CL60車輪材料多軸疲勞壽命與損傷行為研究

摘要：為研究車輪材料拉－扭多軸疲勞壽命及損傷行為，利用MTS拉扭疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)開展拉－扭多軸疲勞試驗(yàn)，分析疲勞試樣斷口宏觀和微觀形貌、表面和剖面損傷等，探究載荷幅值對(duì)拉－扭多軸疲勞壽命及損傷的影響。結(jié)果表明：多軸疲勞壽命與載荷幅值成反比。疲勞試樣斷口由裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩個(gè)部分組成，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)大量放射性裂紋，微觀形貌為解理扇形河流花樣，為典型脆性斷裂；瞬斷區(qū)微觀下觀察到大量韌窩，載荷幅值越小韌窩越大，且其邊界越不明顯，由韌性斷裂特征向韌脆準(zhǔn)解理混合斷裂特征過渡。表面疲勞微裂紋平均寬度隨著載荷幅值的增大而減小，平均擴(kuò)展角度整體也呈減小趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：CL60車輪材料；多軸疲勞；疲勞壽命；損傷

中圖分類號(hào)：U270.33；TH114 "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""" """ doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.007

文章編號(hào)：1006-0316 （2025） 01-0044-08

Study on Multi-Axis Fatigue Life and Damage Behavior of CL60 Wheel Material

Abstract：To study the tension-torsional multi-axis fatigue life and the damage behavior of wheel materials， MTS tension-torsional fatigue test machine was used to carry out the tensile-torsion multi-axis fatigue test. The influence of the load amplitude on the tension-torsional multi-axis fatigue life and the damage ware investigated by analyzing the fracture macroscopic and microscopic morphology， the surface and the profile damage of fatigue samples. The analysis results show that the multi-axis fatigue life is inversely proportional to the load amplitude. The fracture of fatigue samples is composed of two parts： crack growth zone and transient fault zone. There are a lot of radioactive cracks in the crack growth zone， and the microscopic morphology is cleavage fan-shaped stream pattern， which is a typical brittle fracture. In the transient fault zone the smaller the load amplitude， the larger the dimple and the less obvious the boundary of the dimple， the transition from ductile fracture characteristics to mixed ductile and brittle quasi-cleavage fracture characteristics. The average width of surface fatigue microcracks decreases with the increase in the load amplitude， and the average growth angle decreases.

Key words：CL60 wheel material；multiaxial fatigue；fatigue life；damage

在近年來的發(fā)展中，高速鐵路和重載貨運(yùn)鐵路已在鐵路運(yùn)輸中占據(jù)越來越重要的地位[1-2]，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，其安全、高效運(yùn)營(yíng)不斷面臨新的挑戰(zhàn)[3]。隨著我國(guó)高速鐵路、重載鐵路的發(fā)展，無論是高速動(dòng)車組還是重載貨運(yùn)機(jī)車運(yùn)行時(shí)，車輪受到多軸載荷的影響，受力情況均非常復(fù)雜，車輪疲勞損傷問題日益嚴(yán)重[4]，因此，開展列車車輪材料多軸疲勞壽命及損傷行為的研究十分必要。多軸疲勞是指多向應(yīng)力或應(yīng)變作用下的疲勞。多軸疲勞損傷發(fā)生在多軸循環(huán)加載過程中，有兩個(gè)或三個(gè)應(yīng)力（或應(yīng)變）分量獨(dú)立地隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，這些應(yīng)力（應(yīng)變）分量的變化可分為同相位、非同相位和比例、非比例[5]。多軸疲勞損傷行為的研究關(guān)系著復(fù)雜加載條件下構(gòu)件的服役安全[6-8]。列車車輪在服役過程中同時(shí)承受交變拉伸、彎曲和剪切載荷的耦合作用[9]。張澎湃等[10]以車輪為載體，對(duì)主應(yīng)力法以及修正的Crossland疲勞準(zhǔn)則的適用性進(jìn)行了仿真分析。劉東[11]對(duì)車輪的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究，采用了三種不同的多軸疲勞準(zhǔn)則以全面評(píng)估車輪的疲勞性能。在多軸疲勞研究中，試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方式較為廣泛，現(xiàn)今多軸疲勞失效的微觀過程研究也受到越來越多的關(guān)注。劉辰辰等[12]對(duì)循環(huán)曲線與斷口形貌進(jìn)行綜合分析，對(duì)未腐蝕和原位腐蝕狀態(tài)下的多軸疲勞失效機(jī)制進(jìn)行了比較。崔浩仁[13]在高溫環(huán)境下研究應(yīng)力比與相位差對(duì)2A12-T4鋁合金多軸疲勞失效規(guī)律的影響，并對(duì)疲勞試樣斷口做了宏觀和微觀表征。Mccullough等[14]研究了兩種熱處理?xiàng)l件下的6061鋁合金材料，發(fā)現(xiàn)隨著載荷幅值的增加這兩種條件下的材料的多軸疲勞壽命均不斷減小。Zang等[15]對(duì)ER8車輪材料進(jìn)行了單軸和多軸的高頻疲勞試驗(yàn)，表征了疲勞斷口的形貌等，揭示了ER8車輪材料拉－扭多軸疲勞失效機(jī)理。

對(duì)于航空領(lǐng)域多軸疲勞微觀分析較為成熟，但對(duì)列車車輪的多軸疲勞斷口的探究相對(duì)較少。因此，本文通過不同載荷幅值的拉-扭多軸疲勞試驗(yàn)，探究載荷幅值對(duì)CL60車輪材料多軸疲勞壽命的影響，并分析試樣的斷口宏觀形貌、3D形貌、微觀形貌，以及試樣的表面宏觀形貌、裂紋擴(kuò)展情況等，闡釋不同載荷幅值下CL60車輪材料的多軸疲勞損傷行為，研究結(jié)果可為車輪多軸疲勞的研究提供理論指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用的材料為CL60車輪，材料的化學(xué)成分及如表1所示[16]。

材料的顯微組織如圖1所示，由均勻分布的鐵素體和珠光體混合組成，珠光體組織為片層狀滲碳體和鐵素體結(jié)構(gòu)。

試樣設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循GB/T 3075－2021[17]及GB/T 12443－2017[18]的規(guī)范。在符合上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)機(jī)的載荷量程以及試樣的夾持直徑、長(zhǎng)度范圍，設(shè)計(jì)了如圖2所示試樣。該試樣具體尺寸為：長(zhǎng)度125 mm，直徑15 mm，其中測(cè)試段長(zhǎng)度為10 mm，直徑為8.5 mm。為防止試樣在夾持端因應(yīng)力集中而受損，在試樣過渡處進(jìn)行圓弧處理，圓弧的半徑設(shè)定為100 mm。為保證測(cè)試段光潔度，加工試樣表面的粗糙度約為0.2 μm。試樣實(shí)測(cè)硬度為320 HV0.5。

試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為MTS拉扭疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)[19]。在加載過程中，采用正弦波等幅加載的方式，確保加載頻率為5 Hz?？刂品椒ㄉ?，實(shí)現(xiàn)軸向和切向的同時(shí)控制，軸向參數(shù)通過力控制，而切向參數(shù)則通過扭矩控制。

在應(yīng)力比和相位差一定情況下，開展不同載荷幅值的多軸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。通過赫茲接觸理論，計(jì)算列車軸重分別為21 t、23.5 t、25 t、30 t的最大接觸應(yīng)力，等效為試樣的軸向應(yīng)力，從而計(jì)算出試樣加載的軸向載荷（軸向載荷分別為44.1 kN、46.7 kN、48.1 kN、52.7 kN）；列車實(shí)際運(yùn)行中，輪軌摩擦系數(shù)為0.2～0.5，選擇摩擦系數(shù)為0.4（根據(jù)公式推導(dǎo)，摩擦系數(shù)等于應(yīng)力比），計(jì)算車輪所受切向力，等效為試樣的切向力，從而計(jì)算出試樣加載的切向載荷（切向載荷分別為37.5 N·m、39.7 N·m、40.9 N·m、44.8 N·m）。應(yīng)力比均為0.4，相位差均為0。

試驗(yàn)前后采用維氏顯微硬度儀（MVK-H21，日本）測(cè)量試樣表面硬度值。試驗(yàn)后利用超景深光學(xué)顯微鏡（OM）（KEYENCE VHX-6000，日本）觀察試樣斷口宏觀形貌和3D形貌，及試樣表面裂紋，并使用其輔助測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量疲勞斷口不同區(qū)域的面積；采用掃描電子顯微鏡（SEM）（Phenom Pro，荷蘭）觀察試樣斷口微觀形貌和試樣剖面損傷情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 載荷幅值對(duì)多軸疲勞壽命的影響

通過CL60車輪材料試樣拉－扭多軸疲勞試驗(yàn)，得到不同載荷幅值下的拉－扭多軸疲勞壽命，如圖3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，拉-扭多軸疲勞壽命隨載荷幅值的增大而減小，軸向載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN過程中，試樣的平均疲勞壽命從約194360循環(huán)周次減少到約43360循環(huán)周次。這是由于試樣的橫截面受正應(yīng)力和切應(yīng)力的共同作用，在多軸疲勞過程中，正應(yīng)力主要導(dǎo)致位錯(cuò)的滑移和聚集，而切應(yīng)力則促進(jìn)疲勞裂紋萌生，但驅(qū)動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展主要是正應(yīng)力[20-21]，因此，正應(yīng)力越大的試樣，多軸疲勞壽命越短，反之則越長(zhǎng)。

2.2 多軸疲勞損傷分析

2.2.1 斷口損傷宏觀分析

如圖4所示，通過觀察疲勞試樣的斷口OM形貌，發(fā)現(xiàn)整體形貌相對(duì)粗糙，由裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)2個(gè)部分組成。當(dāng)材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂時(shí)，由于上下兩部分發(fā)生分離，在斷口表面形成溝狀特征，指向瞬斷區(qū)，溝兩側(cè)的形貌呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。其中，面積較大的區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)（左側(cè)），顏色較亮，呈現(xiàn)大量放射性裂紋，疲勞裂紋以多裂紋源的形式萌生于試樣表面，從試樣表面向材料內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向指向試樣斷口中心，一些疲勞裂紋甚至擴(kuò)展到瞬斷區(qū)邊界處。面積較小的區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)（右側(cè)），顏色較深，存在一定數(shù)量的毛刺，大致成扇形，且觀察到扇形面積呈一定規(guī)律變化。

使用超景深的輔助測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量疲勞斷口瞬斷區(qū)的面積，如圖5所示，可知隨著載荷幅值增大，瞬斷區(qū)的扇形面積逐漸減小，軸向載荷幅值從44.1 kN 增大到52.7 kN過程中，疲勞試樣的瞬斷區(qū)面積從9.2 mm2減小到4.5 mm2。載荷幅值越小，試樣測(cè)試段的應(yīng)力、應(yīng)變也隨之越小，致使裂紋擴(kuò)展的速率減小，達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，由于應(yīng)力疊加效應(yīng)[22]，導(dǎo)致疲勞試樣斷裂，因此，瞬斷區(qū)的面積增大。

根據(jù)疲勞試樣斷裂情況，明顯可見試樣斷口的高度差不同。由每個(gè)載荷幅值下的疲勞斷口的3D形貌做等高線圖，如圖6所示。疲勞斷口等高線圖包括了裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)這2個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于左側(cè)和右側(cè)部分，可見左側(cè)區(qū)域相較于右側(cè)區(qū)域更高，即裂紋擴(kuò)展區(qū)高于瞬斷區(qū)（試樣另一段則相反）。軸向載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN過程中，裂紋擴(kuò)展區(qū)最高位置所在平面相較于瞬斷區(qū)最低位置所在平面的高度差從2900 μm 減小到2000 μm，因此，裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)的高度差隨載荷幅值增大而逐漸減小。各疲勞裂紋擴(kuò)展至連接在一起構(gòu)成斷裂面，由于載荷幅值越大，試樣表面產(chǎn)生的表面疲勞裂紋越多，各疲勞裂紋之間的距離越近，所以，斷口的高度差就越小，反之，則越大。

2.2.2 斷口損傷微觀分析

為了進(jìn)一步深入分析拉－扭多軸疲勞損傷機(jī)理，對(duì)疲勞斷口微觀形貌進(jìn)行了表征。疲勞斷口分界區(qū)域SEM形貌，如圖7所示，上側(cè)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，下側(cè)為瞬斷區(qū)，明顯可見兩個(gè)區(qū)域的微觀形貌不同，而且兩區(qū)域之間有清晰的分割線，因此，分別在高倍數(shù)下繼續(xù)觀察兩區(qū)域的微觀形貌。

疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌，如圖8所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)出大量垂直于斷口表面的裂紋。在高倍數(shù)下，可清楚的觀察到典型的解理扇形河流花樣，且單個(gè)的扇形河流花樣隨載荷幅值增大而減小。當(dāng)解理裂紋穿過晶界后，會(huì)在新的晶粒中的某一點(diǎn)開始萌生，從這一點(diǎn)開始，裂紋逐漸擴(kuò)展至整個(gè)晶粒，在這個(gè)晶粒內(nèi)部，河流花樣以裂紋源為核心，以扇形的方式向外擴(kuò)展，從而構(gòu)成了解理扇形，因此，判斷裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的脆性斷裂[23]。

疲勞斷口的瞬斷區(qū)SEM形貌，如圖9所示。瞬斷區(qū)也存在垂直于斷口表面的裂紋，但是裂紋數(shù)量明顯比裂紋擴(kuò)展區(qū)少。瞬斷區(qū)在高倍數(shù)下可觀察到撕裂棱和韌窩，韌窩隨載荷幅值減小而逐漸增大，韌窩邊界也越來越不明顯，且出現(xiàn)了一些準(zhǔn)解理小平面。由于瞬斷區(qū)分布大量韌窩和撕裂棱，故判斷瞬斷區(qū)為典型的韌性斷裂，但隨著載荷幅值減小，韌窩增大變淺，且出現(xiàn)一些準(zhǔn)解理平面，為韌脆準(zhǔn)解理混合斷裂特征。因此，隨著載荷幅值減小，瞬斷區(qū)的斷裂形式為韌性斷裂向韌脆準(zhǔn)解理混合斷裂過渡。

2.2.3 表面損傷

如圖10（a）所示，疲勞試樣斷后拼接吻合性較好，兩端斷口可近似完全對(duì)合在一起，因此沒有明顯的塑性變形。這是因?yàn)槎噍S高周疲勞在應(yīng)力控制條件下，由于應(yīng)力水平相對(duì)較低，循環(huán)加載過程中材料產(chǎn)生的變形相較于應(yīng)變控制下的多軸疲勞情況顯著更小，因此，不會(huì)出現(xiàn)由應(yīng)變硬化效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)化效果。另外，從圖10（b）可知，疲勞斷裂主裂紋附近的表面存在著大量的疲勞微裂紋，利用超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)微裂紋進(jìn)行如圖10（c）所示的裂紋寬度與角度統(tǒng)計(jì)，可進(jìn)一步分析多軸循環(huán)載荷對(duì)多軸疲勞損傷情況的影響。

表面微裂紋寬度與角度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示，軸向載荷幅值為44.1 kN時(shí)的表面疲勞微裂紋平均寬度約為1164.5 μm，平均擴(kuò)展角度約為38.5°。軸向載荷幅值為46.7 kN時(shí)的表面疲勞微裂紋以寬度較短、擴(kuò)展角度較小的方式存在，表面疲勞微裂紋平均寬度約為794.1 μm，平均擴(kuò)展角度約為32.9°。相比之下，軸向載荷幅值為48.1 kN時(shí)的表面疲勞微裂紋平均寬度更短，約為350.6 μm，平均擴(kuò)展角度也更小，約為21.8°。軸向載荷幅值為52.7 kN時(shí)的表面疲勞微裂紋平均寬度最短，約為252.2 μm，平均擴(kuò)展角度與48.1 kN時(shí)相差不多，約為22.2°。

由此可知，隨著載荷幅值的增大，表面疲勞微裂紋的平均寬度逐漸減小，表面疲勞微裂紋的平均擴(kuò)展角度整體成減小趨勢(shì)。另外，隨著載荷幅值的增大，表面疲勞微裂紋的數(shù)量逐漸增多，這是因?yàn)榍袘?yīng)力主導(dǎo)疲勞裂紋萌生，而載荷幅值越大時(shí)，試樣的切應(yīng)力也越大，因此，軸向載荷幅值為52.7 kN時(shí)，疲勞試樣的表面微裂紋最多。

2.2.4 剖面損傷

如圖10（c）所示A-A截面剖開疲勞試樣，探究表面微裂紋的剖面損傷情況，如圖12所示，由于應(yīng)力較低，不存在應(yīng)變硬化效應(yīng)所產(chǎn)生的強(qiáng)化效果，所以無塑性變形痕跡，微裂紋在剖面呈大角度向試樣中心擴(kuò)展。

剖面疲勞裂紋尺寸統(tǒng)計(jì)如圖13所示，由圖13（a）可知，只有少數(shù)剖面疲勞裂紋較長(zhǎng)，其余疲勞微裂紋深度普遍較短，基本集中在20 μm以下。由于疲勞擴(kuò)展壽命很短，占金屬材料疲勞壽命不足10%，短裂紋擴(kuò)展速率較慢，當(dāng)某些短裂紋擴(kuò)展到一定層度，即穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展的臨界值時(shí)，這些擴(kuò)展相對(duì)較深的短裂紋將快速擴(kuò)展成長(zhǎng)裂紋，至疲勞試樣斷裂失效，以至其他擴(kuò)展較淺的短裂紋沒有擴(kuò)展機(jī)會(huì)。由圖13（b）可知，剖面疲勞裂紋擴(kuò)展角度均大角度擴(kuò)展，隨載荷幅值增大，剖面疲勞裂紋平均擴(kuò)展角度呈增大趨勢(shì)，這也是載荷幅值越大的疲勞試樣斷口的高度差越小的原因之一。

3 結(jié)論

本文利用MTS拉扭多軸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)開展車輪材料拉－扭多軸疲勞試驗(yàn)，研究了載荷幅值對(duì)CL60車輪材料多軸疲勞壽命的影響，并分析了CL60車輪材料多軸疲勞損傷情況，得出以下結(jié)論：

（1）隨著載荷幅值的增加，正應(yīng)力不斷增加，正應(yīng)力驅(qū)使疲勞裂紋擴(kuò)展，從而多軸疲勞壽命逐漸減小，軸向載荷幅值為最大值52.7 kN時(shí)，平均疲勞壽命減小到約43360循環(huán)周次。

（2）疲勞試樣的斷口由裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)兩個(gè)部分組成。裂紋擴(kuò)展區(qū)存在大量放射性裂紋，向材料內(nèi)部擴(kuò)展，存在解理扇形河流花樣，為脆性斷裂。瞬斷區(qū)大致成扇形，且其面積隨載荷幅值增大逐漸減小，存在一些毛刺，微觀下觀察到大量韌窩，隨載荷幅值減小韌窩變大變淺，且其邊界越來越不明顯，由韌性斷裂向韌脆準(zhǔn)解理混合斷裂過渡。

（3）由于切應(yīng)力主導(dǎo)疲勞裂紋萌生，表面疲勞微裂紋的數(shù)量隨著載荷幅值增大而逐漸 增多。表面疲勞微裂紋的平均寬度隨著載荷幅值的增大而逐漸減小，載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN，平均長(zhǎng)度從1164.5 μm減小到"" 252.2 μm。表面疲勞微裂紋的平均擴(kuò)展角度整體也呈減小趨勢(shì)。

（4）只有少數(shù)剖面疲勞裂紋較長(zhǎng)，其余微裂紋深度普遍較短，基本集中在20 μm以下。剖面疲勞裂紋擴(kuò)展角度呈大角度擴(kuò)展，隨載荷幅值增大呈增大趨勢(shì)。

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