車輪鋼山形缺口KQ 值試驗(yàn)效率的探討

高曉文

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

隨著我國鐵路運(yùn)輸向高速、重載方向的發(fā)展，車輪在服役過程中出現(xiàn)突然斷裂現(xiàn)象已成為最大的安全隱患，因此提高車輪使用性能，特別是提高車輪抵抗裂紋擴(kuò)展性能顯得愈加重要。但車輪斷裂韌性試驗(yàn)時(shí)間周期較長，一定程度下制約車輪生產(chǎn)進(jìn)度，為匹配車間生產(chǎn)進(jìn)度、降低試驗(yàn)成本，特做此探討。

平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC是指在嚴(yán)格拉伸力作用下有尖裂紋存在時(shí)材料的斷裂抗力。KⅠC是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，是材料本身的特性，在一定條件下，與加載方式、試樣類型和尺寸、裂紋本身大小和形狀無關(guān)。KQ斷裂韌性值不是材料的特征值，而是KIC的條件值，一般隨試樣厚度的減小而增大。KQ與KⅠC物理意義不同，但可以表示裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力的相對(duì)大小。

KQ值試驗(yàn)試樣取自車輪輪輞，由于輪輞尺寸有限，最大只能選取試樣厚度為30 mm的緊湊型拉伸試樣，且試樣尺寸絕大多數(shù)不能滿足斷裂韌性KIC試驗(yàn)所需的平面應(yīng)變條件，為無效的KIC試驗(yàn)，無法測(cè)得材料的斷裂韌性特征值KIC，只能通過試驗(yàn)測(cè)出KQ值來表示材料斷裂韌性的大小。1 試驗(yàn)效率的主要影響因素

KQ值試驗(yàn)效率由疲勞循環(huán)周次決定，不同材質(zhì)、不同工藝循環(huán)周次不同，通常在104～106之間。本文主要討論相同材質(zhì)、相同工藝車輪山形缺口KQ值試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)：加載頻率、試樣缺口尺寸、預(yù)制裂紋控制方法、應(yīng)力比、應(yīng)力強(qiáng)度因子以及裂紋長度對(duì)試驗(yàn)效率的影響。

1.1 加載頻率

在不存在有害介質(zhì)的情況下，只要加載頻率不超過100 Hz就不會(huì)對(duì)疲勞裂紋的形成產(chǎn)生明顯的影響。加載頻率由試驗(yàn)機(jī)本身特性決定，一般低周疲勞試驗(yàn)機(jī)為液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)，工作頻率為0～50 Hz；高周疲勞試驗(yàn)機(jī)為電磁疲勞試驗(yàn)機(jī)，工作頻率為30～300 Hz。通常情況下，當(dāng)疲勞壽命為 102～105周次時(shí)，選擇低周疲勞試驗(yàn)機(jī)，疲勞壽命不小于105周次時(shí)選擇高周疲勞試驗(yàn)機(jī)。

一般而言，在疲勞循環(huán)周次相對(duì)固定的情況下，加載頻率越高，預(yù)制疲勞裂紋所需的時(shí)間越短，KQ值試驗(yàn)效率越高。但長期使用試驗(yàn)機(jī)相對(duì)較高的工作頻率，會(huì)加劇試驗(yàn)機(jī)的磨損，縮短試驗(yàn)機(jī)壽命，在實(shí)際使用過程中應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)本身特性選擇試驗(yàn)頻率。

1.2 試樣缺口尺寸

對(duì)于車輪KQ值試驗(yàn)，試樣規(guī)格一般為C（T）30、C（T）20的緊湊型拉伸試樣，且裂紋萌生缺口采用山形缺口。依據(jù)現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4161—2007，山形缺口剖面角度在90°～120°之間（見下頁圖1），在裂紋長度a一定的情況下，山形缺口剖面角度不同，預(yù)制疲勞裂紋長度a0不同，預(yù)制疲勞裂紋所需的時(shí)間不同。

對(duì)相同材質(zhì)、相同工藝的車輪C（T）30試樣，分別按照?qǐng)D1-1，圖1-2的試樣做20組試驗(yàn)（保持其他試驗(yàn)變量恒定），試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量得到20組圖1-1，圖1-2試樣的預(yù)制疲勞裂紋長度a0分別約為10 mm、7 mm（裂紋長度a為28 mm）。通過對(duì)20組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到：20組圖1-1、組圖1-2試樣 KQ的平均值為 94.6MPa·m1/2、93.3MPa·m1/2，且 2種試樣拉伸解理斷裂時(shí)出現(xiàn)II類曲線的幾率相近。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，2種不同試樣的KQ算數(shù)平均值相差1.3 MPa·m1/2，兩種試樣試驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值接近，考慮到車輪之間的個(gè)體差異，以及試樣取樣方向偏差等問題，2種試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有明顯的差異，不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但圖1-2試樣預(yù)制疲勞裂紋長度a0較小，預(yù)制疲勞裂紋所需時(shí)間較短，試驗(yàn)效率較高。表明山形缺口剖面角度在要求范圍內(nèi)越大時(shí)，試驗(yàn)效率越高。

圖1 山形缺口剖面角度

1.3 預(yù)制裂紋控制方法

在動(dòng)態(tài)循環(huán)力預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，應(yīng)盡量減少中斷試驗(yàn)的次數(shù)。預(yù)制疲勞裂紋控制方法有恒載增K法、降K法等。

1）恒載增K法。在預(yù)制裂紋試驗(yàn)過程中，最大載荷、最小載荷、應(yīng)力比、加載頻率保持不變，隨著裂紋長度的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子K增大，但由于K值逐漸增大，裂紋擴(kuò)展速率越來越快，試驗(yàn)難以控制，試驗(yàn)失敗概率增大。此方法適用于裂紋擴(kuò)展速率大于10-5mm/cycle的試驗(yàn)。

2）降K法。在選定的裂紋擴(kuò)展量間隔下采用恒定的力值范圍來控制，試驗(yàn)過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，但控制復(fù)雜，需要計(jì)算機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)。此方法適用于裂紋擴(kuò)展速率小于10-5mm/cycle的試驗(yàn)。

通過比較2種控制方法得出：恒載增K法簡(jiǎn)單易行，裂紋擴(kuò)展速率快，試驗(yàn)效率高，但此方法需判斷材料對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的敏感度，確保試驗(yàn)的成功率。

1.4 應(yīng)力比

現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4161—2007中規(guī)定，最小循環(huán)應(yīng)力與最大循環(huán)應(yīng)力的比值不超過+0.1。大量試驗(yàn)表明，在一次循環(huán)中最大和最小應(yīng)力強(qiáng)度因子的代數(shù)差ΔK一定的情況下，當(dāng)應(yīng)力比增大時(shí)，所施加的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax增大，預(yù)制裂紋的加載力增大，裂紋擴(kuò)展速率增加越快，試驗(yàn)效率越高。

1.5 應(yīng)力強(qiáng)度因子

一般選取材料臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的30%～60%作為初始Kmax，后續(xù)試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，適當(dāng)增加或減小試驗(yàn)的初始Kmax，但預(yù)制裂紋結(jié)束時(shí)的Kmax不能超過裂紋擴(kuò)展初始Kmax，以及疲勞循環(huán)的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子與材料楊氏模量的比值Kmax/E不得超過0.0003。滿足上述條件的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，施加在試樣上的力值越大，裂紋預(yù)制速率加快，試驗(yàn)所需時(shí)間減小，試驗(yàn)效率越高。

1.6 疲勞裂紋長度

預(yù)制疲勞裂紋的目的是制造一個(gè)足夠長的、尖銳的平直裂紋，使K標(biāo)定計(jì)算式不受機(jī)加工初始缺口形狀的影響?，F(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4161—2007中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)裂紋長度a在0.45～0.55W之間，比如C（T）30試樣裂紋長度a為27～33 mm。裂紋長度a不同，預(yù)制疲勞裂紋長度a0不同，預(yù)制疲勞裂紋所需的時(shí)間不同。

對(duì)相同材質(zhì)、相同工藝的車輪C（T）30試樣，采用圖1-2的缺口剖面角度，分別按照裂紋長度a為28 mm、30 mm做20組試驗(yàn)（其他變量保持恒定），試驗(yàn)結(jié)束后。通過對(duì)20組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)得到：裂紋長度a為28 mm、30 mm的KQ算數(shù)平均值分別為 82.4 MPa·m1/2、80.2 MPa·m1/2，預(yù)制疲勞裂紋長度a0分別約為7 mm、9 mm。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，2種裂紋長度a的KQ算數(shù)平均值相差1.2 MPa·m1/2，2種裂紋長度a的試驗(yàn)結(jié)果算數(shù)平均值接近，考慮到車輪之間的個(gè)體差異，以及試樣取樣方向偏差等問題，2種裂紋長度a的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有明顯的差異，不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但裂紋長度a為28 mm時(shí)，試樣預(yù)制疲勞裂紋長度a0較小，預(yù)制疲勞裂紋所需時(shí)間較短，試驗(yàn)效率較高。表明裂紋長度a在要求范圍內(nèi)越小時(shí)，試驗(yàn)效率越高。

2 結(jié)語

適當(dāng)調(diào)整KQ值試驗(yàn)影響因素：加載頻率、試樣缺口尺寸、預(yù)制裂紋控制方法、應(yīng)力比、應(yīng)力強(qiáng)度因子以及裂紋長度均能夠提高試驗(yàn)效率。在相關(guān)變量恒定、滿足相關(guān)要求的情況下具體為：加載頻率越高，試驗(yàn)效率越高；山形缺口剖面角度在要求范圍內(nèi)越大，試驗(yàn)效率越高；確保試驗(yàn)成功率時(shí)，選用恒載增K法時(shí)，試驗(yàn)效率越高；在應(yīng)力比不超過+0.1時(shí)，應(yīng)力比越大，試驗(yàn)效率越高；應(yīng)力強(qiáng)大因子越大，試驗(yàn)效率越高；裂紋長度a在要求范圍內(nèi)越小時(shí)，試驗(yàn)效率越高。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T4161-2007，金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法[S]北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]鋼鐵總院，北京航空材料研究室，冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究室.GB/T 6398-2017，金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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