車輪鋼山形缺口KQ 值試驗效率的探討

高曉文

（太原重工軌道交通設備有限公司， 山西 太原 030032）

隨著我國鐵路運輸向高速、重載方向的發展，車輪在服役過程中出現突然斷裂現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展性能顯得愈加重要。但車輪斷裂韌性試驗時間周期較長，一定程度下制約車輪生產進度，為匹配車間生產進度、降低試驗成本，特做此探討。

平面應變斷裂韌度KⅠC是指在嚴格拉伸力作用下有尖裂紋存在時材料的斷裂抗力。KⅠC是材料抵抗裂紋失穩擴展能力的度量，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。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擴展阻力的相對大小。

KQ值試驗試樣取自車輪輪輞，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不能滿足斷裂韌性KIC試驗所需的平面應變條件，為無效的KIC試驗，無法測得材料的斷裂韌性特征值KIC，只能通過試驗測出KQ值來表示材料斷裂韌性的大小。1 試驗效率的主要影響因素

KQ值試驗效率由疲勞循環周次決定，不同材質、不同工藝循環周次不同，通常在104～106之間。本文主要討論相同材質、相同工藝車輪山形缺口KQ值試驗的相關參數：加載頻率、試樣缺口尺寸、預制裂紋控制方法、應力比、應力強度因子以及裂紋長度對試驗效率的影響。

1.1 加載頻率

在不存在有害介質的情況下，只要加載頻率不超過100 Hz就不會對疲勞裂紋的形成產生明顯的影響。加載頻率由試驗機本身特性決定，一般低周疲勞試驗機為液壓疲勞試驗機，工作頻率為0～50 Hz；高周疲勞試驗機為電磁疲勞試驗機，工作頻率為30～300 Hz。通常情況下，當疲勞壽命為 102～105周次時，選擇低周疲勞試驗機，疲勞壽命不小于105周次時選擇高周疲勞試驗機。

一般而言，在疲勞循環周次相對固定的情況下，加載頻率越高，預制疲勞裂紋所需的時間越短，KQ值試驗效率越高。但長期使用試驗機相對較高的工作頻率，會加劇試驗機的磨損，縮短試驗機壽命，在實際使用過程中應根據試驗機本身特性選擇試驗頻率。

1.2 試樣缺口尺寸

對于車輪KQ值試驗，試樣規格一般為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。依據現行試驗標準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，預制疲勞裂紋長度a0不同，預制疲勞裂紋所需的時間不同。

對相同材質、相同工藝的車輪C（T）30試樣，分別按照圖1-1，圖1-2的試樣做20組試驗（保持其他試驗變量恒定），試驗結束后，測量得到20組圖1-1，圖1-2試樣的預制疲勞裂紋長度a0分別約為10 mm、7 mm（裂紋長度a為28 mm）。通過對20組試驗數據的統計分析得到：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出現II類曲線的幾率相近。從實驗數據總結發現，2種不同試樣的KQ算數平均值相差1.3 MPa·m1/2，兩種試樣試驗結果的算數平均值接近，考慮到車輪之間的個體差異，以及試樣取樣方向偏差等問題，2種試樣的實驗數據沒有明顯的差異，不影響實驗數據的準確性，但圖1-2試樣預制疲勞裂紋長度a0較小，預制疲勞裂紋所需時間較短，試驗效率較高。表明山形缺口剖面角度在要求范圍內越大時，試驗效率越高。

圖1 山形缺口剖面角度

1.3 預制裂紋控制方法

在動態循環力預制疲勞裂紋時，應盡量減少中斷試驗的次數。預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。在預制裂紋試驗過程中，最大載荷、最小載荷、應力比、加載頻率保持不變，隨著裂紋長度的增加，應力強度因子K增大，但由于K值逐漸增大，裂紋擴展速率越來越快，試驗難以控制，試驗失敗概率增大。此方法適用于裂紋擴展速率大于10-5mm/cycle的試驗。

2）降K法。在選定的裂紋擴展量間隔下采用恒定的力值范圍來控制，試驗過程中應力強度因子逐漸減小，但控制復雜，需要計算機控制程序實現。此方法適用于裂紋擴展速率小于10-5mm/cycle的試驗。

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

1.4 應力比

現行試驗標準GB/T 4161—2007中規定，最小循環應力與最大循環應力的比值不超過+0.1。大量試驗表明，在一次循環中最大和最小應力強度因子的代數差ΔK一定的情況下，當應力比增大時，所施加的最大應力強度因子Kmax增大，預制裂紋的加載力增大，裂紋擴展速率增加越快，試驗效率越高。

1.5 應力強度因子

一般選取材料臨界應力強度因子的30%～60%作為初始Kmax，后續試驗根據實際試驗情況，適當增加或減小試驗的初始Kmax，但預制裂紋結束時的Kmax不能超過裂紋擴展初始Kmax，以及疲勞循環的最大應力強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，應力強度因子越大，施加在試樣上的力值越大，裂紋預制速率加快，試驗所需時間減小，試驗效率越高。

1.6 疲勞裂紋長度

預制疲勞裂紋的目的是制造一個足夠長的、尖銳的平直裂紋，使K標定計算式不受機加工初始缺口形狀的影響。現行試驗標準GB/T 4161—2007中規定，標準裂紋長度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，預制疲勞裂紋長度a0不同，預制疲勞裂紋所需的時間不同。

對相同材質、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（其他變量保持恒定），試驗結束后。通過對20組試驗數據的測量、統計得到：裂紋長度a為28 mm、30 mm的KQ算數平均值分別為 82.4 MPa·m1/2、80.2 MPa·m1/2，預制疲勞裂紋長度a0分別約為7 mm、9 mm。從實驗數據總結發現，2種裂紋長度a的KQ算數平均值相差1.2 MPa·m1/2，2種裂紋長度a的試驗結果算數平均值接近，考慮到車輪之間的個體差異，以及試樣取樣方向偏差等問題，2種裂紋長度a的實驗數據沒有明顯的差異，不影響實驗數據的準確性，但裂紋長度a為28 mm時，試樣預制疲勞裂紋長度a0較小，預制疲勞裂紋所需時間較短，試驗效率較高。表明裂紋長度a在要求范圍內越小時，試驗效率越高。

2 結語

適當調整KQ值試驗影響因素：加載頻率、試樣缺口尺寸、預制裂紋控制方法、應力比、應力強度因子以及裂紋長度均能夠提高試驗效率。在相關變量恒定、滿足相關要求的情況下具體為：加載頻率越高，試驗效率越高；山形缺口剖面角度在要求范圍內越大，試驗效率越高；確保試驗成功率時，選用恒載增K法時，試驗效率越高；在應力比不超過+0.1時，應力比越大，試驗效率越高；應力強大因子越大，試驗效率越高；裂紋長度a在要求范圍內越小時，試驗效率越高。

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