不同應力比下U75V軌道鋼疲勞裂紋擴展行為研究

呂 斌 丁振宇 高增梁

1.浙江工業大學，杭州，310032

2.過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州，310032

0 引言

近年來，我國鐵路運輸業高速發展。列車軸重、運行速度和行車密度的提高以及高強度耐磨鋼鋼軌的應用，使接觸疲勞損傷成為鋼軌主要的失效形式之一［1］。廣深線鋼軌踏面斜裂紋損傷即屬于滾動接觸疲勞裂紋損傷類型，這類斜裂紋在軌頭內部擴展可以導致鋼軌斷裂［2］。同時，材料自身的缺陷，如鋼軌的夾雜物、核傷、殘余應力、馬氏體組織、內部裂紋也可以導致鋼軌裂紋的萌生及擴展，造成鋼軌的橫向斷裂［3］。疲勞壽命包含裂紋萌生及裂紋擴展至最終失效兩個部分。對于高周疲勞，疲勞壽命主要消耗在裂紋形成時期；而對于低周疲勞，裂紋擴展壽命決定了材料的疲勞壽命［4］。隨著損傷容限設計準則在結構設計領域內的運用，材料的疲勞裂紋擴展門檻值及裂紋擴展速率成為結構材料力學性能的重要指標，較高的疲勞裂紋擴展門檻值和較低的裂紋擴展速率不僅能夠提高構件的可靠性，還能夠延長構件的使用壽命進而降低成本［5］。

U75V軌道鋼由于具有高強度和高硬度的特性，同時兼有較高的韌性，在我國鐵路上被廣泛使用。常見于規格為50kg/m、60kg/m、75kg/m和60AT的鋼軌，從普通鐵路到時速350km的高速 鐵 路 都 有 運 用。 鐘 雯 等［6－7］對 在 役 U75V（PD3）鋼軌的疲勞裂紋擴展特性進行了研究，并與U71Mn進行了比較。胡家杰等［8］對U75V軌道鋼的彎－彎疲勞裂紋擴展特性作了探索。以上研究均未考慮平均應力對裂紋擴展的影響，也缺乏材料斷裂機理方面的研究。

本文針對U75V軌道鋼，開展不同應力比條件下疲勞裂紋擴展門檻值的測定及疲勞裂紋擴展行為的研究。應用掃描電子顯微鏡對微觀斷口形貌進行觀測，探討U75V軌道鋼的疲勞斷裂機理。

1 材料和試驗

1.1 材料

試驗研究的材料為U75V軌道鋼，所用熱軋鋼軌來自國內某鋼鐵集團，化學成分列于表1。

表1 U75V軌道鋼的化學成分 %

相比于U74和U71Mn軌道鋼，U75V軌道鋼提高了Si元素的含量，這在一定程度上提高了該鋼軌的硬度、強度和耐磨性。V元素的加入能提高晶粒粗化溫度，該影響體現在鋼軌的軋制過程中，通過影響奧氏體的再結晶從而達到細化奧氏體的效果。一定含量的Mn元素的存在可以降低鋼的共析轉變溫度，使珠光體轉變溫度降低，從而可以細化珠光體組織。研究表明，珠光體團塊平均直徑的減小可以提高鋼軌的抗拉強度和耐磨性能，而較小的珠光體片層間距可以提高鋼軌的抗剝離能力，從而使鋼軌的耐磨性能和滾動接觸疲勞壽命得以提高［9］。

用體積分數為4%的硝酸酒精浸蝕材料2～4s后，用光學顯微鏡進行微觀組織的觀察。圖1a為U75V軌道鋼的金相組織圖，其組織為團塊狀的珠光體。在掃描電鏡下做進一步觀察，如圖1b所示，珠光體形態為鐵素體基體上分布片層狀滲碳體。

圖1 U75V軌道鋼金相組織圖

1.2 試驗

U75V軌道鋼疲勞裂紋擴展試驗試樣取自一段熱軋鋼軌軌頭部分，取樣示意圖見圖2。熱處理去除殘余內應力，其工藝過程如下：鋼軌軌頭部分在880℃的加熱爐內保持4h，隨后空冷。試樣采用機加工制成標準緊湊拉伸（compact tension，CT）試樣，試樣厚度為3.8mm，單面拋光成鏡面便于觀察裂紋。尺寸如圖3所示。

圖2 取樣示意圖

圖3 疲勞裂紋擴展試驗試樣

試驗在室溫下進行，裂紋擴展試驗在INSTRON 8872電液伺服疲勞試驗系統上完成。利用裝載有移動式長焦距顯微鏡的三坐標移動平臺，實時跟蹤和測量不同時刻的裂紋前沿位置坐標，該三坐標平臺配備精度為0.001mm的螺旋測微器。疲勞裂紋擴展門檻值的測試采用文獻［10］中提出的改進的分級降載法，分別測試應力比為0.03、0.1、0.2和0.5時的疲勞門檻值。應力比試驗則按照GB/T6398－2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》的要求進行，試驗采用正弦波加載方式。取試驗應力比與門檻值測試時的應力比相一致，其詳細的試驗條件列于表2。應用SEM掃描電子顯微鏡對疲勞裂紋擴展試驗試樣的斷口進行觀測分析。

表2 疲勞裂紋擴展試驗

2 裂紋擴展行為分析

2.1 疲勞裂紋擴展門檻值的測定

疲勞裂紋擴展門檻值是指在疲勞試驗中疲勞裂紋停止擴展時所對應的裂紋尖端應力強度因子范圍。事實上，要使裂紋“絕對”停止擴展是不可能的［10］，因此工程上將 da/dN＝10－7mm/cycle時所對應的應力強度因子范圍ΔK值定義為疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth（a為裂紋長度，N為循環數）。本文的測試方法采用文獻［10］提出的一種改進的分級降載法，目的是獲得裂紋擴展速率在10－7mm/cycle至10－6mm/cycle區 間 內 的 5 個點。然后，在da/dN－ΔK雙對數坐標系中用直線擬合這5個數據點。最后將da/dN＝10－7mm/cycle代入擬合得到的直線公式，得到的ΔK值即是ΔKth。注意，當區間內的點不足5個時，可用一個da/dN略大于10－6mm/cycle的點進行擬合。分級降載時，按每級降載5%進行控制，每級力下要使裂紋擴展增量Δa大于上一級Kmax對應的塑性區尺寸ry的4～6倍。塑性區尺寸按下式計算：

式中，σp0.2為材料非比例延伸率為0.2% 時的應力。

所得試驗數據及其在雙對數坐標下的擬合直線見圖4，各個應力比下測得的疲勞裂紋門檻值見表3。測試結果表明，疲勞裂紋門檻值ΔKth隨著應力比的增大而減小。

圖4 疲勞裂紋門檻值測試

表3 疲勞裂紋門檻值

2.2 疲勞裂紋擴展速率

疲勞循環的平均應力水平對工程材料的疲勞行為有很大影響，常用應力比R來描述平均應力［11］。圖5所示是試樣在不同應力比R下的疲勞裂紋擴展速率曲線。其中，ΔP為力值范圍，即ΔP＝Pmax－Pmin，為交變載荷最大值與最小值之差。從圖5可以看出，隨著應力比的增加，相同應力強度因子范圍ΔK值所對應的裂紋擴展速率隨之增加，表明裂紋擴展行為呈現出比較明顯的應力比效應。進一步觀察可以發現，由應力比所導致的裂紋擴展速率之間的差異，在ΔK值較小時表現明顯。隨著ΔK值的進一步增大，各應力比下裂紋擴展速率之間的差異有減小趨勢。

用Paris公式對不同應力比下的疲勞裂紋擴展試驗數據進行擬合分析。Pairs公式有如下形式：

圖5 不同應力比R下的疲勞裂紋擴展速率

其中，C和n是材料常數。在雙對數的da/dNΔK曲線關系圖中，斜率為n，截距為lgC。Paris公式中的材料常數列于表4。由表4可知，試樣的材料常數n隨著應力比的增大而減小，對應Paris曲線斜率隨著應力比的增大而減小。

表4 Paris公式擬合的材料常數

3 疲勞斷口形貌分析

由圖6a的疲勞門檻值附近的裂紋擴展斷口形貌，可以觀察到孤立的穿晶小刻面分布在穿晶疲勞斷口上。穿晶的小刻面發生在特定的晶體學平面上，小刻面平滑且分布有臺階，具有類似解理的若干特征。Beevers［12］對不銹鋼、鎳基高溫合金和Al 2219－T6等材料在疲勞門檻值附近的裂紋擴展行為進行了研究，將這些出現在門檻值附近的穿晶小刻面定義為“循環解理”。Priddle等［13］認為這些小刻面是在循環載荷作用下，裂紋以穩定擴展方式逐漸形成的，而不是真正的解理。材料沿晶體學平面發生斷裂常見于金屬材料在疲勞裂紋門檻附近的擴展階段，而很少出現在材料的穩定擴展階段。隨著應力強度因子范圍ΔK的增大，小刻面特征消失。

圖6b為裂紋低擴展速率區的斷口形貌圖。由圖6b可見類似于疲勞條紋的凸條紋棱線，這些棱線分布具有很強的方向性并且在一定區域內相互平行。值得注意的是，這些凸條紋棱線并非真正的疲勞條紋。Cooke等［14］將斷口用2%（體積分數）的硝酸酒精溶液腐蝕后用掃描電鏡觀察，發現這些棱線的走向與薄片狀珠光體的片層走向具有一致性，且每一條棱線至少包含一條滲碳體片層。文獻［15］將這些棱線稱為珠光體條帶，并且指出具有相似方向的條帶區域面積與珠光體團塊尺寸相當。在珠光體鋼的疲勞斷口形貌圖中，并沒有觀測到純金屬和延性合金中常見的疲勞條紋。

圖6c為裂紋高擴展速率區的斷口形貌圖，觀察斷口照片可以發現局部區域出現扇形河流狀花紋的平面。該平面是典型的解理斷口形貌。解理斷裂通常被認為是一種脆性斷裂，是裂紋尖端達到解理應力后裂紋沿解理面的開裂，是一種靜態斷裂特征。解理斷裂的出現標志著裂紋擴展開始由穩定擴展向高速擴展過渡。應力強度因子范圍繼續增大，解理斷裂的比例將會增大，直到試樣完全斷裂。圖6d是試樣完全斷裂時的斷口形貌圖，由圖可見，整個斷口都是因解理斷裂而形成的扇形河流狀花紋。

圖6 U75V軌道鋼不同階段斷口表面的微觀形貌

斷口觀察發現，整個疲勞斷口上最普遍的特征是分布有凸條紋棱線。仔細考察各應力比下裂紋穩定擴展階段的斷口形貌，發現無論是斷面的粗糙程度還是凸條紋棱形的形態，在低擴展速率區和高擴展速率區都有較大差別。如圖7所示，各應力比下低擴展速率區的斷口較為平整，凸條紋棱線完整且呈細直的線條狀，棱線的取向能較好地反應所在區域珠光體片層的取向。高擴展速率區的斷口形貌見圖8。由圖8可見，裂紋擴展高速區的斷口表面凹凸不平，凸條紋棱線不再呈現細直狀且伴隨彎曲變形和碎裂的跡象，斷口可見二次裂紋。出現這些斷裂特征的原因可以做如下描述：在裂紋擴展早期，初始位錯在鐵素體和滲碳體邊界及邊界附近區域形成，造成這些區域較大的應力集中，初始裂紋正是在平行于滲碳體片層的方向形成［16］；隨著塑性應變的繼續增大，剪切形變帶開始出現，形變主要集中在強烈剪切形變帶中，這些形變帶的方向大致與主應力軸成45°而與珠光體片層方向無關，剪切形變帶的增長最終導致滲碳體片層沿形變帶方向被剪斷［17］；塑性應變繼續增大，剪切形變帶在大范圍內出現，造成珠光體團塊內滲碳體片層被分割成許多碎段；同時較大的塑性應變亦導致滲碳體片層出現滑移、彎曲等現象。

圖7 各應力比下低擴展速率區斷口形貌

圖8 各應力比下高擴展速率區斷口形貌

4 結論

（1）用分級降載法測定材料分別在應力比為0.03、0.1、0.2和0.5下的疲勞裂紋擴展門檻值，其值分別為5.32MPa·m1/2、4.99MPa·m1/2、4.62MPa·m1/2和3.58MPa·m1/2。疲勞裂紋擴展門檻值隨應力比的增加而減小。（2）U75V軌道鋼的疲勞裂紋擴展行為呈現明顯的應力比效應，疲勞裂紋擴展速率隨應力比的增大而增大。進一步觀察發現，隨ΔK的增大，應力比效應有減小趨勢。（3）斷口觀察可知，整個疲勞斷口分布有凸條紋棱線，疲勞門檻值附近伴隨著沿晶體學平面的穿晶小刻面，高擴展速率區出現解理斷裂。裂紋在低擴展速率區的斷面較平整，凸條紋棱線完整且呈細長的線條狀；高擴展速率區斷面凹凸不平，凸條紋棱線彎曲并伴隨許多碎段及二次裂紋。

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