異物致?lián)p缺陷對(duì)車軸腐蝕疲勞性能的影響

摘 要：車軸作為現(xiàn)代高速列車車輛的關(guān)鍵承載部件，承受源自車體與軌道外加載荷以及復(fù)雜環(huán)境的作用。列車高速運(yùn)行過(guò)程中，飛行物體撞擊造成的表面損傷是影響車軸疲勞性能的重要因素，該損傷削弱高速鐵路車軸的服役性能。同時(shí)，在腐蝕環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，由于雨水等的侵蝕作用，破壞了高速列車車軸表面完整性。因此，為了定性和定量評(píng)估該兩種因素對(duì)列車車軸服役性能的影響，本研究采用EA4T車軸為研究對(duì)象，通過(guò)空氣炮高速發(fā)射子彈在車軸表面引入異物沖擊缺陷，表征分析在異物高速撞擊下，車軸表面硬度以及殘余應(yīng)力的演變，進(jìn)而探索表面損傷以及腐蝕環(huán)境對(duì)車軸服役性能的影響。

關(guān)鍵詞：列車車軸 表面缺陷 腐蝕疲勞

隨著高鐵里程和速度的提升，列車關(guān)鍵部件面臨更嚴(yán)苛考驗(yàn)。因此，研究和優(yōu)化關(guān)鍵部件性能對(duì)保障列車安全運(yùn)行至關(guān)重要。鐵路車軸作為列車運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)通常為無(wú)限壽命設(shè)計(jì)[1]。然而，列車在高速運(yùn)行時(shí)，車軸表面易于遭受異物撞擊，從而破壞車軸結(jié)構(gòu)完整性，降低其服役性能[2-4]。研究表明，兩類材質(zhì)（EA4T和S38C）車軸表面損傷分為劃傷、磨損、銹蝕、裂紋、異物致?lián)p（FOD）五類。統(tǒng)計(jì)顯示，EA4T車軸FOD缺陷占比達(dá)47%，S38C車軸FOD缺陷占比43%?？梢?jiàn)，F(xiàn)OD是現(xiàn)代高鐵車軸的首要損傷形式[5-10]。該類損傷在車軸表面形成體積型凹坑，直接破壞材料完整性，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度顯著降低與服役壽命衰減。此外，在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)，這類損傷可加速裂紋擴(kuò)展進(jìn)程，甚至誘發(fā)斷軸事故，威脅行車安全。

Gao等[1]通過(guò)電火花加工、人工壓痕及鎢鋼球沖擊三種工藝模擬車軸表面缺陷，系統(tǒng)研究了缺陷類型對(duì)EA4T車軸鋼疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。Zabeen S等人[11]通過(guò)以200 m/s沖擊速度發(fā)射硬化鋼立方體模擬異物致?lián)p試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)異物沖擊引發(fā)的非均勻殘余應(yīng)力分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生一定影響。Rushau等[12]實(shí)驗(yàn)研究表明，異物沖擊角度顯著影響葉片高周疲勞強(qiáng)度，其中30°沖擊角下的疲勞損傷最為嚴(yán)重，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度達(dá)到極值。

此外，由于服役環(huán)境的可變性，鐵路車軸可能在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行（如潮濕的空氣和雨水環(huán)境），該環(huán)境因素提供了使結(jié)構(gòu)完整性破壞的條件，從而降低車軸疲勞性能[13-14]。腐蝕疲勞作為交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境耦合作用下的材料損傷與失效機(jī)制，其失效行為源于電化學(xué)腐蝕引發(fā)的表面完整性破壞與循環(huán)載荷驅(qū)動(dòng)的裂紋擴(kuò)展協(xié)同效應(yīng)。這種多場(chǎng)耦合作用顯著降低了材料的疲勞極限，即使在設(shè)計(jì)許用應(yīng)力范圍內(nèi)，也可能因表面腐蝕坑演變形成應(yīng)力集中源，最終引發(fā)非預(yù)期失效。有研究表明，EA1N車軸鋼在腐蝕環(huán)境中疲勞極限消失，腐蝕坑在較小的應(yīng)力作用下，可以擴(kuò)展為短裂紋[15]。Li等人[16]發(fā)現(xiàn)，EA4T車軸鋼在腐蝕環(huán)境中的疲勞全壽命可以通過(guò)蝕坑生長(zhǎng)、小裂紋擴(kuò)展及長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展三個(gè)階段的壽命之和求得。

綜上，異物致?lián)p與腐蝕環(huán)境均會(huì)對(duì)車軸服役壽命造成較大影響，因此，為了定性分析和定量評(píng)估該兩種因素對(duì)車軸疲勞強(qiáng)度的削弱作用，本文以EA4T車軸鋼為研究對(duì)象，通過(guò)空氣炮高速發(fā)射子彈引入異物致?lián)p缺陷，進(jìn)而對(duì)該含傷車軸試樣進(jìn)行微觀表征以及疲勞加載實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)腐蝕環(huán)境中運(yùn)行的EA4T車軸進(jìn)行研究。

1 材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本次研究中采用的實(shí)驗(yàn)材料是EA4T（25CrMo4）合金鋼，該合金鋼常用于高速列車車軸制造，如表1所示為該合金鋼的化學(xué)元素含量[16]。該合金鋼金相組織由貝氏體與馬氏體組成，其彈性模量達(dá)209GPa，抗拉強(qiáng)度726MPa，屈服強(qiáng)度591MPa。這種力學(xué)特性，使其能夠滿足高速列車車軸在交變載荷下的抗變形與抗斷裂需求，成為現(xiàn)代軌道交通領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在車軸表面異物致?lián)p易發(fā)生處切取沙漏型試樣[17]，如圖1所示。

1.2 異物沖擊實(shí)驗(yàn)

在典型的異物致?lián)p沖擊模擬方法中，空氣炮裝置因其可精確調(diào)控發(fā)射速度、角度及子彈類型的技術(shù)特性，相比傳統(tǒng)方法，能夠更真實(shí)地復(fù)現(xiàn)高速列車運(yùn)行中異物沖擊的動(dòng)態(tài)過(guò)程[11]。因此，本論文采用空氣炮以速度80m/s高速發(fā)射子彈撞擊車軸試樣表面引入異物沖擊缺陷[17]。

1.3 梯度硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

異物高速?zèng)_擊引入的塑性變形增大了車軸試樣表面硬度，因此，采用顯微硬度儀測(cè)試異物沖擊缺口處的硬度梯度。試驗(yàn)過(guò)程中采用 50g載荷條件下加載，每一次試驗(yàn)包含加載15 s、保載15 s及卸載 15 s三個(gè)階段。每個(gè)深度點(diǎn)采用三點(diǎn)測(cè)試法獲取硬度數(shù)據(jù)，最終取平均值作為該深度的硬度值。

1.4 殘余應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

高速塑性變形不僅能增大表面硬度，同時(shí)會(huì)引入殘余應(yīng)力，改變?cè)嚇颖砻鏆堄鄳?yīng)力狀態(tài)。為了定量分析車軸試樣表面殘余應(yīng)力梯度值，采用X射線衍射法對(duì)車軸試樣缺口處的殘余應(yīng)力進(jìn)行表征。采用電解腐蝕法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，每次測(cè)量后剝離一定深度的材料，再繼續(xù)對(duì)試樣表面進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量。

1.5 疲勞實(shí)驗(yàn)

采用QBWJ-6000J型四點(diǎn)旋轉(zhuǎn)彎曲機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力比R=-1，加載載荷為36Hz，試驗(yàn)溫度為室溫。腐蝕疲勞試驗(yàn)選用3.5wt.% NaCl溶液模擬鹽霧腐蝕環(huán)境，精確復(fù)現(xiàn)列車服役過(guò)程中的電化學(xué)腐蝕條件。在進(jìn)行大氣疲勞試驗(yàn)和腐蝕疲勞試驗(yàn)時(shí)，恒定應(yīng)力幅值。在腐蝕性環(huán)境中，由于實(shí)驗(yàn)周期和成本的限制，限制為3×107次作為腐蝕疲勞試驗(yàn)的終點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 異物致?lián)p缺口顯微硬度梯度

EA4T車軸鋼是多晶體金屬材料，其材料的屬性與力學(xué)性能之間有著密切的聯(lián)系，由Hall-Petch理論可知，金屬材料的晶粒尺度越小，則其硬度值越大。因此，空氣炮高速發(fā)射子彈撞擊車軸試樣表面，使得其發(fā)生大量塑性變形，誘導(dǎo)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒細(xì)化，從而提高沖擊坑底部一定深度的硬度值。為了定量評(píng)估材料硬度值變化，采用顯微硬度儀表征沖擊坑底部材料硬度值，如圖2所示為沖擊坑處硬度梯度分布。由該圖可知，車軸試樣表面材料經(jīng)高速?zèng)_擊后，硬度值得以提高。顯然，隨著距離表面的距離增大，硬度值逐漸減小，直到深度到達(dá)150μm時(shí)，硬度值與母材接近，因此，可見(jiàn)硬化層深度約為150μm。硬度值提高，在一定程度上能夠提高材料的抗疲勞能力。

2.2 異物致?lián)p缺口殘余應(yīng)力梯度值

異物的高速?zèng)_擊不僅在車軸試樣表面形成硬化層，同時(shí)，由于不均勻變形，引入了殘余應(yīng)力梯度值，如圖3所示?？梢钥闯?，殘余應(yīng)力在試樣深度方向上也呈梯度分布，在表面處最大，約為-380 MPa，然后隨著深度的增加逐漸減小。一般來(lái)說(shuō)，沖擊坑底部晶粒細(xì)化，形成硬化層進(jìn)而引入殘余壓應(yīng)力能夠在一定程度上抑制裂紋萌生，從而延緩車軸失效，改善構(gòu)件的疲勞性能。然而，沖擊坑形成的宏觀缺口，破壞了結(jié)構(gòu)的完成性，造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，較大程度地降低了車軸的疲勞強(qiáng)度。

2.3 異物致?lián)p車軸試樣疲勞和腐蝕疲勞性能

由圖4可見(jiàn)，加載環(huán)境對(duì)車軸試樣的疲勞強(qiáng)度有著較大的影響。顯然，腐蝕環(huán)境削弱了車軸試樣的疲勞性能，腐蝕環(huán)境加載的試樣疲勞強(qiáng)度低于大氣環(huán)境中疲勞強(qiáng)度。在大氣環(huán)境中，車軸試樣的疲勞強(qiáng)度為303 MPa，在腐蝕環(huán)境中，疲勞強(qiáng)度為157 MPa。在大氣環(huán)境中加載的表面?zhèn)麚p車軸試樣，由于表面沖擊坑的影響，導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋主要在沖擊坑處萌生。然而，在腐蝕環(huán)境中，腐蝕液在車軸試樣表面形成腐蝕坑，腐蝕坑的引入進(jìn)一步破壞車軸試樣表面完整性，增大應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低車軸試樣的疲勞強(qiáng)度。此外，腐蝕疲勞強(qiáng)度顯著區(qū)別于常規(guī)疲勞強(qiáng)度，其核心差異在于材料失效過(guò)程受電化學(xué)腐蝕、顯微組織演變、循環(huán)載荷特性及腐蝕介質(zhì)滲透的多物理場(chǎng)耦合作用影響。

3 總結(jié)

本文以高速列車EA4T車軸為研究對(duì)象，分析了車軸表面受到異物高速撞擊形成沖擊坑后引入的硬化層和殘余應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果表明車軸試樣表面材料經(jīng)高速?zèng)_擊后，硬度值得以提高，硬度值隨著距離表面的距離增大而逐漸減小，硬化層深度約為150μm。由于異物撞擊引入的不均勻變形形成了殘余應(yīng)力場(chǎng)，殘余應(yīng)力在試樣深度方向上呈梯度分布，在表面處最大，約為-380MPa，然后隨著深度的增加逐漸減小。最后，疲勞加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腐蝕環(huán)境加載的車軸試樣疲勞強(qiáng)度顯著低于大氣環(huán)境中的疲勞強(qiáng)度，在大氣環(huán)境中，車軸試樣的疲勞強(qiáng)度為303MPa，在腐蝕環(huán)境中，疲勞強(qiáng)度為157MPa。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52405147）；四川省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（2023NSFSC0864）。

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