材料種類對鐵路車輪鋼斷裂機制的影響研究

陳 剛,曾東方,徐 芳,鄒 朗,姚三成

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室 四川成都 610031；3.中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130000)

1 背景

KIC是衡量材料在載荷作用下抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的重要指標(biāo)[1]、[2]。KIC測量方法基于線彈性斷裂力學(xué)建立[3]。但是，在絕大多數(shù)金屬材料裂紋尖端附近，由于應(yīng)力集中必然存在塑性區(qū)，這使得KIC的適用性得到限制。只有當(dāng)裂紋尖端滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件，平面應(yīng)變斷裂韌度KIC才不與試樣的形狀和尺寸有關(guān)，而是材料的固有屬性[2]、[5]。為滿足平面應(yīng)變斷裂韌度KIC測試條件，CT試樣尺寸(見圖1)應(yīng)符合如下要求：

(1)

(2)

式中，σys為材料屈服強度,MPa。α0為初始裂紋長度,mm。W為線樣寬度,mm同時，載荷-位移曲線(P-V曲線)應(yīng)滿足Pmax/PQ≤1.1(即載荷條件)的要求。Pmax為P-V曲線最大載荷，PQ為95%割線與P-V曲線的交點[4]。

按照標(biāo)準(zhǔn)[5]，測量車輪鋼斷裂韌度使用CT30試樣(B，W和a0/W分別為30 mm, 60 mm，0.45-0.55)。高強度、低韌性車輪鋼主要發(fā)生脆性斷裂，采用CT30試樣可以滿足其斷裂韌度測試的尺寸要求；低強度、高韌性車輪鋼主要發(fā)生延性斷裂，采用CT30試樣可能無法滿足斷裂韌度測試的尺寸要求。因此，有必要研究材料種類對車輪鋼斷裂機制的影響，進而確定采用CT30試樣測量不同種類車輪鋼斷裂韌度的合理性。

圖1 CT試樣

本研究使用CT30試樣測量了ER6、CL60和AAR-C車輪鋼平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，通過試驗結(jié)果有效性分析和斷口觀察，研究材料種類對車輪鋼斷裂機制的影響，確定了CT30試樣材料適用性。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

本文以牌號為ER6、CL60和AAR-C的車輪鋼為研究對象，上述車輪材料的最高含碳量分別為0.48%，0.60%和0.77%。車輪材料的強度等級主要通過碳含量來劃分。由表1可見，材料強度隨著碳含量的增加而增加，延展性隨碳含量的增加而減小。

表1 車輪鋼基本力學(xué)性能

2.2 試驗方法

使用CT30試樣按EN13262標(biāo)準(zhǔn)[6]取樣測試車輪鋼KIC。試樣的形狀如圖1所示，由于較長的預(yù)制裂紋能緩解載荷-位移曲線的彎曲，本研究的預(yù)制疲勞裂紋長度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，即a0/W≈0.55。因此，CT30試樣的主要尺寸B，a0和W- a0分別為30 mm，33 mm和27 mm。試驗工裝包括U型鉤、加載銷和夾持圓棒三部分，如圖2所示。CT試樣通過加載銷與U型鉤連接，夾持圓棒與U型鉤通過螺紋連接。試驗機通過夾持圓棒對CT試樣施加載荷。KIC測試過程主要包括預(yù)制疲勞裂紋和斷裂試驗兩部分。預(yù)制疲勞裂紋時，最小力與最大力之比為0.1。為了保證最后50%預(yù)制裂紋擴展量時的最大疲勞載荷符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且減少預(yù)制疲勞裂紋的機時，選擇降K法進行加載。斷裂試驗時，以0.9 準(zhǔn)靜態(tài)速率進行加載，直至試樣破斷，獲取試驗過程中的載荷-位移曲線。每種材料測試8個試樣，試驗后計算測量結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 載荷條件

圖3為試驗得到的車輪鋼P-V曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，95%割線與P-V曲線交點即是裂紋失穩(wěn)擴展開始時的載荷PQ，由PQ根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計算得到相應(yīng)的平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ。如果試樣尺寸和載荷條件滿足要求，則測得的平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ就是該材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC。

圖2KIC測試試驗示意圖

圖3 不同車輪鋼的P-V曲線

試驗得到的Pmax/PQ和 KQ測試結(jié)果見表2。可見，三種車輪鋼的斷裂韌度由高到低排列依次為ER6，CL60和AAR-C。由于ER6車輪鋼的韌性較好，P-V曲線出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎曲，如圖3(a)所示，導(dǎo)致Pmax/PQ明顯大于1.1，不滿足載荷條件。韌性較差的CL60和AAR-C車輪鋼，P-V曲線幾乎是線性的。因此，Pmax/PQ均小于1.1，滿足載荷條件。需要指出的是，可能是AAR-C車輪韌性過低，測試過程中P-V曲線經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋非穩(wěn)定擴展的POP-IN現(xiàn)象。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1820[5]對數(shù)據(jù)進行處理，AAR-C車輪輪輞材料出現(xiàn)的POP-IN現(xiàn)象不影響數(shù)據(jù)有效性。

3.2 尺寸條件

根據(jù)平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ測試結(jié)果以及平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件(見第1節(jié))，可計算出測量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC所需的最小CT試樣尺寸，見表3。對于ER6車輪鋼，測量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC所需的試樣尺寸大于CT30試樣尺寸，因此使用該試樣不能滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件，試驗僅能得到平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ。對于CL60和AAR-C車輪鋼，使用CT30試樣同時滿足載荷條件和尺寸要求，可以使用該試樣測量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC。

表2 Pmax/PQ和 KQ測試結(jié)果

表3 測量KIC所需最小試樣尺寸

3.3 斷裂機制

ER6、CL60和AAR-C車輪試樣斷口形貌分別如圖4至圖6所示。車輪鋼的斷裂韌度主要取決于晶粒尺寸、先共析鐵素體含量、珠光體片層距、析出物等因素。ER6試樣斷口存在疲勞裂紋區(qū)、延性斷裂區(qū)和解理斷裂區(qū)，其中疲勞裂紋區(qū)在預(yù)制裂紋階段產(chǎn)生。可見，ER6試樣的斷裂機制主要表現(xiàn)為延性斷裂和解理斷裂，且延性斷裂區(qū)對材料斷裂韌度有較大貢獻。這是由于ER6材料的碳含量較低，具有較高的鐵素體含量。CL60和AAR-C車輪鋼的鐵素體含量較低，其主要斷裂機制均表現(xiàn)為解理斷裂，疲勞裂紋區(qū)與解理斷裂區(qū)之間不存在延性斷裂區(qū)，因此，這兩種車輪鋼的斷裂韌度明顯均低于ER6車輪鋼。從圖5(b)和圖6(b)可見，AAR-C試樣的解理面大于CL60試樣，且不同解理面間過渡較為平緩。因此，裂紋在AAR-C試樣中的擴展阻力小于CL60試樣，AAR-C車輪鋼的斷裂韌度小于CL60車輪鋼。

圖4ER6試樣斷口形貌

圖5CL60試樣斷口形貌

圖6AAR-C試樣斷口形貌

從上述分析可見，隨著碳含量的增加，延性斷裂在斷裂機制所占比例逐漸降低，而解理斷裂所占比例逐漸增加，因此車輪的斷裂韌度逐漸降低。對于ER6車輪鋼，CT30試樣無法滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件；對于CL60和AAR-C車輪鋼，CT30試樣滿足平面應(yīng)變和小范圍屈服條件。可見，當(dāng)車輪鋼的主要斷裂機制表現(xiàn)為解理斷裂，CT30試樣適用于測試車輪鋼斷裂韌度。

4 結(jié)論

本研究使用CT30試樣測量了ER6、CL60和AAR-C車輪鋼平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，分析了材料種類對車輪鋼斷裂行為影響，研究了使用CT30試樣測試車輪鋼KIC的適用性。主要結(jié)論如下：

使用CT30試樣測量KIC時，ER6不滿足載荷條件、平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件；CL60和AAR-C同時滿足載荷條件、平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件。

隨著碳含量的增加(ER6→CL60→AAR-C)，延性斷裂在車輪鋼斷裂機制所占的比例逐漸降低，而解理斷裂所占的比例逐漸增加，因此車輪鋼的斷裂韌度逐漸降低。

車輪鋼(CL60、AAR-C)主要斷裂機制表現(xiàn)為解理斷裂，CT30試樣滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件，適用于測試車輪鋼的平面應(yīng)變斷裂韌度。