基于High-Goodman耐候鋼腐蝕深度與疲勞強度關(guān)系研究

梁景恒 ， 王兆勛 ， 董園園 ， 陳俊宏 ， 張子博 ， 張 濤

（1. 中國兵器工業(yè)第五二研究所 煙臺分所有限責(zé)任公司 ，山東 煙臺 264003；2. 煙臺鐵中寶鋼鐵加工有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

伴隨著鐵路的快速發(fā)展以及高速列車舒適、高效率的乘車體驗，普速客運產(chǎn)品占比持續(xù)走低，但其在軌道交通貨物運輸領(lǐng)域和國民經(jīng)濟中仍發(fā)揮著重要作用。普速客運貨運產(chǎn)品一般有著較長的服役路線和服役時間，服役環(huán)境更加復(fù)雜，為使其在運營中保持性能良好、安全可靠，須定期進(jìn)行檢修[1-3]。

20世紀(jì)90年代以前生產(chǎn)的普速客車車體材料均為普通碳鋼，其材料耐蝕性差，因此，之后新生產(chǎn)的客車車體材料選擇以耐候鋼為主。隨著軌道客車速度等級的提高、運行區(qū)間的擴大及運營里程的增加，車輛的載荷工況更加惡劣，服役環(huán)境日趨復(fù)雜。車輛在運行過程中受到室外交變沖擊載荷、高溫高濕、嚴(yán)寒、海洋、風(fēng)沙等惡劣服役環(huán)境以及室內(nèi)積水腐蝕等的影響，仍然出現(xiàn)局部腐蝕甚至銹穿的問題，車輛公司需在廠維修期間用更耐蝕的材料對原腐蝕部位進(jìn)行挖補焊接修復(fù)，或者采用其他工藝進(jìn)行表面處理等[4-8]。關(guān)于腐蝕疲勞相關(guān)方面的研究較多，但是不同腐蝕深度對于車體結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響卻鮮有報道[9-11]。

本研究基于檢修期間問題車輛，從現(xiàn)車截取不同腐蝕深度的板材制成試樣開展疲勞強度測試，并通過有限元計算車體典型服役載荷下的車體結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力強度，借助High-Goodman圖來評價不同腐蝕深度后試樣疲勞強度與車體服役結(jié)構(gòu)疲勞強度的關(guān)系，獲得許用腐蝕深度指標(biāo)，為車輛檢修維護提供技術(shù)支持。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

現(xiàn)車側(cè)墻材質(zhì)為厚度2.5 mm的Q310NQL2鋼板，化學(xué)元素及力學(xué)性能見表1、表2。側(cè)墻的腐蝕模式為局部不均勻腐蝕+點蝕（圖1），借助超聲測厚儀從側(cè)墻截取平均腐蝕深度達(dá)到板厚10%、20%、30%、40%、50%的板材，篩選部位包含母材和焊縫，只按照剩余厚度進(jìn)行分組，再將其加工成疲勞試樣，使得腐蝕最深處位于試樣的標(biāo)距段內(nèi)。試樣尺寸見圖2。

圖1 腐蝕表面形貌Fig.1 Morphology of corrosion

圖2 疲勞試樣尺寸Fig.2 Size of fatigue specimens

表1 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of the material (mass fraction /%)

表2 材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the material

1.2 疲勞試驗

按照GB/T 3075—2021進(jìn)行大氣條件下的疲勞試驗，設(shè)備為高頻疲勞試驗機，應(yīng)力比R=0.1，全壽命為107次循環(huán)。試樣用游標(biāo)卡尺測量腐蝕嚴(yán)重部位的厚度作為面積輸入，疲勞后發(fā)生破壞的試樣斷口用體視顯微鏡觀察測量最深腐蝕深度。疲勞試驗結(jié)束后，計算不同腐蝕深度試樣的中值疲勞極限以及失效概率1%、置信度95%條件下的安全疲勞極限。

1.3 有限元分析

使用模擬軟件建立有限元模型并對車體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以任意四節(jié)點等參薄殼單元為主，三節(jié)點三角形單元為輔，單元類型為shell181[12]，如圖3所示。按照EN 12663—2010中規(guī)定的疲勞強度載荷工況進(jìn)行加載，計算構(gòu)架各測點在每一工況下的應(yīng)力值，找出最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin，計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅。車體的疲勞強度考核參考JIS E 4207—2019繪制的High-Goodman疲勞極限圖（圖4）。

圖3 有限元模型[4]Fig.3 Finite element model[4]

圖4 JIS E 4207 疲勞極限圖Fig.4 Fatigue limit figure from JIS E 4207

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同腐蝕深度試樣的疲勞試驗結(jié)果及分析

不同腐蝕深度試樣用升降法獲得試樣的疲勞強度，如圖5、表3所示。典型斷口的宏觀形貌如圖6所示。測量板材腐蝕后平均剩余厚度以及腐蝕坑處剩余厚度，結(jié)果見表3。從表3中可以看到，不同腐蝕深度的試樣中值疲勞極限應(yīng)力相差不大，較原始未腐蝕狀態(tài)下的試樣疲勞應(yīng)力強度下降約35%；計算得到的條件疲勞極限應(yīng)力在腐蝕深度30%以內(nèi)相對穩(wěn)定，超過30%腐蝕深度時，條件疲勞極限應(yīng)力隨著腐蝕深度的增加而有所下降。從圖6可以看到，試樣腐蝕為均勻腐蝕+局部點蝕，隨著腐蝕剩余平均厚度降低，腐蝕坑的深度從0.3 mm增加至0.5 mm，不同腐蝕深度的試樣疲勞破壞均萌生于點蝕部位，隨后擴展直至試樣失效。

圖5 不同腐蝕深度下升降法疲勞極限圖Fig.5 Fatigue limit figure of specimens with different corrosion depth

圖6 不同腐蝕深度下疲勞斷口形貌Fig.6 Morphology of specimens after fatigue test with different corrosion depth

表3 不同腐蝕深度試樣的疲勞極限Table 3 Fatigue limit properties of specimens with different corrosion depth

值得一提的是，截取腐蝕后的試樣部位包含母材和焊縫，疲勞破壞均萌生于點蝕坑處。試樣表面點蝕坑等應(yīng)力集中成為誘發(fā)疲勞裂紋的主要因素，與基體是母材或焊縫等無關(guān)，與試樣表面腐蝕狀態(tài)有直接關(guān)系。當(dāng)腐蝕深度從10%增加至30%時，腐蝕坑與基體剩余平均厚度相比深度約0.3 mm，升降法參與疲勞極限計算的數(shù)據(jù)有4級應(yīng)力水平；當(dāng)腐蝕深度從30%增加至50%時，腐蝕坑與基體剩余平均厚度相比深度增加至約0.5 mm，應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加，參與疲勞極限計算的數(shù)據(jù)有5級應(yīng)力水平。中值疲勞極限采用應(yīng)力平均值進(jìn)行計算，不同腐蝕深度試樣中值疲勞強度最大和最小值分別為腐蝕深度20%條件下的214 MPa和腐蝕深度50%條件下的205 MPa，兩者之差較未腐蝕狀態(tài)中值疲勞極限為2.8%，故其差異不大，說明該材料對于當(dāng)前缺陷敏感，但對其尺寸敏感程度較低。而計算得到的不同腐蝕深度試樣的條件疲勞極限最大和最小值分別為腐蝕深度20%條件下的189 MPa和腐蝕深度50%條件下的164 MPa，兩者之差較未腐蝕狀態(tài)條件疲勞極限為9.7%。這主要是由于隨著腐蝕深度的增加，腐蝕坑由于其獨特的復(fù)雜環(huán)境[13]使其腐蝕進(jìn)程加劇，繼而升降法測試過程中數(shù)據(jù)波動較大，計算出的條件疲勞極限差異也隨之增加。

2.2 剩余疲勞強度分析

參考JIS E 4207—2019繪制High-Goodman疲勞極限圖，Q310NQL2母材抗拉強度≥440 MPa，屈服強度≥310 MPa。參考JIS E4207—2019中同屈服級別的STKM18B材質(zhì)，其許用屈服強度為270 MPa，對應(yīng)的母材許用疲勞強度為155 MPa；焊接接頭平滑件許用疲勞強度為110 MPa，焊接接頭余高件許用疲勞強度為70 MPa。綜上所述的邊界條件，繪制成圖7所示的Q310NQL2材質(zhì)High-Goodman疲勞極限圖[14]。按照EN 12663—2010中規(guī)定的疲勞強度載荷工況進(jìn)行加載，獲得車體結(jié)構(gòu)點模擬計算的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)[8]輸入到圖7。由圖7可知，車體結(jié)構(gòu)點服役狀態(tài)下疲勞應(yīng)力均在High-Goodman疲勞極限內(nèi)部，說明原車體結(jié)構(gòu)強度滿足High-Goodman疲勞許用要求，材料實際的疲勞極限也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用需求。

圖7 基于High-Goodman疲勞極限圖Fig.7 Fatigue limit figure based on High-Goodman

試樣的腐蝕為均勻腐蝕+局部點蝕，均勻腐蝕使其厚度變薄，點蝕成為應(yīng)力集中點。在不考慮厚度尺寸效應(yīng)的前提下，預(yù)將其與有限元獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在保證載荷不變的情況下，需將其厚度損傷等比例換算成疲勞強度的降低，得到如表4所示的換算疲勞極限數(shù)據(jù)。

表4 不同腐蝕深度下試樣換算疲勞極限Table 4 Fatigue limit conversion properties of specimens with different corrosion depth

將換算后的疲勞數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖7的極限圖中，得到圖8所示的最終High-Goodman極限圖?？紤]到材料腐蝕后表面局部點蝕坑等應(yīng)力集中的影響，不適宜用材料及焊接接頭平滑件許用疲勞強度來進(jìn)行評價，故選取焊接接頭余高件許用疲勞強度作為邊界條件。從圖8可以看到，腐蝕深度達(dá)到30%的條件疲勞極限落在余高許用疲勞強度邊界上，說明基于High-Goodman疲勞極限圖對于材料的許用腐蝕深度為30%。但實際上車體服役過程中的結(jié)構(gòu)點疲勞應(yīng)力遠(yuǎn)低于該邊界條件，40%、50%腐蝕深度條件下尚未落在有限元模擬分析數(shù)據(jù)點內(nèi)，但50%腐蝕深度靠模擬計算數(shù)據(jù)區(qū)域很近，預(yù)測60%腐蝕深度疲勞極限將觸發(fā)疲勞安全閾值，給車體帶來疲勞失效危害。因此，車體在檢修過程中如果發(fā)現(xiàn)腐蝕深度超過30%時，需予以修復(fù)；若發(fā)現(xiàn)大量腐蝕深度超過50%的情況，需采用更耐蝕材料或者優(yōu)化涂裝和密封性能等來進(jìn)行預(yù)防。

圖8 基于High-Goodman換算后疲勞極限圖Fig.8 Fatigue limit conversion figure based on High-Goodman

3 結(jié)論

1）車體腐蝕部位的腐蝕模式為均勻腐蝕+局部點蝕，不同腐蝕深度的試樣疲勞破壞均萌生于點蝕部位。

2）不同腐蝕深度下的試樣中值疲勞極限應(yīng)力差異不大，較原始未腐蝕狀態(tài)下試樣疲勞應(yīng)力強度下降約35%。

3）車體材料基于High-Goodman疲勞極限圖的許用腐蝕深度為30%，超過50%腐蝕深度疲勞極限將觸發(fā)疲勞安全閾值，給車體結(jié)構(gòu)帶來疲勞失效危害。

4）在檢修過程中，如果發(fā)現(xiàn)腐蝕深度超過30%時需予以修復(fù)，若大量腐蝕深度超過50%，則需采用更耐蝕材料或者優(yōu)化涂裝和密封性能等來進(jìn)行預(yù)防。