U71Mn鋼軌振動疲勞壽命研究*

鐘雯，胡家杰，劉啟躍

（1.西華大學機械工程學院成都，610039）

（2.成都飛機工業（集團）有限責任公司 成都，610092）

（3.西南交通大學摩擦學研究所 成都，610031）

引言

2019年，中國已建成高鐵里程3.5萬公里，位居世界第一。2019年全年，全國鐵路旅客發送量達到35.786億人，國家鐵路貨運總發送量完成34.40億噸［1］。由此可見，鐵路運輸在國民經濟當中占據十分重要的地位。Jonsson等［2］基于平交道口事故、列車數量和道口特征等數據，利用列車交通對事故風險的邊際效應，推導出了鐵路的平均運營交通事故邊際成本，結論顯示列車運行安全對于鐵路運營顯得非常關鍵。

鐵路牽引傳動系統是非常重要的列車運行系統之一，為了提高列車的運行安全，國內外許多學者對鋼軌的可靠性開展了研究。Gromov等［3］發現了DT350鋼軌在長時間受振動載荷后其滲碳板的失效機理。關慶華等［4］將P2共振轉化為固有頻率問題，提出了軌道P2共振頻率的計算方法。高文理等［5］研究了服役后U71Mn鋼軌表層力學性能、軌距角處的顯微組織以及裂紋萌生和擴展機理，發現鋼軌在振動疲勞載荷、摩擦載荷的持續作用下，容易萌生微裂紋。Ma等［6］利用多體動力學仿真、顯式有限元分析、子模型技術以及裂紋萌生分析，建立了裂紋萌生分析的統一描述。Kilikevicius等［7］應用共變函數理論，分析了鐵路橋振動加速度的散點及其參數，證明了定量自共變函數法在橋梁動力振動分析中的優越性。文獻［8］觀測分析了實際當中的振動疲勞數據，發現當激勵為平穩非高斯激勵時，對疲勞壽命的影響不明顯，可以采用標準的頻率計數方法。Ellyson等［9］在試驗當中發現振動疲勞具有高頻、短波長應力狀態和混合模式載荷的特點，傳統的疲勞數據不足以表示這種類型的疲勞載荷。藤瑞品等［10］基于Goodman公式和Miner損傷定則推導出了其當量載荷的概率密度函數和等效載荷的數學模型，發現了隨機載荷對于疲勞壽命的影響。周清躍等［11］研究了30 t軸重重載鐵路鋼軌軌形和材質之間的關系，認為針對不同的工況，應當選擇不同軌形和材質的鋼軌。趙新利等［12］發現輪軌系統在580 Hz頻率附近存在固有模態，會導致鋼軌表面的不平順和車輪多邊形磨耗。高紅俐等［13］進行了振動疲勞系統的軟測量方法研究，揭示了系統固有頻率、彈簧剛度與系統頻率之間的關系。黃強等［14］通過統計曲線鋼軌各點的加速度振級以及振動主頻，分析了地鐵振動的傳播規律。周兵等［15］利用模態應力恢復法，并通過試驗獲得了扭力梁減振器阻尼改變對扭力梁本體疲勞壽命的作用機制。

繪制疲勞曲線可以用來評價工件的服役壽命。但是通常的壽命曲線基于應力-壽命關系，難以完全反映振動載荷激勵下的結構動態特性。因此，研究鋼軌材料的振動疲勞壽命對于提高鋼軌服役可靠性具有非常顯著的理論和實際意義。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

本研究采用的振動疲勞試驗裝置主要由振動試驗臺、夾具系統以及信號采集控制系統組成。其試驗結構原理和夾具結構分別如圖1和圖2所示。振動試驗臺采用Team公司制造的5274.30型電液伺服振動試驗臺施加振動激勵，該振動臺按照JJG638—2015《液壓式振動試驗臺》規范進行校準，最大推力為36 920 N，最高振動頻率為300 Hz。加速度傳感器采用美國PCB公司的352C33型，靈敏度為100.4 mV/g。

圖1 試驗結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of test structure

圖2 試驗夾具結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of test fixture structure

試驗過程的控制方式如下：加速度傳感器測量振動臺加速度，位移傳感器測量振動臺位移；監視控制計算機采集加速度/位移信號進行分析后，按照設定控制要求控制作動器動作；最終達到控制振動臺按照設定要求（加速度/位移）動作的目的。

1.2 試驗材料及參數

筆者針對目前國內使用量最大的U71Mn鋼軌開展振動疲勞研究，試樣沿鋼軌長度方向取自軌頭部位，其化學成分和機械性能分別如表1和表2所示。

表1 試驗鋼軌化學成分Tab.1 Chemical composition of experimental rail%

表2 試驗鋼軌機械性能Tab.2 Mechanical properties of experimental rail

試樣為長條形，兩端鉆孔便于安裝螺栓用以固定試樣和載荷砝碼。在距固定端一側使用線切割工藝加工一個缺口用于引發疲勞裂紋，試樣示意圖如圖3所示。

圖3 試樣示意圖（單位：mm）Fig.3 Sample diagram（unit：mm）

1.3 試驗方案

大多數情況下應力與壽命之間的關系曲線（S-N曲線）能夠描述材料在疲勞載荷作用下的疲勞性能。在振動疲勞載荷對結構的疲勞壽命影響中，不僅需要考慮應力，還需要考慮疲勞裂紋對整個結構的影響。應力強度因子表征了裂紋尖端附近應力應變彈性場的強度，更符合具有疲勞裂紋結構的實際狀態。因此，試驗使用動態應力強度因子K與壽命N的關系來描述U71Mn鋼軌的振動疲勞壽命。雖然動態應力強度因子在試驗過程中會逐漸改變，但是在初始值一定、結構不變的前提下，K變化較小，所以使用初始動態應力強度因子與疲勞壽命關系曲線（K0-N曲線）也能夠表征U71Mn鋼軌的振動疲勞壽命，其中K0表示初始動態應力強度因子。

利用正交設計法進行試驗設計以達到減少試驗次數的效果，選擇標準正交表L16（45）構成試驗方案。首先，對試樣施加常規壓-壓靜態疲勞載荷預制出疲勞裂紋；其次，再對該疲勞裂紋施加振動疲勞載荷，記錄試樣破壞時的疲勞壽命N。

2 結果與討論

鋼軌的安裝形式是典型的支撐梁結構，同樣的裂紋在鋼軌的不同部位萌生、擴展，其破壞性是不同的。一方面，對不同的振動疲勞裂紋進行疲勞壽命評估，可以真實有效地對鋼軌服役可靠性進行評價，避免不必要的鋼軌更換；另一方面，也可以對不同用途的鋼軌進行針對性優化改進提高整體服役壽命。

2.1 振動疲勞壽命

試驗結束后，將在不同的初始動態應力強度因子K0條件下獲得的試樣振動疲勞壽命結果進行整理，就可以得到表現U71Mn鋼軌振動疲勞壽命的K0-N曲線，如圖4所示。由圖可見，一方面，隨著K0值的逐漸增大，U71Mn鋼軌材料的振動疲勞壽命逐漸降低，甚至會出現快速斷裂的情況；另一方面，K0值較小時，U71Mn鋼軌材料的振動疲勞壽命會快速增加。當K0低于5 MPa·m1/2時，會出現試樣經歷107次振動疲勞應力循環后不發生破壞的現象，出現振動疲勞極限。

圖4 U71Mn鋼軌K0-N曲線Fig.4 K0-N curve of U71Mn rail

2.2 斷口分析

斷口是試樣在試驗過程中突然斷裂（或形成裂紋后）所形成的斷面。它記錄了材料斷裂前的不可逆變形以及裂紋的萌生、擴展直至斷裂的全過程形貌特征。通過識別這些特征，并將這些特征與發生損傷乃至最終失效的過程聯系起來，可以找出與失效相關的內在或外在的原因。

2.2.1 試樣瞬斷區形貌

在本研究的試驗當中，所有的試樣斷裂形式如圖5所示。由圖可知，斷口的宏觀形貌比較平整，端口表面與最大正應力方向垂直，說明在試驗過程當中，試樣是受正應力引起的斷裂，屬于正斷斷裂。同時，裂紋表面移動的方向與裂紋表面垂直，屬于張開型裂紋，屬于工程上最常見和最危險的斷裂。

不同的應力狀態下斷口與最大正應力的夾角不同，在試驗過程當中，斷裂的斷口與最大正應力垂直，所以可認為本試驗當中的試樣都是在平面應變條件下的斷裂，如圖5（b）所示。對于工程應用而言，試驗結果具有較強的代表性。

圖5 試樣斷裂形式Fig.5 Sample fracture pattern

2.2.2 振動疲勞斷裂微觀分析

按照斷裂的性質分類，試樣的斷裂分為塑性斷裂和脆性斷裂。通過觀察斷口可以發現，本研究試驗當中的試樣在斷裂前幾乎沒有產生明顯的塑性變形，所以基本上可以歸為脆性斷裂。同時，在瞬斷區域，都出現了不同情況的韌窩，如圖6所示，這充分說明斷裂是金屬延性斷裂。在振動疲勞試驗當中，試樣的斷口也呈現出解理和微孔聚集復合型的斷裂特征。U71Mn鋼軌振動疲勞斷口微觀組織如圖7所示。

圖6 U71Mn鋼軌斷口中的韌窩Fig.6 Dimples in fracture of U71Mn rail

圖7 U71Mn鋼軌振動疲勞斷口微觀組織Fig.7 Vibration fatigue fracture microstructure of U71Mn rail

通過上述的分析可以認為，振動條件下，疲勞試樣的瞬斷區解理斷裂的河流花樣更密集，斷口當中的韌窩也更大、更深。這說明處于振動環境當中，U71Mn鋼軌較之常規的拉-拉疲勞試驗，表現出更高韌性，不容易斷裂。通過觀察疲勞裂紋擴展區（簡稱“擴展區”）的形貌特點，可以對處于不同振動狀態時的裂紋擴展機理進行研究。

當K0＞25 MPa·m1/2時，疲勞裂紋擴展區形貌如圖8所示。擴展區當中疲勞弧線比較大，棱線（疲勞2次臺階）粗且短。甚至在某些試樣的斷口當中觀察不到疲勞條帶，而在某些試樣斷口當中觀察到沿晶斷裂的特征。

圖8 K0＞25 MPa·m1/2時振動試驗條件下的U71Mn鋼軌擴展區形貌Fig.8 The morphology of U71Mn rail extension area under the condition of vibration test at K0＞25 MPa·m1/2

當K0＜15 MPa·m1/2時，振 動 試 驗 條 件 下U71Mn鋼軌擴展區形貌如圖9所示。在擴展區可以觀察到疲勞條帶比較細密，擴展區面積比較大，呈現出高周疲勞破壞的特征。這說明當U71Mn鋼軌用于使用環境振動載荷比較輕微時，如直線地段時，首先要考慮鋼軌抵抗疲勞裂紋擴展的能力，應當選用強度低、但韌性較好的U71Mn鋼軌，用以抵抗振動載荷形成的疲勞裂紋擴展累積損傷。

圖9 K0＜15 MPa·m1/2時振動試驗條件下U71Mn鋼軌擴展區形貌Fig.9 The morphology of U71Mn rail extension area under the condition of vibration test at K0＜15 MPa·m1/2

當15＜K0＜25 MPa·m1/2時，振動試驗試樣的破壞斷口無法明顯分辨出單純的高周疲勞或是低周疲勞破壞的情況。這些斷口有明顯的疲勞化纖，疲勞弧線之間有疲勞條帶，說明在這種情況下，呈現出高低周復合疲勞的特點，其擴展區形貌如圖10所示。

圖10 15＜K0＜25 MPa·m1/2振動條件下的擴展區形貌Fig.10 The morphology of U71Mn rail extension area under the condition of vibration test at 15＜K0＜25 MPa·m1/2

3 結論

1）在振動疲勞載荷作用下，對于U71Mn鋼軌結構的振動疲勞壽命來說，K0是重要的衡量指標。K0不斷增加，結構的振動疲勞壽命會快速降低；同時，隨著K0不斷降低，結構的振動疲勞壽命會逐漸增加，最終出現振動疲勞極限。

2）在實際使用鋼軌時不應忽視振動載荷所產生的影響。振動疲勞斷口與拉-拉靜態疲勞斷口相比，存在較大的差異。振動疲勞載荷作用下的試樣斷口，其瞬斷區解理斷裂的河流花樣更密集，斷口當中的韌窩也更大、更深。

3）在不同的K0條件下，試樣的振動疲勞破壞機理出現了差異，應當依據不同的工況選擇合適的U71Mn鋼 軌。當K0＞25 MPa·m1/2時，擴展區當 中疲勞弧線比較大，棱線（疲勞2次臺階）粗且短，低周疲勞破壞損傷機制為主，此時應當使用強度較好的U71Mn鋼 軌。當K0＜15 MPa·m1/2時，疲勞條帶比較細密，擴展區面積比較大，高周疲勞破壞損傷機制為主，此時應當使用韌性更好的U71Mn鋼軌。當15＜K0＜25 MPa·m1/2時，斷口有明顯的疲勞化纖，疲勞弧線之間有疲勞條帶，說明在這種情況下，呈現出高低周復合疲勞的特點。