腐蝕時間對EA4T車軸鋼疲勞壽命的影響

摘 要：EA4T合金鋼常用于高速列車車軸制造中，在腐蝕環(huán)境中運(yùn)行時，會顯著縮短其服役壽命。作為環(huán)境因素與力學(xué)因素耦合作用的失效行為，腐蝕疲勞受到加載條件、構(gòu)件屬性和腐蝕介質(zhì)的共同作用，因此，車軸作為高速列車關(guān)鍵性部件之一，其安全可靠性也受到了新的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文以EA4T車軸鋼為研究對象，首先對車軸鋼試樣進(jìn)行不同時間的預(yù)腐蝕處理，然后對不同腐蝕時間的試樣進(jìn)行表面形貌觀測、硬度值測試以及疲勞性能分析。結(jié)果表明，腐蝕時間對車軸鋼的表面完整性及力學(xué)性能具有較大影響，隨著腐蝕時間的延長，車軸試樣表面腐蝕程度持續(xù)嚴(yán)重，由最初的點(diǎn)狀蝕坑發(fā)展為片狀，且表面硬度值降低，疲勞壽命呈現(xiàn)下降的趨勢。

關(guān)鍵詞：列車車軸 腐蝕時間 疲勞壽命

隨著高鐵快速發(fā)展，鐵路高速化與重載化加速推進(jìn)，安全問題日益凸顯。作為核心部件的車軸，在高速運(yùn)行中承受循環(huán)載荷，交變應(yīng)力水平提升且載荷循環(huán)頻率升高，導(dǎo)致車軸服役壽命縮短[1-2]。

此外，我國高鐵建設(shè)在西南、華東沿海及華中酸雨區(qū)加速推進(jìn)，導(dǎo)致高速列車長期暴露于腐蝕性環(huán)境中。研究表明[3-5]，腐蝕疲勞已成為車軸主要失效形式之一。這種失效機(jī)制源于交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的協(xié)同作用，其危害性體現(xiàn)在材料表面損傷效應(yīng)與力學(xué)載荷的耦合作用：一方面，電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致表面完整性破壞，形成應(yīng)力集中源；另一方面，循環(huán)載荷加速裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。因此，鑒于腐蝕環(huán)境對車軸安全性的顯著影響，必須同步強(qiáng)化常規(guī)疲勞與腐蝕疲勞性能研究，從而確保車軸在復(fù)雜工況下的可靠服役[6-8]。

腐蝕疲勞作為交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境協(xié)同作用的材料失效機(jī)制，其表面損傷效應(yīng)會顯著降低結(jié)構(gòu)承載能力，導(dǎo)致設(shè)備在設(shè)計載荷范圍內(nèi)仍可能發(fā)生意外失效[9]。近年來，腐蝕疲勞斷裂在金屬構(gòu)件失效案例中的占比顯著提升。這種由交變載荷與腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用引發(fā)的失效模式，因其作用機(jī)理的復(fù)雜性和損傷演化的非線性特征，導(dǎo)致斷裂行為具有顯著的不確定性。李鵬等的研究表明，隨著腐蝕溶液濃度升高，7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕疲勞壽命逐漸降低[10]。王冠等[11]以2024鋁合金為研究對象，綜合分析了預(yù)腐蝕時間對該合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著腐蝕時間的延長，2024鋁合金疲勞性能逐漸劣化。Wang等[12]發(fā)現(xiàn)M50鋼基體易發(fā)生點(diǎn)蝕，隨著腐蝕時間加長，點(diǎn)蝕逐漸增大，表面的腐蝕坑加劇了應(yīng)力集中并顯著縮短疲勞裂紋的萌生壽命，腐蝕過程也會引起殘余壓應(yīng)力的衰減，同時加速裂紋的單向擴(kuò)展，共同導(dǎo)致M50的疲勞強(qiáng)度降低。Beretta等[13]發(fā)現(xiàn)，腐蝕環(huán)境形成的腐蝕坑促使裂紋萌生，從而顯著縮短鐵路車軸的服役壽命。汪開忠等[14]的研究結(jié)果顯示，鹽霧腐蝕環(huán)境對DZ2和EA4T車軸鋼疲勞性能產(chǎn)生劣化效果，在該環(huán)境中，車軸鋼的疲勞強(qiáng)度顯著降低。

因此，本文選取EA4T車軸鋼為研究對象，首先對車軸鋼試樣進(jìn)行不同時間的預(yù)腐蝕處理，然后對不同腐蝕時間的試樣進(jìn)行表面形貌觀測、硬度值測試以及疲勞性能分析，以此研究腐蝕時間對車軸鋼力學(xué)性能的影響。

1 材料和實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)所研究的EA4T合金鋼具有適中的強(qiáng)度和硬度（該合金采用 EN 13261-2009 歐洲鐵路車軸標(biāo)準(zhǔn)作為制造規(guī)范），其廣泛應(yīng)用于高速列車車軸，如表1所示為該合金鋼的化學(xué)元素含量[15]。

由于腐蝕環(huán)境易侵蝕車軸表面，因此從全尺寸車軸表面切取試樣。本研究采用沙漏形疲勞試樣（如圖1所示），首先通過線切割加工獲得初始毛坯試樣，隨后依次使用800#、1200#、1500#及2000#砂紙進(jìn)行梯度打磨，徹底去除機(jī)加工刀痕并形成鏡面光潔表面。

參考GB/T 22639-2008開展腐蝕實(shí)驗(yàn)，腐蝕溶液為3.5%NaCl溶液。4組實(shí)驗(yàn)腐蝕時間分別為1h、3h、6h和9h。試樣進(jìn)行預(yù)腐蝕實(shí)驗(yàn)之后，分別從溶液中取出，使用蒸餾水和無水乙醇清洗表面后，進(jìn)行吹干，之后使用超景深顯微鏡觀察車軸試樣表面腐蝕坑形貌。

車軸試樣表面經(jīng)過不同時間的預(yù)腐蝕處理后，硬度將會發(fā)生變化，因此采用維氏硬度儀測試各類試樣表面硬度。硬度測試采用500g載荷條件下的15s保載方案，沿試樣表面一定間距布置測點(diǎn)。通過三點(diǎn)均值法實(shí)施多點(diǎn)測量，每個測試位置獲取3個獨(dú)立數(shù)據(jù)并計算平均值，有效消除隨機(jī)誤差以確保硬度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯著性。

最后對不同腐蝕階段的車軸鋼試樣采用QBWJ-6000J型四點(diǎn)旋轉(zhuǎn)彎曲機(jī)在室溫空氣中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為50Hz，應(yīng)力比為-1，加載頻率為36Hz（對應(yīng)約為360km/h動車運(yùn)行速度）。疲勞加載最大應(yīng)力設(shè)置為350MPa，通過三點(diǎn)均值法獲取3個平行試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)。這種多試樣統(tǒng)計方法可有效降低個體差異對試驗(yàn)結(jié)果的影響，確保疲勞壽命評估的統(tǒng)計顯著性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 腐蝕時間對車軸表面形貌的影響

如圖2所示為EA4T車軸鋼在NaCl溶液中分別浸泡1h和9h后的表面腐蝕坑形貌。由圖可見，車軸試樣表面腐蝕程度隨著腐蝕時間的延長而逐漸嚴(yán)重。腐蝕時間為1h的車軸表面的蝕坑形狀較為規(guī)整，主要為圓形。腐蝕坑的形成源于腐蝕介質(zhì)與金屬表面的電化學(xué)反應(yīng)，這種陽極溶解過程導(dǎo)致金屬材料的局部流失，最終形成特征性的腐蝕凹坑。隨著腐蝕時間的延長，點(diǎn)蝕坑之間互相融合、吞并，腐蝕面積進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖所示腐蝕時間為9h的車軸表面形成大片的腐蝕現(xiàn)象。

通常情況下，金屬材料在腐蝕環(huán)境中會發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[16]，其中，陽極反應(yīng)發(fā)生在金屬表面，如下所示：

陰極反應(yīng)：

在反應(yīng)過程中，由于接觸時間的延長，F(xiàn)e2+ and OH-結(jié)合：

在陽極反應(yīng)中，金屬鐵基體失去電子轉(zhuǎn)化為Fe2+，而在陰極反應(yīng)中，腐蝕溶液中的H2O轉(zhuǎn)化為OH-，OH-與陽極中的鐵離子Fe2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物Fe（OH）2。

2.2 腐蝕時間對車軸表面硬度的影響

腐蝕液的侵蝕可能會導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)變化，如晶間腐蝕會導(dǎo)致晶界弱化，進(jìn)而影響材料的硬度。此外，腐蝕導(dǎo)致的表面粗糙度增加同樣可能會對材料表面的硬度產(chǎn)生影響。圖3為不同腐蝕時間對EA4T車軸鋼的硬度的影響結(jié)果。顯然，腐蝕時間，即腐蝕程度對車軸表面硬度造成顯著影響。車軸表面未被腐蝕時，硬度值為240HV。經(jīng)過腐蝕的試樣，硬度值明顯降低。在第一個小時內(nèi)，硬度值下降最為明顯，從初始的240HV降低為215HV，降幅達(dá)到10.4%。在此后的腐蝕進(jìn)程中，表面硬度值降低速度減緩，直到腐蝕時間為9h時，硬度值降低為最低值178HV，降幅為25.8%。

2.3 腐蝕時間對車軸試樣疲勞強(qiáng)度的影響

對不同腐蝕時間的試樣施加350MPa載荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，如圖4所示為各試樣的疲勞壽命值。從該圖可以看出，隨著腐蝕時間的延長，車軸疲勞壽命降低。未被腐蝕試樣疲勞壽命為1.1×106 cycles， 腐蝕1小時后的車軸試樣疲勞壽命為9.1×105 cycles，降低了17.3%。此后，隨著腐蝕時間的延長，壽命逐漸降低，直到腐蝕時間為9h時，壽命降至5.3×105 cycles，降幅為51.8%。

由于腐蝕溶液的侵蝕，在車軸表面形成腐蝕坑。破壞結(jié)構(gòu)完整性，造成車軸試樣結(jié)構(gòu)表面的不均勻性，增大了應(yīng)力集中，從而促進(jìn)裂紋的萌生。當(dāng)裂紋萌生后，在交變載荷的作用下，裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

3 結(jié)語

車軸作為高速列車的核心承載部件，長期服役于溫濕度交變、鹽霧侵蝕及酸雨污染的復(fù)雜環(huán)境中，其腐蝕疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展行為直接威脅列車運(yùn)行安全。這種多場耦合作用下的材料損傷過程顯著區(qū)別于單一載荷或腐蝕環(huán)境下的失效模式，需要綜合考慮電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物沉積、顯微組織退化及循環(huán)應(yīng)力幅的協(xié)同影響，為車軸壽命預(yù)測與維護(hù)策略制定提供理論依據(jù)。據(jù)此，本文研究了腐蝕服役條件中EA4T車軸鋼的性能。主要包括車軸鋼的表面形貌，硬度以及疲勞壽命。結(jié)果表明，車軸試樣表面腐蝕程度隨著腐蝕時間的延長而逐漸嚴(yán)重。腐蝕時間對車軸表面硬度造成顯著影響，隨著腐蝕時間的延長，車軸表面硬度值降低。此外，由于腐蝕坑破壞結(jié)構(gòu)完整性，造成車軸試樣結(jié)構(gòu)表面的不均勻性，增大了應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋萌生。因此，腐蝕環(huán)境嚴(yán)重降低車軸試樣的疲勞性能，特別是，隨著腐蝕時間的延長，車軸疲勞壽命降低。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（52405147）；四川省自然科學(xué)基金青年基金項目（2023NSFSC0864）。

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