S38C車軸表層梯度材料的疲勞裂紋擴展性能研究*

鄒洪偉 李亞波 馬麗英 洪友士

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司工程實驗室 山東青島 266111；2.中國科學院力學研究所，非線性力學國家重點實驗室 北京 100190)

作為機車車輛中重要的安全部件，車軸承受車輛的全部重量。在目前動車組核心部件的檢修周期延長的前提下，對車軸損傷容限和剩余壽命的評估就變得尤為重要[1]。

CRH2型動車組采用的車軸基材為日本S38C牌號鋼[2]。該系列車軸表面經過了感應加熱(感應加熱頻率3 kHz)、淬火(880～900 ℃加熱后水冷)、低溫回火(200 ℃回火)處理，獲得了表面硬化(強化)層[3]。該車軸深度約為2 mm的表面層為回火馬氏體組織，從距表面2 mm向里至約6 mm的區間為過渡層，表現為淬火-回火組織以及珠光體+鐵素體的混合組織[2]；距表面超過6 mm以后，顯微組織為珠光體+鐵素體，即正火態組織。該車軸距表層2 mm以內的維氏硬度為HV(551±36)；距表面2 mm以外，顯微硬度明顯減小，距表面2～6 mm處的維氏硬度約為HV230，距表面超過8 mm時，顯微硬度波動較小，平均值約為HV200，即為正火態組織的顯微硬度[2]。

具有不同顯微組織、不同硬度(強度)的車軸在不同表層深度必然存在著不同的殘余應力分布。為研究S38C車軸的疲勞裂紋擴展性能，本文作者從實際車軸截取試樣，保持實際車軸表層具有的顯微組織、硬度(強度)及其殘余應力呈梯度變化的情況，研究了表層梯度材料疲勞裂紋擴展特性以及殘余應力對疲勞裂紋擴展行為的影響，以期為S38C車軸損傷容限和剩余壽命評估提供依據。

1 試樣

1.1 試樣設計

試驗設計試樣為三點彎曲試樣，直接從現車車軸表層獲取，用來測試含硬化(強化)表層的車軸材料的疲勞裂紋擴展性能。參考GB/T 4161—2007[4]標準設計試樣尺寸。實際使用的試樣形狀和尺寸如圖1所示，車軸的硬化(強化)表層為試樣的受拉側，采用線切割技術在受拉側的中心位置預制0.5 mm深的缺口[5]，用來引導疲勞裂紋起裂和擴展。

圖1 三點彎曲試樣形狀和尺寸(mm)

三點彎曲試樣受拉側表面的名義應力可由式(1)[6]計算得到：

(1)

式中:σ為缺口處名義應力;p為施加載荷;w為試樣寬度;h為試樣高度;x為半跨距長。

1.2 試樣處理

采用磨床對截取的三點彎曲試樣的前后側表面(20 mm×100 mm)進行磨平，粗糙度控制在Ra=0.4 μm。對含硬化(強化)層試樣表面的2個支撐點位置進行磨平，以確保加載時2個支撐點的穩定支撐。

對加工好的試樣的側面中間區域用砂紙研磨，并進一步用金剛石拋光膏拋光。采用游標卡尺測量加工并研磨好的試樣的實際寬度與高度，加工的4種試樣的具體尺寸見表1。

表1 4種三點彎曲試樣的實際尺寸

1.3 試樣殘余應力分布測試

采用X射線應力儀，分別選取3個無缺口試樣和3個含0.5 mm深缺口的試樣，測量試樣垂直于車軸表層深度方向的殘余應力沿表層深度的分布[7]。不含缺口的光滑試樣與含0.5 mm深缺口的試樣的殘余應力測試結果分別見圖2和圖3。

圖2 無缺口試樣殘余應力沿車軸表層深度的分布

圖3 含0.5 mm深缺口試樣殘余應力沿車軸表層深度的分布

可以看出，3個無缺口的光滑試樣和3個含0.5 mm深缺口試樣的殘余應力在距車軸表面5 mm內分散性很小，在5 mm后分散性較大的原因應該跟測試精度有關。經過統計分析，無缺口試樣的最大殘余應力為-174 MPa，距車軸表面2 mm處；含0.5 mm深缺口試樣的最大殘余應力為-123 MPa(缺口試樣釋放了部分殘余應力)，在距車軸表面1.5 mm處。兩組試樣殘余應力均沿深度增加先增加后減小，在距車軸表面4 mm時變為0，之后轉變為拉應力。含0.5 mm深缺口試樣的殘余應力分布趨勢與無缺口試樣相同。

2 疲勞裂紋擴展試驗方法

2.1 試驗方法

采用三點彎曲疲勞加載(應力比R=0.1)，并采用光學攝像設備觀測試樣缺口側面。首先用較小的名義應力預制長度約0.5 mm的裂紋，然后施加疲勞試驗載荷,選取較高的名義應力進行加載，使疲勞裂紋在此應力下能夠一直擴展。試驗過程中通過光學攝像設備跟蹤疲勞裂紋的擴展[8]，然后用圖像處理軟件測量不同加載周次對應的裂紋尺寸，從而獲得疲勞裂紋長度、疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子之間的關系[9-10]。

三點彎曲試樣疲勞裂紋的應力強度因子幅值ΔK計算公式[11]為

(2)

(3)

式中：ΔK為應力強度因子幅值；Δσ為所施加載荷的名義應力幅值；a為疲勞裂紋長度；h為試樣高度。

疲勞裂紋擴展速率(vf)采用差分法計算[12],如式(4)所示，其中Ln為第N周裂紋長度，Lm為第M周裂紋長度。

vf=(Ln-Lm)/(N-M)

(4)

2.2 試驗設備

采用PLG100高頻疲勞試驗機和液壓式MTS疲勞試驗機分別對試樣進行三點彎曲疲勞加載[13]，試驗時搭建光學測量系統對試樣兩個側面進行觀察和記錄，監測疲勞裂紋的長度。高頻疲勞試驗機的試驗頻率為140 Hz，液壓式MTS疲勞試驗機的試驗頻率為15 Hz。

3 試驗結果及分析

3.1 疲勞裂紋擴展速率數據分析

根據公式(2)—(4)計算得到的應力強度因子幅值和疲勞裂紋擴展速率的數據，然后繪制二者的關系散點圖，如圖4所示；圖5給出了表1中4個試樣按距車軸表面不同深度劃分的疲勞擴展速率和應力強度因子幅值的關系。

圖5 距車軸表面不同深度疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅值的關系

由圖4和圖5可以看出，不同試樣的疲勞裂紋擴展速率均呈現先小幅增加，然后減小，最后單調增加的趨勢。在距車軸表面深度3～8 mm范圍時，疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子幅值單調增加。在距車軸表面深度0～2 mm范圍內，應力強度因子幅值為12 MPa·m1/2時，疲勞裂紋擴展速率為5×10-9m/cycle；隨著疲勞裂紋長度增加、應力強度因子幅值增大，疲勞裂紋擴展速率小幅增加到1×10-8m/cycle后又呈下降趨勢。在距車軸表面深度2～3 mm處，隨著應力強度因子幅值增大，疲勞裂紋擴展速率繼續降低至1×10-9m/cycle低速擴展，直到裂紋擴展到距車軸表面深度3 mm后，疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子幅值單調增加，表現出明顯的Paris區的特征[14]。

3.2 殘余應力對疲勞裂紋擴展影響分析

在疲勞裂紋擴展的過程中，殘余應力對疲勞裂紋擴展速率有重要影響。根據圖2和圖3測量的試樣殘余應力數據分布，采用式(5)[4]計算了有效應力強度因子。有效應力強度因子與疲勞裂紋擴展速率的關系如圖6所示。

(5)

由圖6可以看出，距車軸表面深度0～3 mm存在較大的殘余應力壓應力，從而使疲勞裂紋需要更大的驅動力才能擴展，而對距車軸表面深度3 mm以后殘余應力壓應力逐步減小并轉變為拉應力，對疲勞裂紋擴展沒有影響。殘余應力并未改變疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子幅值變化的趨勢。

圖6 疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅值(有效值)的關系

4 結論

(1)疲勞裂紋在具有硬化(強化)表層的缺口試樣中擴展時，在距車軸表面深度0～3 mm內，隨裂紋長度增加，應力強度因子幅值增大，疲勞裂紋擴展速率由5×10-9m/cycle增加到1×10-8m/cycle，之后降低至1×10-9m/cycle以下低速擴展，直到裂紋擴展到距車軸表面深度3 mm后，疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子幅值單調增加。

(2)殘余應力分布對疲勞裂紋擴展速率的影響顯著。距車軸表面深度0～3 mm，存在較大的殘余應力壓應力，從而使疲勞裂紋需要更大的驅動力才能擴展，而對距車軸表面深度3 mm以后殘余應力壓應力逐步減小并轉變為拉應力，對疲勞裂紋擴展沒有影響。殘余應力并未改變疲勞裂紋擴展速率隨應力強度因子幅值變化的趨勢。

(3)文中的研究獲取了距車軸表面不同深度時裂紋擴展速度隨應力強度因子幅值的變化趨勢，并且根據測試數據得到殘余應力分布對疲勞裂紋擴展速度的影響，為S38C車軸損傷容限和剩余壽命評估提供依據。