車鉤E級鑄鋼軸向等幅低周疲勞性能分析

田長亮，宋德晶，崔世海，王 皓

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

隨著鐵路貨車牽引總重和調車連掛速度的不斷提高，車鉤在服役中受到隨機的、交變的各種載荷的作用越來越大，車鉤的使用工況條件進一步惡化，早期失效逐漸增多。車鉤主要失效方式再也不是以前的磨損失效，而主要是疲勞斷裂［1-7］。從疲勞壽命角度來看，車鉤的疲勞類似飛機起落架等此類零件的疲勞，屬于低周疲勞，即疲勞壽命在102~105次之間。目前我國鐵路貨車16號、17號車鉤用鋼采用低碳低合金鋼，其強度等級為E級鋼，含有Mn、Cr、Ni、Mo元素，其牌號為ZG25Mn?CrNiMo，通常采用淬火+高溫回火的調質熱處理工藝，熱處理后的金相組織為回火索氏體［8］。鑒于車鉤產品的實際使用壽命屬低周疲勞，因此，針對車鉤E級鑄鋼材料，從低周疲勞的視角入手，通過調質熱處理獲得滿足AAR標準要求的E級鑄鋼材料力學性能和微觀組織，采用INSTRON材料疲勞試驗機，對E級鑄鋼材料開展低周疲勞性能基礎研究，為今后車鉤產品的設計、選材、升級換代及生產提供材料疲勞方面的基礎理論數據，為后續提高車鉤產品疲勞壽命研究提供參考和理論依據。

1 試驗材料

選用E級鋼鑄造基爾試棒［9］作為試驗材料，采用光譜法進行化學成分檢測?；瘜W成分實測值及AAR成分范圍［10］見表1。采用箱式電阻爐通過調質熱處理來改變鑄造材料內部組織結構，獲得滿足AAR標準要求的E級鋼力學性能和微觀組織，熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 E級鑄鋼材料設定溫度和時間熱處理工藝曲線

表1 試驗用ZG25MnCr NiMo材料化學成分

1.1 力學性能

E級鑄鋼調質處理后得到力學性能結果見表2，各項性能指標均高出標準要求，且強度富余量較大?？估瓘姸?16 MPa，屈服強度822 MPa，-40℃溫度下V型缺口沖擊功平均值為34.7 J。

表2 E級鑄鋼材料力學性能及標準要求

1.2 顯微組織

E級鋼材料熱處理后的100倍和1 000倍金相組織圖片如圖2所示。由此可知，獲得了均勻的回火索氏體組織，放大到1 000倍時，可見板條特征明顯，近視呈現多邊形特征，滲碳體既分布于鐵素體晶界，也分布于鐵素體晶內，熱處理效果較好。

圖2 E級鑄鋼調質金相組織

2 軸向等幅低周疲勞試驗

低周疲勞試驗依照GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》進行試驗。疲勞試樣尺寸如圖3所示。試樣在制備過程中，盡量使試樣表面在加工時產生的殘余應力和加工硬化減至最小，車削過程中逐次減小切削深度和走刀量，并對試樣表面進行拋光。

圖3 圓柱形光滑疲勞試樣圖

采用INSTRON 8802型液壓伺服材料疲勞試驗機，正弦波控制軸向總應變范圍，等幅拉—壓加載，使遲滯回線具有明顯的尖角。為防止試驗中試樣發熱超過2℃，循環頻率設定為1.0 Hz。通過對E級鑄鋼材料進行軸向等幅拉—壓應變的低周疲勞試驗，分別測定得到相關參數，參考文獻方法進行數據擬合［11］，從而確定E級鑄鋼材料的Manson-Coffin方程、?ε/2-2N f雙對數關系曲線、循環應力—應變曲線、塑性應變—壽命雙對數曲線。

2.1 疲勞試驗數據

疲勞破壞是由循環應力引起的延時斷裂，機構或試樣疲勞失效前的工作時間成為疲勞壽命。表3為E級鑄鋼在不同應變幅下的低周疲勞循環周次的數據，其對應下的?ε/2-2N f應變-循環周次關系，即疲勞壽命曲線，如圖4所示。在?εp/2-2N f、?εe/2-2N f雙對數關系中，呈單調遞減特征，近似呈線性關系，表述了材料的疲勞壽命隨外加載荷增加而逐漸下降的規律。

表3 E級鑄鋼的疲勞試驗數據

由圖4可知E級鋼材料疲勞過渡壽命2Nt為3 124次，疲勞過渡壽命2Nt與材料性能有關，一般來說，提高材料強度使2Nt左移，提高材料塑性和韌性使2Nt右移。因此，對于車鉤材料，則應在保持一定強度基礎上，盡量提高材料的塑性和韌性，使材料塑韌性對疲勞壽命貢獻起主要作用，提高低周疲勞壽命。

圖4 E級鋼的?ε/2-2N f雙對數關系曲線

2.2 循環應力—應變曲線

E級鋼車鉤材料應變幅在0.3%時、0.423%時、0.50%時、0.60%時的滯后環曲線如圖5~圖8所示。由于應力和應變不同步，使拉、壓加載線與卸載線不重合而形成封閉回線，這個封閉回線稱為滯后環［12］。滯后環的存在說明加載時材料吸收的變形功大于卸載時材料釋放的變形功，即有一部分加載功被材料所吸收，被材料吸收的也稱為材料的內耗，其大小為回線的面積。在給定的應變幅的條件下，滯后環則給出每次循環大約需要消耗的能量。

E級鑄鋼材料在不同的應變幅控制下，滯后環的變化規律基本一致，隨著應變幅的增加，塑性變形增大，滯后環面積變大。應變幅為0.30%時滯后環面積最小，應變幅為0.60%時滯后環面積最大，且在此應變幅下已經產生更大的塑性變形。滯后環的面積增大，說明材料在循環變形下消耗的能量增大。由圖5~圖8還可見，E級鋼材料在疲勞過程中出現循環軟化現象，直至最后疲勞斷裂。

圖5 E級鋼應變幅為0.30%時的滯后環曲線

圖8 E級鋼應變幅為0.60%時的滯后環曲線

從應力級別看，在應變幅最大為0.60%時，最大應力為753 MPa，在應變幅為0.50%時，最大應力為709 MPa，在應變幅為0.423%時，最大應力為702 MPa，在應變幅為0.30%時，最大應力為520 MPa，隨著應變幅的逐漸降低，低周疲勞時的最大應力逐漸降低。

圖6 E級鋼應變幅為0.423%時的滯后環曲線

2.3 疲勞壽命計算

依據疲勞理論，應力—疲勞壽命之間的關系為式（1）：

圖7 E級鋼應變幅為0.50%時的滯后環曲線

圖9 車鉤E級鋼材料應力—壽命雙對數關系曲線

由于拉、壓過程中不同樣品的內部應力狀態及微觀缺陷不同，導致數據點比較分散，但總體來看應力—壽命關系仍滿足Manson-Coffin方程。經計算可得到車鉤材料E級鋼的疲勞強度指數b與疲勞強度系數σ'f見表4：

表4 車鉤E級鑄鋼材料疲勞強度系數與指數

圖10 車鉤E級鋼材料塑性應變—壽命雙對數關系

經計算可得到車鉤E級鑄鋼材料的疲勞延性指數c與疲勞延性系數ε'f見表5。

表5 車鉤E級鋼材料疲勞延性系數與指數

根據Manson-Coffin公式，式（4）：

將計算得到的參數b，σ'f，c，ε'f的數值代入式（4）中，從而得到E級鑄鋼Manson-Coffin方程為式（5）：

3 斷口分析

E級鑄鋼試樣在不同應變幅下的疲勞試驗后的疲勞斷口形貌圖片如圖11所示。觀察結果表明，鑄造E級鋼疲勞斷口由3部分組成，即裂紋源、裂紋穩態擴展區和裂紋失穩擴展瞬斷區。裂紋源均在試樣的表面，且有多個疲勞裂紋源存在，是疲勞裂紋萌生的發源地。全部斷口均顯示出擴展區面積大，瞬斷區面積小，斷面粗糙不平坦，有明顯的撕裂棱的特征，說明試樣在疲勞試驗過程中，裂紋向前擴展需要消耗較多的能量，即韌性斷裂。

圖11 疲勞斷口SEM照片

4 結論

（1）E級鑄鋼材料疲勞過渡壽命2Nt為3 124次，疲勞過渡壽命2Nt與材料性能有關。對于車鉤材料，則應在保持一定強度基礎上，盡量提高材料的塑性和韌性，使材料塑韌性對疲勞壽命貢獻起主要作用，提高低周疲勞壽命。

（2）車鉤E級鑄鋼材料在應變幅控制下隨著循環次數增加出現了循環軟化現象。

（3）通過對E級鑄鋼材料進行軸向等幅拉—壓應變的低周疲勞試驗，分別測定得到相關參數，從而確定了E級鑄鋼的Manson-Coffin方程為：

（4）疲勞斷口照片表明，疲勞裂紋萌生具有多源性，全部斷口均顯示出擴展區面積大，瞬斷區面積小的特征，斷面粗糙不平坦，有明顯的撕裂棱，說明在疲勞過程中裂紋擴展需要消耗較多的能量。