CL60車輪材料多軸疲勞壽命與損傷行為研究

摘要：為研究車輪材料拉－扭多軸疲勞壽命及損傷行為，利用MTS拉扭疲勞實驗機開展拉－扭多軸疲勞試驗，分析疲勞試樣斷口宏觀和微觀形貌、表面和剖面損傷等，探究載荷幅值對拉－扭多軸疲勞壽命及損傷的影響。結果表明：多軸疲勞壽命與載荷幅值成反比。疲勞試樣斷口由裂紋擴展區和瞬斷區兩個部分組成，裂紋擴展區呈現大量放射性裂紋，微觀形貌為解理扇形河流花樣，為典型脆性斷裂；瞬斷區微觀下觀察到大量韌窩，載荷幅值越小韌窩越大，且其邊界越不明顯，由韌性斷裂特征向韌脆準解理混合斷裂特征過渡。表面疲勞微裂紋平均寬度隨著載荷幅值的增大而減小，平均擴展角度整體也呈減小趨勢。

關鍵詞：CL60車輪材料；多軸疲勞；疲勞壽命；損傷

中圖分類號：U270.33；TH114 "" 文獻標志碼：A""""""""""" """ doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.007

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0044-08

Study on Multi-Axis Fatigue Life and Damage Behavior of CL60 Wheel Material

Abstract：To study the tension-torsional multi-axis fatigue life and the damage behavior of wheel materials， MTS tension-torsional fatigue test machine was used to carry out the tensile-torsion multi-axis fatigue test. The influence of the load amplitude on the tension-torsional multi-axis fatigue life and the damage ware investigated by analyzing the fracture macroscopic and microscopic morphology， the surface and the profile damage of fatigue samples. The analysis results show that the multi-axis fatigue life is inversely proportional to the load amplitude. The fracture of fatigue samples is composed of two parts： crack growth zone and transient fault zone. There are a lot of radioactive cracks in the crack growth zone， and the microscopic morphology is cleavage fan-shaped stream pattern， which is a typical brittle fracture. In the transient fault zone the smaller the load amplitude， the larger the dimple and the less obvious the boundary of the dimple， the transition from ductile fracture characteristics to mixed ductile and brittle quasi-cleavage fracture characteristics. The average width of surface fatigue microcracks decreases with the increase in the load amplitude， and the average growth angle decreases.

Key words：CL60 wheel material；multiaxial fatigue；fatigue life；damage

在近年來的發展中，高速鐵路和重載貨運鐵路已在鐵路運輸中占據越來越重要的地位[1-2]，隨著鐵路運輸的飛速發展，其安全、高效運營不斷面臨新的挑戰[3]。隨著我國高速鐵路、重載鐵路的發展，無論是高速動車組還是重載貨運機車運行時，車輪受到多軸載荷的影響，受力情況均非常復雜，車輪疲勞損傷問題日益嚴重[4]，因此，開展列車車輪材料多軸疲勞壽命及損傷行為的研究十分必要。多軸疲勞是指多向應力或應變作用下的疲勞。多軸疲勞損傷發生在多軸循環加載過程中，有兩個或三個應力（或應變）分量獨立地隨時間發生周期性變化，這些應力（應變）分量的變化可分為同相位、非同相位和比例、非比例[5]。多軸疲勞損傷行為的研究關系著復雜加載條件下構件的服役安全[6-8]。列車車輪在服役過程中同時承受交變拉伸、彎曲和剪切載荷的耦合作用[9]。張澎湃等[10]以車輪為載體，對主應力法以及修正的Crossland疲勞準則的適用性進行了仿真分析。劉東[11]對車輪的疲勞強度進行了深入研究，采用了三種不同的多軸疲勞準則以全面評估車輪的疲勞性能。在多軸疲勞研究中，試驗和數值仿真相結合的方式較為廣泛，現今多軸疲勞失效的微觀過程研究也受到越來越多的關注。劉辰辰等[12]對循環曲線與斷口形貌進行綜合分析，對未腐蝕和原位腐蝕狀態下的多軸疲勞失效機制進行了比較。崔浩仁[13]在高溫環境下研究應力比與相位差對2A12-T4鋁合金多軸疲勞失效規律的影響，并對疲勞試樣斷口做了宏觀和微觀表征。Mccullough等[14]研究了兩種熱處理條件下的6061鋁合金材料，發現隨著載荷幅值的增加這兩種條件下的材料的多軸疲勞壽命均不斷減小。Zang等[15]對ER8車輪材料進行了單軸和多軸的高頻疲勞試驗，表征了疲勞斷口的形貌等，揭示了ER8車輪材料拉－扭多軸疲勞失效機理。

對于航空領域多軸疲勞微觀分析較為成熟，但對列車車輪的多軸疲勞斷口的探究相對較少。因此，本文通過不同載荷幅值的拉-扭多軸疲勞試驗，探究載荷幅值對CL60車輪材料多軸疲勞壽命的影響，并分析試樣的斷口宏觀形貌、3D形貌、微觀形貌，以及試樣的表面宏觀形貌、裂紋擴展情況等，闡釋不同載荷幅值下CL60車輪材料的多軸疲勞損傷行為，研究結果可為車輪多軸疲勞的研究提供理論指導。

1 試樣制備與試驗方法

本試驗選用的材料為CL60車輪，材料的化學成分及如表1所示[16]。

材料的顯微組織如圖1所示，由均勻分布的鐵素體和珠光體混合組成，珠光體組織為片層狀滲碳體和鐵素體結構。

試樣設計嚴格遵循GB/T 3075－2021[17]及GB/T 12443－2017[18]的規范。在符合上述標準的基礎上，結合試驗機的載荷量程以及試樣的夾持直徑、長度范圍，設計了如圖2所示試樣。該試樣具體尺寸為：長度125 mm，直徑15 mm，其中測試段長度為10 mm，直徑為8.5 mm。為防止試樣在夾持端因應力集中而受損，在試樣過渡處進行圓弧處理，圓弧的半徑設定為100 mm。為保證測試段光潔度，加工試樣表面的粗糙度約為0.2 μm。試樣實測硬度為320 HV0.5。

試驗在室溫條件下進行，試驗設備為MTS拉扭疲勞實驗機[19]。在加載過程中，采用正弦波等幅加載的方式，確保加載頻率為5 Hz。控制方法上，實現軸向和切向的同時控制，軸向參數通過力控制，而切向參數則通過扭矩控制。

在應力比和相位差一定情況下，開展不同載荷幅值的多軸疲勞試驗，試驗參數如表2所示。通過赫茲接觸理論，計算列車軸重分別為21 t、23.5 t、25 t、30 t的最大接觸應力，等效為試樣的軸向應力，從而計算出試樣加載的軸向載荷（軸向載荷分別為44.1 kN、46.7 kN、48.1 kN、52.7 kN）；列車實際運行中，輪軌摩擦系數為0.2～0.5，選擇摩擦系數為0.4（根據公式推導，摩擦系數等于應力比），計算車輪所受切向力，等效為試樣的切向力，從而計算出試樣加載的切向載荷（切向載荷分別為37.5 N·m、39.7 N·m、40.9 N·m、44.8 N·m）。應力比均為0.4，相位差均為0。

試驗前后采用維氏顯微硬度儀（MVK-H21，日本）測量試樣表面硬度值。試驗后利用超景深光學顯微鏡（OM）（KEYENCE VHX-6000，日本）觀察試樣斷口宏觀形貌和3D形貌，及試樣表面裂紋，并使用其輔助測量系統測量疲勞斷口不同區域的面積；采用掃描電子顯微鏡（SEM）（Phenom Pro，荷蘭）觀察試樣斷口微觀形貌和試樣剖面損傷情況。

2 試驗結果與討論

2.1 載荷幅值對多軸疲勞壽命的影響

通過CL60車輪材料試樣拉－扭多軸疲勞試驗，得到不同載荷幅值下的拉－扭多軸疲勞壽命，如圖3所示。

由試驗結果可知，拉-扭多軸疲勞壽命隨載荷幅值的增大而減小，軸向載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN過程中，試樣的平均疲勞壽命從約194360循環周次減少到約43360循環周次。這是由于試樣的橫截面受正應力和切應力的共同作用，在多軸疲勞過程中，正應力主要導致位錯的滑移和聚集，而切應力則促進疲勞裂紋萌生，但驅動疲勞裂紋擴展主要是正應力[20-21]，因此，正應力越大的試樣，多軸疲勞壽命越短，反之則越長。

2.2 多軸疲勞損傷分析

2.2.1 斷口損傷宏觀分析

如圖4所示，通過觀察疲勞試樣的斷口OM形貌，發現整體形貌相對粗糙，由裂紋擴展區和瞬斷區2個部分組成。當材料發生瞬時斷裂時，由于上下兩部分發生分離，在斷口表面形成溝狀特征，指向瞬斷區，溝兩側的形貌呈現出不同的特點。其中，面積較大的區域為裂紋擴展區（左側），顏色較亮，呈現大量放射性裂紋，疲勞裂紋以多裂紋源的形式萌生于試樣表面，從試樣表面向材料內部擴展，擴展方向指向試樣斷口中心，一些疲勞裂紋甚至擴展到瞬斷區邊界處。面積較小的區域為瞬斷區（右側），顏色較深，存在一定數量的毛刺，大致成扇形，且觀察到扇形面積呈一定規律變化。

使用超景深的輔助測量系統，測量疲勞斷口瞬斷區的面積，如圖5所示，可知隨著載荷幅值增大，瞬斷區的扇形面積逐漸減小，軸向載荷幅值從44.1 kN 增大到52.7 kN過程中，疲勞試樣的瞬斷區面積從9.2 mm2減小到4.5 mm2。載荷幅值越小，試樣測試段的應力、應變也隨之越小，致使裂紋擴展的速率減小，達到一定循環次數后，由于應力疊加效應[22]，導致疲勞試樣斷裂，因此，瞬斷區的面積增大。

根據疲勞試樣斷裂情況，明顯可見試樣斷口的高度差不同。由每個載荷幅值下的疲勞斷口的3D形貌做等高線圖，如圖6所示。疲勞斷口等高線圖包括了裂紋擴展區和瞬斷區這2個區域，分別對應于左側和右側部分，可見左側區域相較于右側區域更高，即裂紋擴展區高于瞬斷區（試樣另一段則相反）。軸向載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN過程中，裂紋擴展區最高位置所在平面相較于瞬斷區最低位置所在平面的高度差從2900 μm 減小到2000 μm，因此，裂紋擴展區與瞬斷區的高度差隨載荷幅值增大而逐漸減小。各疲勞裂紋擴展至連接在一起構成斷裂面，由于載荷幅值越大，試樣表面產生的表面疲勞裂紋越多，各疲勞裂紋之間的距離越近，所以，斷口的高度差就越小，反之，則越大。

2.2.2 斷口損傷微觀分析

為了進一步深入分析拉－扭多軸疲勞損傷機理，對疲勞斷口微觀形貌進行了表征。疲勞斷口分界區域SEM形貌，如圖7所示，上側為裂紋擴展區，下側為瞬斷區，明顯可見兩個區域的微觀形貌不同，而且兩區域之間有清晰的分割線，因此，分別在高倍數下繼續觀察兩區域的微觀形貌。

疲勞斷口的裂紋擴展區SEM形貌，如圖8所示。裂紋擴展區呈現出大量垂直于斷口表面的裂紋。在高倍數下，可清楚的觀察到典型的解理扇形河流花樣，且單個的扇形河流花樣隨載荷幅值增大而減小。當解理裂紋穿過晶界后，會在新的晶粒中的某一點開始萌生，從這一點開始，裂紋逐漸擴展至整個晶粒，在這個晶粒內部，河流花樣以裂紋源為核心，以扇形的方式向外擴展，從而構成了解理扇形，因此，判斷裂紋擴展區為典型的脆性斷裂[23]。

疲勞斷口的瞬斷區SEM形貌，如圖9所示。瞬斷區也存在垂直于斷口表面的裂紋，但是裂紋數量明顯比裂紋擴展區少。瞬斷區在高倍數下可觀察到撕裂棱和韌窩，韌窩隨載荷幅值減小而逐漸增大，韌窩邊界也越來越不明顯，且出現了一些準解理小平面。由于瞬斷區分布大量韌窩和撕裂棱，故判斷瞬斷區為典型的韌性斷裂，但隨著載荷幅值減小，韌窩增大變淺，且出現一些準解理平面，為韌脆準解理混合斷裂特征。因此，隨著載荷幅值減小，瞬斷區的斷裂形式為韌性斷裂向韌脆準解理混合斷裂過渡。

2.2.3 表面損傷

如圖10（a）所示，疲勞試樣斷后拼接吻合性較好，兩端斷口可近似完全對合在一起，因此沒有明顯的塑性變形。這是因為多軸高周疲勞在應力控制條件下，由于應力水平相對較低，循環加載過程中材料產生的變形相較于應變控制下的多軸疲勞情況顯著更小，因此，不會出現由應變硬化效應導致的強化效果。另外，從圖10（b）可知，疲勞斷裂主裂紋附近的表面存在著大量的疲勞微裂紋，利用超景深光學顯微鏡對微裂紋進行如圖10（c）所示的裂紋寬度與角度統計，可進一步分析多軸循環載荷對多軸疲勞損傷情況的影響。

表面微裂紋寬度與角度統計結果如圖11所示，軸向載荷幅值為44.1 kN時的表面疲勞微裂紋平均寬度約為1164.5 μm，平均擴展角度約為38.5°。軸向載荷幅值為46.7 kN時的表面疲勞微裂紋以寬度較短、擴展角度較小的方式存在，表面疲勞微裂紋平均寬度約為794.1 μm，平均擴展角度約為32.9°。相比之下，軸向載荷幅值為48.1 kN時的表面疲勞微裂紋平均寬度更短，約為350.6 μm，平均擴展角度也更小，約為21.8°。軸向載荷幅值為52.7 kN時的表面疲勞微裂紋平均寬度最短，約為252.2 μm，平均擴展角度與48.1 kN時相差不多，約為22.2°。

由此可知，隨著載荷幅值的增大，表面疲勞微裂紋的平均寬度逐漸減小，表面疲勞微裂紋的平均擴展角度整體成減小趨勢。另外，隨著載荷幅值的增大，表面疲勞微裂紋的數量逐漸增多，這是因為切應力主導疲勞裂紋萌生，而載荷幅值越大時，試樣的切應力也越大，因此，軸向載荷幅值為52.7 kN時，疲勞試樣的表面微裂紋最多。

2.2.4 剖面損傷

如圖10（c）所示A-A截面剖開疲勞試樣，探究表面微裂紋的剖面損傷情況，如圖12所示，由于應力較低，不存在應變硬化效應所產生的強化效果，所以無塑性變形痕跡，微裂紋在剖面呈大角度向試樣中心擴展。

剖面疲勞裂紋尺寸統計如圖13所示，由圖13（a）可知，只有少數剖面疲勞裂紋較長，其余疲勞微裂紋深度普遍較短，基本集中在20 μm以下。由于疲勞擴展壽命很短，占金屬材料疲勞壽命不足10%，短裂紋擴展速率較慢，當某些短裂紋擴展到一定層度，即穩定擴展和快速擴展的臨界值時，這些擴展相對較深的短裂紋將快速擴展成長裂紋，至疲勞試樣斷裂失效，以至其他擴展較淺的短裂紋沒有擴展機會。由圖13（b）可知，剖面疲勞裂紋擴展角度均大角度擴展，隨載荷幅值增大，剖面疲勞裂紋平均擴展角度呈增大趨勢，這也是載荷幅值越大的疲勞試樣斷口的高度差越小的原因之一。

3 結論

本文利用MTS拉扭多軸疲勞實驗機開展車輪材料拉－扭多軸疲勞試驗，研究了載荷幅值對CL60車輪材料多軸疲勞壽命的影響，并分析了CL60車輪材料多軸疲勞損傷情況，得出以下結論：

（1）隨著載荷幅值的增加，正應力不斷增加，正應力驅使疲勞裂紋擴展，從而多軸疲勞壽命逐漸減小，軸向載荷幅值為最大值52.7 kN時，平均疲勞壽命減小到約43360循環周次。

（2）疲勞試樣的斷口由裂紋擴展區和瞬斷區兩個部分組成。裂紋擴展區存在大量放射性裂紋，向材料內部擴展，存在解理扇形河流花樣，為脆性斷裂。瞬斷區大致成扇形，且其面積隨載荷幅值增大逐漸減小，存在一些毛刺，微觀下觀察到大量韌窩，隨載荷幅值減小韌窩變大變淺，且其邊界越來越不明顯，由韌性斷裂向韌脆準解理混合斷裂過渡。

（3）由于切應力主導疲勞裂紋萌生，表面疲勞微裂紋的數量隨著載荷幅值增大而逐漸 增多。表面疲勞微裂紋的平均寬度隨著載荷幅值的增大而逐漸減小，載荷幅值從44.1 kN增大到52.7 kN，平均長度從1164.5 μm減小到"" 252.2 μm。表面疲勞微裂紋的平均擴展角度整體也呈減小趨勢。

（4）只有少數剖面疲勞裂紋較長，其余微裂紋深度普遍較短，基本集中在20 μm以下。剖面疲勞裂紋擴展角度呈大角度擴展，隨載荷幅值增大呈增大趨勢。

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