異物致損缺陷對車軸腐蝕疲勞性能的影響

摘 要：車軸作為現代高速列車車輛的關鍵承載部件，承受源自車體與軌道外加載荷以及復雜環境的作用。列車高速運行過程中，飛行物體撞擊造成的表面損傷是影響車軸疲勞性能的重要因素，該損傷削弱高速鐵路車軸的服役性能。同時，在腐蝕環境中運行時，由于雨水等的侵蝕作用，破壞了高速列車車軸表面完整性。因此，為了定性和定量評估該兩種因素對列車車軸服役性能的影響，本研究采用EA4T車軸為研究對象，通過空氣炮高速發射子彈在車軸表面引入異物沖擊缺陷，表征分析在異物高速撞擊下，車軸表面硬度以及殘余應力的演變，進而探索表面損傷以及腐蝕環境對車軸服役性能的影響。

關鍵詞：列車車軸 表面缺陷 腐蝕疲勞

隨著高鐵里程和速度的提升，列車關鍵部件面臨更嚴苛考驗。因此，研究和優化關鍵部件性能對保障列車安全運行至關重要。鐵路車軸作為列車運行的關鍵結構件，在設計時通常為無限壽命設計[1]。然而，列車在高速運行時，車軸表面易于遭受異物撞擊，從而破壞車軸結構完整性，降低其服役性能[2-4]。研究表明，兩類材質（EA4T和S38C）車軸表面損傷分為劃傷、磨損、銹蝕、裂紋、異物致損（FOD）五類。統計顯示，EA4T車軸FOD缺陷占比達47%，S38C車軸FOD缺陷占比43%。可見，FOD是現代高鐵車軸的首要損傷形式[5-10]。該類損傷在車軸表面形成體積型凹坑，直接破壞材料完整性，導致疲勞強度顯著降低與服役壽命衰減。此外，在設計載荷范圍內，這類損傷可加速裂紋擴展進程，甚至誘發斷軸事故，威脅行車安全。

Gao等[1]通過電火花加工、人工壓痕及鎢鋼球沖擊三種工藝模擬車軸表面缺陷，系統研究了缺陷類型對EA4T車軸鋼疲勞強度的影響規律。Zabeen S等人[11]通過以200 m/s沖擊速度發射硬化鋼立方體模擬異物致損試驗，發現異物沖擊引發的非均勻殘余應力分布對疲勞裂紋擴展產生一定影響。Rushau等[12]實驗研究表明，異物沖擊角度顯著影響葉片高周疲勞強度，其中30°沖擊角下的疲勞損傷最為嚴重，且試驗數據離散度達到極值。

此外，由于服役環境的可變性，鐵路車軸可能在惡劣的環境中運行（如潮濕的空氣和雨水環境），該環境因素提供了使結構完整性破壞的條件，從而降低車軸疲勞性能[13-14]。腐蝕疲勞作為交變應力與腐蝕環境耦合作用下的材料損傷與失效機制，其失效行為源于電化學腐蝕引發的表面完整性破壞與循環載荷驅動的裂紋擴展協同效應。這種多場耦合作用顯著降低了材料的疲勞極限，即使在設計許用應力范圍內，也可能因表面腐蝕坑演變形成應力集中源，最終引發非預期失效。有研究表明，EA1N車軸鋼在腐蝕環境中疲勞極限消失，腐蝕坑在較小的應力作用下，可以擴展為短裂紋[15]。Li等人[16]發現，EA4T車軸鋼在腐蝕環境中的疲勞全壽命可以通過蝕坑生長、小裂紋擴展及長裂紋擴展三個階段的壽命之和求得。

綜上，異物致損與腐蝕環境均會對車軸服役壽命造成較大影響，因此，為了定性分析和定量評估該兩種因素對車軸疲勞強度的削弱作用，本文以EA4T車軸鋼為研究對象，通過空氣炮高速發射子彈引入異物致損缺陷，進而對該含傷車軸試樣進行微觀表征以及疲勞加載實驗，從而對腐蝕環境中運行的EA4T車軸進行研究。

1 材料和實驗方法

1.1 試樣制備

本次研究中采用的實驗材料是EA4T（25CrMo4）合金鋼，該合金鋼常用于高速列車車軸制造，如表1所示為該合金鋼的化學元素含量[16]。該合金鋼金相組織由貝氏體與馬氏體組成，其彈性模量達209GPa，抗拉強度726MPa，屈服強度591MPa。這種力學特性，使其能夠滿足高速列車車軸在交變載荷下的抗變形與抗斷裂需求，成為現代軌道交通領域的關鍵結構材料。

本次實驗過程中，在車軸表面異物致損易發生處切取沙漏型試樣[17]，如圖1所示。

1.2 異物沖擊實驗

在典型的異物致損沖擊模擬方法中，空氣炮裝置因其可精確調控發射速度、角度及子彈類型的技術特性，相比傳統方法，能夠更真實地復現高速列車運行中異物沖擊的動態過程[11]。因此，本論文采用空氣炮以速度80m/s高速發射子彈撞擊車軸試樣表面引入異物沖擊缺陷[17]。

1.3 梯度硬度測試實驗

異物高速沖擊引入的塑性變形增大了車軸試樣表面硬度，因此，采用顯微硬度儀測試異物沖擊缺口處的硬度梯度。試驗過程中采用 50g載荷條件下加載，每一次試驗包含加載15 s、保載15 s及卸載 15 s三個階段。每個深度點采用三點測試法獲取硬度數據，最終取平均值作為該深度的硬度值。

1.4 殘余應力測試實驗

高速塑性變形不僅能增大表面硬度，同時會引入殘余應力，改變試樣表面殘余應力狀態。為了定量分析車軸試樣表面殘余應力梯度值，采用X射線衍射法對車軸試樣缺口處的殘余應力進行表征。采用電解腐蝕法進行殘余應力測試，每次測量后剝離一定深度的材料，再繼續對試樣表面進行殘余應力的測量。

1.5 疲勞實驗

采用QBWJ-6000J型四點旋轉彎曲機，試驗過程中應力比R=-1，加載載荷為36Hz，試驗溫度為室溫。腐蝕疲勞試驗選用3.5wt.% NaCl溶液模擬鹽霧腐蝕環境，精確復現列車服役過程中的電化學腐蝕條件。在進行大氣疲勞試驗和腐蝕疲勞試驗時，恒定應力幅值。在腐蝕性環境中，由于實驗周期和成本的限制，限制為3×107次作為腐蝕疲勞試驗的終點。

2 實驗結果和討論

2.1 異物致損缺口顯微硬度梯度

EA4T車軸鋼是多晶體金屬材料，其材料的屬性與力學性能之間有著密切的聯系，由Hall-Petch理論可知，金屬材料的晶粒尺度越小，則其硬度值越大。因此，空氣炮高速發射子彈撞擊車軸試樣表面，使得其發生大量塑性變形，誘導位錯運動，晶粒細化，從而提高沖擊坑底部一定深度的硬度值。為了定量評估材料硬度值變化，采用顯微硬度儀表征沖擊坑底部材料硬度值，如圖2所示為沖擊坑處硬度梯度分布。由該圖可知，車軸試樣表面材料經高速沖擊后，硬度值得以提高。顯然，隨著距離表面的距離增大，硬度值逐漸減小，直到深度到達150μm時，硬度值與母材接近，因此，可見硬化層深度約為150μm。硬度值提高，在一定程度上能夠提高材料的抗疲勞能力。

2.2 異物致損缺口殘余應力梯度值

異物的高速沖擊不僅在車軸試樣表面形成硬化層，同時，由于不均勻變形，引入了殘余應力梯度值，如圖3所示。可以看出，殘余應力在試樣深度方向上也呈梯度分布，在表面處最大，約為-380 MPa，然后隨著深度的增加逐漸減小。一般來說，沖擊坑底部晶粒細化，形成硬化層進而引入殘余壓應力能夠在一定程度上抑制裂紋萌生，從而延緩車軸失效，改善構件的疲勞性能。然而，沖擊坑形成的宏觀缺口，破壞了結構的完成性，造成的應力集中現象，較大程度地降低了車軸的疲勞強度。

2.3 異物致損車軸試樣疲勞和腐蝕疲勞性能

由圖4可見，加載環境對車軸試樣的疲勞強度有著較大的影響。顯然，腐蝕環境削弱了車軸試樣的疲勞性能，腐蝕環境加載的試樣疲勞強度低于大氣環境中疲勞強度。在大氣環境中，車軸試樣的疲勞強度為303 MPa，在腐蝕環境中，疲勞強度為157 MPa。在大氣環境中加載的表面傷損車軸試樣，由于表面沖擊坑的影響，導致應力集中，裂紋主要在沖擊坑處萌生。然而，在腐蝕環境中，腐蝕液在車軸試樣表面形成腐蝕坑，腐蝕坑的引入進一步破壞車軸試樣表面完整性，增大應力集中，嚴重降低車軸試樣的疲勞強度。此外，腐蝕疲勞強度顯著區別于常規疲勞強度，其核心差異在于材料失效過程受電化學腐蝕、顯微組織演變、循環載荷特性及腐蝕介質滲透的多物理場耦合作用影響。

3 總結

本文以高速列車EA4T車軸為研究對象，分析了車軸表面受到異物高速撞擊形成沖擊坑后引入的硬化層和殘余應力場，結果表明車軸試樣表面材料經高速沖擊后，硬度值得以提高，硬度值隨著距離表面的距離增大而逐漸減小，硬化層深度約為150μm。由于異物撞擊引入的不均勻變形形成了殘余應力場，殘余應力在試樣深度方向上呈梯度分布，在表面處最大，約為-380MPa，然后隨著深度的增加逐漸減小。最后，疲勞加載實驗結果顯示，腐蝕環境加載的車軸試樣疲勞強度顯著低于大氣環境中的疲勞強度，在大氣環境中，車軸試樣的疲勞強度為303MPa，在腐蝕環境中，疲勞強度為157MPa。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（52405147）；四川省自然科學基金青年基金項目（2023NSFSC0864）。

參考文獻：

[1]Gao J W， Dai G Z， Li Q Z， et al.Fatigue assessment of EA4T railway axles under artificial surface damage[J].International Journal of Fatigue，2021，146：106157.

[2]周素霞，謝基龍，宋占勛.影響車軸疲勞強度關鍵因素的研究[J].機械制造，2008，46（1）：65-67.

[3]Hirakawa K. High speed railway axles[J].Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers，1998，101（9）：146-148.

[4]徐忠偉.高速鐵路外物損傷車軸疲勞評估方法[D].成都：西南交通大學，2018.

[5]Zerbst U， Beretta S， Kohler G， et al. Safe life and damage tolerance aspects of railway axles-A review[J].Engineering Fracture Mechanics，2013，98：214-271.

[6]Australian Transport Safety Bureau. Derailment of XPT passenger train ST22 Harden[S].New South Wales： Australian Transport Safety Bureau，2006.

[7]Murawa F G.Neuentwicklungen zum Schutz

von Rads?tzen im Hochgeschwindigkei

tsverkehr//DGZfP.5.Fachtagung ZfP im Eisenbahnwesen[C].Wittenberg：DGZfP，2008.

[8]British Rail Safety and Standards Board （RSSB）.Project T728： Impact of corrosion upon the high cycle fatigue properties of GB axle steel[S].London： British Rail Safety and Standards Board，2013.

[9]尹鴻祥，吳毅，張關震，等.溝槽性缺陷對EA4T車軸鋼疲勞性能影響規律研究[J].鐵道技術監督，2019，47（8）：20-24.

[10]高杰維.表面凹坑缺陷對高速列車車軸鋼疲勞性能影響研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[11]Zabeen S，Preuss M，Withers P.J.Evolution of a laser shock peened residual stress field locally with foreign object damage and subsequent fatigue crack growth[J].Acta Materialia，2015，83：216-226

[12]Ruschau J，Nicholas T，Thompson S.Influence of foreign object damage （FOD） on the fatigue life of simulated Ti-6Al-4V airfoils[J].International Journal of Impact Engineering，2001，25（3）：233-250.

[13]Hoddinott D S. Railway axle failure investigations and fatigue crack growth monitoring of an axle [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F： Journal of Rail and Rapid Transit，2004，218（4）：283-292.

[14]Zerbst U，Beretta S，Kohler G，et al.Safe life and damage tolerance aspects of railway axles-A review[J].Engineering Fracture Mechanics，2013，98：214–271.

[15]Beretta S，Carboni M，Fiore G，et al.Corrosion-fatigue of A1N railway axle steel exposed to rainwater[J].nternational Journal of Fatigue，2010，32（6）：952-961.

[16]Li H，Zhang J，Wu S，et al.Corrosion fatigue mechanism and life prediction of railway axle EA4T steel exposed to artificial rainwater[J].Engineering Failure Analysis，2022，138：106319.

[17]Wu S C，Xu Z W，Kang G Z，et al.Probabilistic fatigue assessment for high-speed railway axles due to foreign object damages[J].International Journal of Fatigue 2018，117：90–100.