉤E級(jí)鑄鋼軸向等幅低周疲勞性能分析

田長亮，宋德晶，崔世海，王 皓

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

隨著鐵路貨車牽引總重和調(diào)車連掛速度的不斷提高，車鉤在服役中受到隨機(jī)的、交變的各種載荷的作用越來越大，車鉤的使用工況條件進(jìn)一步惡化，早期失效逐漸增多。車鉤主要失效方式再也不是以前的磨損失效，而主要是疲勞斷裂［1-7］。從疲勞壽命角度來看，車鉤的疲勞類似飛機(jī)起落架等此類零件的疲勞，屬于低周疲勞，即疲勞壽命在102~105次之間。目前我國鐵路貨車16號(hào)、17號(hào)車鉤用鋼采用低碳低合金鋼，其強(qiáng)度等級(jí)為E級(jí)鋼，含有Mn、Cr、Ni、Mo元素，其牌號(hào)為ZG25Mn?CrNiMo，通常采用淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，熱處理后的金相組織為回火索氏體［8］。鑒于車鉤產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命屬低周疲勞，因此，針對(duì)車鉤E級(jí)鑄鋼材料，從低周疲勞的視角入手，通過調(diào)質(zhì)熱處理獲得滿足AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的E級(jí)鑄鋼材料力學(xué)性能和微觀組織，采用INSTRON材料疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)E級(jí)鑄鋼材料開展低周疲勞性能基礎(chǔ)研究，為今后車鉤產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、升級(jí)換代及生產(chǎn)提供材料疲勞方面的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，為后續(xù)提高車鉤產(chǎn)品疲勞壽命研究提供參考和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

選用E級(jí)鋼鑄造基爾試棒［9］作為試驗(yàn)材料，采用光譜法進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)?；瘜W(xué)成分實(shí)測(cè)值及AAR成分范圍［10］見表1。采用箱式電阻爐通過調(diào)質(zhì)熱處理來改變鑄造材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得滿足AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的E級(jí)鋼力學(xué)性能和微觀組織，熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 E級(jí)鑄鋼材料設(shè)定溫度和時(shí)間熱處理工藝曲線

表1 試驗(yàn)用ZG25MnCr NiMo材料化學(xué)成分

1.1 力學(xué)性能

E級(jí)鑄鋼調(diào)質(zhì)處理后得到力學(xué)性能結(jié)果見表2，各項(xiàng)性能指標(biāo)均高出標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)度富余量較大。抗拉強(qiáng)度916 MPa，屈服強(qiáng)度822 MPa，-40℃溫度下V型缺口沖擊功平均值為34.7 J。

表2 E級(jí)鑄鋼材料力學(xué)性能及標(biāo)準(zhǔn)要求

1.2 顯微組織

E級(jí)鋼材料熱處理后的100倍和1 000倍金相組織圖片如圖2所示。由此可知，獲得了均勻的回火索氏體組織，放大到1 000倍時(shí)，可見板條特征明顯，近視呈現(xiàn)多邊形特征，滲碳體既分布于鐵素體晶界，也分布于鐵素體晶內(nèi)，熱處理效果較好。

圖2 E級(jí)鑄鋼調(diào)質(zhì)金相組織

2 軸向等幅低周疲勞試驗(yàn)

低周疲勞試驗(yàn)依照GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試樣尺寸如圖3所示。試樣在制備過程中，盡量使試樣表面在加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和加工硬化減至最小，車削過程中逐次減小切削深度和走刀量，并對(duì)試樣表面進(jìn)行拋光。

圖3 圓柱形光滑疲勞試樣圖

采用INSTRON 8802型液壓伺服材料疲勞試驗(yàn)機(jī)，正弦波控制軸向總應(yīng)變范圍，等幅拉—壓加載，使遲滯回線具有明顯的尖角。為防止試驗(yàn)中試樣發(fā)熱超過2℃，循環(huán)頻率設(shè)定為1.0 Hz。通過對(duì)E級(jí)鑄鋼材料進(jìn)行軸向等幅拉—壓應(yīng)變的低周疲勞試驗(yàn)，分別測(cè)定得到相關(guān)參數(shù)，參考文獻(xiàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合［11］，從而確定E級(jí)鑄鋼材料的Manson-Coffin方程、?ε/2-2N f雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線、循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線、塑性應(yīng)變—壽命雙對(duì)數(shù)曲線。

2.1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

疲勞破壞是由循環(huán)應(yīng)力引起的延時(shí)斷裂，機(jī)構(gòu)或試樣疲勞失效前的工作時(shí)間成為疲勞壽命。表3為E級(jí)鑄鋼在不同應(yīng)變幅下的低周疲勞循環(huán)周次的數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)下的?ε/2-2N f應(yīng)變-循環(huán)周次關(guān)系，即疲勞壽命曲線，如圖4所示。在?εp/2-2N f、?εe/2-2N f雙對(duì)數(shù)關(guān)系中，呈單調(diào)遞減特征，近似呈線性關(guān)系，表述了材料的疲勞壽命隨外加載荷增加而逐漸下降的規(guī)律。

表3 E級(jí)鑄鋼的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖4可知E級(jí)鋼材料疲勞過渡壽命2Nt為3 124次，疲勞過渡壽命2Nt與材料性能有關(guān)，一般來說，提高材料強(qiáng)度使2Nt左移，提高材料塑性和韌性使2Nt右移。因此，對(duì)于車鉤材料，則應(yīng)在保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上，盡量提高材料的塑性和韌性，使材料塑韌性對(duì)疲勞壽命貢獻(xiàn)起主要作用，提高低周疲勞壽命。

圖4 E級(jí)鋼的?ε/2-2N f雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線

2.2 循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

E級(jí)鋼車鉤材料應(yīng)變幅在0.3%時(shí)、0.423%時(shí)、0.50%時(shí)、0.60%時(shí)的滯后環(huán)曲線如圖5~圖8所示。由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步，使拉、壓加載線與卸載線不重合而形成封閉回線，這個(gè)封閉回線稱為滯后環(huán)［12］。滯后環(huán)的存在說明加載時(shí)材料吸收的變形功大于卸載時(shí)材料釋放的變形功，即有一部分加載功被材料所吸收，被材料吸收的也稱為材料的內(nèi)耗，其大小為回線的面積。在給定的應(yīng)變幅的條件下，滯后環(huán)則給出每次循環(huán)大約需要消耗的能量。

E級(jí)鑄鋼材料在不同的應(yīng)變幅控制下，滯后環(huán)的變化規(guī)律基本一致，隨著應(yīng)變幅的增加，塑性變形增大，滯后環(huán)面積變大。應(yīng)變幅為0.30%時(shí)滯后環(huán)面積最小，應(yīng)變幅為0.60%時(shí)滯后環(huán)面積最大，且在此應(yīng)變幅下已經(jīng)產(chǎn)生更大的塑性變形。滯后環(huán)的面積增大，說明材料在循環(huán)變形下消耗的能量增大。由圖5~圖8還可見，E級(jí)鋼材料在疲勞過程中出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，直至最后疲勞斷裂。

圖5 E級(jí)鋼應(yīng)變幅為0.30%時(shí)的滯后環(huán)曲線

圖8 E級(jí)鋼應(yīng)變幅為0.60%時(shí)的滯后環(huán)曲線

從應(yīng)力級(jí)別看，在應(yīng)變幅最大為0.60%時(shí)，最大應(yīng)力為753 MPa，在應(yīng)變幅為0.50%時(shí)，最大應(yīng)力為709 MPa，在應(yīng)變幅為0.423%時(shí)，最大應(yīng)力為702 MPa，在應(yīng)變幅為0.30%時(shí)，最大應(yīng)力為520 MPa，隨著應(yīng)變幅的逐漸降低，低周疲勞時(shí)的最大應(yīng)力逐漸降低。

圖6 E級(jí)鋼應(yīng)變幅為0.423%時(shí)的滯后環(huán)曲線

2.3 疲勞壽命計(jì)算

依據(jù)疲勞理論，應(yīng)力—疲勞壽命之間的關(guān)系為式（1）：

圖7 E級(jí)鋼應(yīng)變幅為0.50%時(shí)的滯后環(huán)曲線

圖9 車鉤E級(jí)鋼材料應(yīng)力—壽命雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線

由于拉、壓過程中不同樣品的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)及微觀缺陷不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散，但總體來看應(yīng)力—壽命關(guān)系仍滿足Manson-Coffin方程。經(jīng)計(jì)算可得到車鉤材料E級(jí)鋼的疲勞強(qiáng)度指數(shù)b與疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f見表4：

表4 車鉤E級(jí)鑄鋼材料疲勞強(qiáng)度系數(shù)與指數(shù)

圖10 車鉤E級(jí)鋼材料塑性應(yīng)變—壽命雙對(duì)數(shù)關(guān)系

經(jīng)計(jì)算可得到車鉤E級(jí)鑄鋼材料的疲勞延性指數(shù)c與疲勞延性系數(shù)ε'f見表5。

表5 車鉤E級(jí)鋼材料疲勞延性系數(shù)與指數(shù)

根據(jù)Manson-Coffin公式，式（4）：

將計(jì)算得到的參數(shù)b，σ'f，c，ε'f的數(shù)值代入式（4）中，從而得到E級(jí)鑄鋼Manson-Coffin方程為式（5）：

3 斷口分析

E級(jí)鑄鋼試樣在不同應(yīng)變幅下的疲勞試驗(yàn)后的疲勞斷口形貌圖片如圖11所示。觀察結(jié)果表明，鑄造E級(jí)鋼疲勞斷口由3部分組成，即裂紋源、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展瞬斷區(qū)。裂紋源均在試樣的表面，且有多個(gè)疲勞裂紋源存在，是疲勞裂紋萌生的發(fā)源地。全部斷口均顯示出擴(kuò)展區(qū)面積大，瞬斷區(qū)面積小，斷面粗糙不平坦，有明顯的撕裂棱的特征，說明試樣在疲勞試驗(yàn)過程中，裂紋向前擴(kuò)展需要消耗較多的能量，即韌性斷裂。

圖11 疲勞斷口SEM照片

4 結(jié)論

（1）E級(jí)鑄鋼材料疲勞過渡壽命2Nt為3 124次，疲勞過渡壽命2Nt與材料性能有關(guān)。對(duì)于車鉤材料，則應(yīng)在保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上，盡量提高材料的塑性和韌性，使材料塑韌性對(duì)疲勞壽命貢獻(xiàn)起主要作用，提高低周疲勞壽命。

（2）車鉤E級(jí)鑄鋼材料在應(yīng)變幅控制下隨著循環(huán)次數(shù)增加出現(xiàn)了循環(huán)軟化現(xiàn)象。

（3）通過對(duì)E級(jí)鑄鋼材料進(jìn)行軸向等幅拉—壓應(yīng)變的低周疲勞試驗(yàn)，分別測(cè)定得到相關(guān)參數(shù)，從而確定了E級(jí)鑄鋼的Manson-Coffin方程為：

（4）疲勞斷口照片表明，疲勞裂紋萌生具有多源性，全部斷口均顯示出擴(kuò)展區(qū)面積大，瞬斷區(qū)面積小的特征，斷面粗糙不平坦，有明顯的撕裂棱，說明在疲勞過程中裂紋擴(kuò)展需要消耗較多的能量。