噴丸強化對異物致?lián)p車軸鋼疲勞性能的影響

王連慶，羅 艷，吳圣川，謝 普

（1.北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室，北京100083；2.西南交通大學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130052）

1 引言

預計2020年底，我國高速鐵路總里程將達到3.9萬公里，運營速度世界第一，然而運用環(huán)境和載荷極端復雜。例如，直接暴露在大氣環(huán)境中的車軸表面，在超長距離運行中，不可避免地受到各種外物擊打，嚴重破壞車軸結構的完整性，造成極大安全隱患［1］。尤其是近年來，在無砟軌道和有砟軌道上運行的車軸表面發(fā)現(xiàn)深度不一、形貌各異的異物傷損，初步判斷應為強風卷起異物（道砟、冰雪等）高速擊打所致。調研表明，我國高鐵車軸表面的各類缺陷中，意外劃傷和異物擊傷兩類缺陷占比超過90%，部分缺陷最大深度超過1.5mm。由此可見，不宜再單純沿用過保守的名義應力設計方法來處理異物致?lián)p車軸。有必要引入基于斷裂力學的損傷容限設計方法對傷損車軸剩余強度及壽命進行深入研究。

合適的強化技術在材料表面形成梯度分布組織、硬度和殘余應力，能夠顯著提高零部件的使用壽命。例如，在同樣遭受異物致?lián)p（FOD）的航空發(fā)動機葉片中，采用激光沖擊強化方法能夠成倍提高葉片的疲勞強度和壽命［2］。噴丸強化（SP）作為一種重要的強化工藝，廣泛應用于汽車、航天、石化、艦船等領域。噴丸強化的基本原理為，通過噴射快速的彈丸連續(xù)撞擊材料或零件表面，使構件表層產生塑性變形，從而形成硬化層，同時在表面引入了殘余壓應力，可以抑制裂紋萌生和擴展，進而有效地提高構件的服役性能［3，4］。

鑒于現(xiàn)役高鐵車軸運用中受到各種異物擊打和擦劃，導致車軸按照維修規(guī)程提前報廢，給企業(yè)造成巨大損失，嚴重沖擊了鐵路運行秩序。為此，論文對合金鋼EA4T試樣進行噴丸強化，通過高周疲勞試驗分析噴丸強化對異物致?lián)p材料疲勞性能的影響。與此同時，利用X射線衍射法（XRD）和納米壓痕儀對噴丸強化層的殘余應力和微觀硬度值進行測試，揭示噴丸強化機制。最后采用修正Kitagawa-Takahashi（K-T）圖［5］對受異物沖擊的高鐵車軸鋼試樣進行缺陷容限評估。研究結果將為川藏鐵路車軸的設計與運用提供技術參考。

2 材料與試驗

2.1 疲勞試樣制備

以現(xiàn)役高鐵車軸合金鋼EA4T（或者25CrMo4）作為模型材料，其彈性模量E=225MPa，屈服強度σ0.2=591MPa，抗拉強度σb=722MPa，延伸率ψ=17%。運用中檢修發(fā)現(xiàn)，由于FOD多發(fā)生于軸身，并且約有88%的FOD發(fā)生在距離非齒輪箱端約（950～1160）mm處［1］，因此在此處切取高周疲勞（HCF）狗骨形平板試樣，如圖1所示。試樣的設計規(guī)則為：未SP強化和無FOD的光滑試樣（UnSPed+UnFODed）、SP強化的光滑試樣（SPed+UnFODed）、未SP強化處理的FOD試樣（UnSPed+FODed）以及SP強化再預制FOD的試樣（SPed+FODed）。

圖1 高周疲勞試驗試樣形狀及尺寸Fig.1 High Cycle Fatigue Sample Geometry and Size

2.2 表面噴丸處理

眾所周知，表面強化能夠顯著提高材料及部件的服役壽命，降低裂紋萌生和擴展動力［3，4］。為了消除機加工引入的劃痕和塑性層，在噴丸強化處理前用砂紙將試樣兩面打磨至鏡面狀態(tài)。然后，在試樣兩面采用直徑d=0.425 mm的標準鋼丸AS110H進行表面處理，彈丸噴射速度為v=120 m/s，覆蓋率為200%。按照2.1節(jié)規(guī)劃，在試樣噴丸強化完成后，將部分試樣進行2.3節(jié)所述的異物沖擊試驗［1］。

2.3 異物沖擊損傷

發(fā)動機葉片和車軸的異物致?lián)p調查發(fā)現(xiàn)［1-4］，實際缺陷的尺寸和形貌差異較大，若采用真實不規(guī)則異物開展疲勞行為研究不僅周期較長、費用較高，結果可靠性也難以保證。為此，本論文異物沖擊損傷采用空氣炮裝置［6］發(fā)射直徑為d=6mm的GCr15鋼質（E=219GPa，泊松比v=0.3，均值硬度HRC=63）彈丸垂直沖擊板狀試樣來引入FOD缺陷。此外，為了盡可能的模擬高速鐵路車軸的真實運營速度，F(xiàn)OD試驗中沖擊彈丸的速度設定為350km/h，即約100m/s。

2.4 殘余應力測量

噴丸強化能夠提高構件疲勞性能的原理之一是在表面一定厚度內引入了殘余壓應力。為了揭示殘余應力演化及其對疲勞性能的影響，采用型號為X350A的X射線殘余應力分析儀獲得噴丸強化后表層內的殘余應力梯度分布。試驗基本參數(shù)為：使用Cr-Kα輻射，衍射晶面（211），準直管直徑2mm，X射線管高壓20.0kV，X射線光管電流5.0mA。同時，為了獲得試樣厚度方向的殘余應力分布，使用電解拋光逐步剝層法測量不同深度下的殘余應力值。

2.5 微觀硬度測試

顯微硬度是反映材料變形及抗疲勞性能的重要參數(shù)之一。噴丸強化通過在表面引起強烈的塑性變形，從而造成硬度值的改變［7］。考慮到噴丸強化層的厚度較薄，采用具有玻式三面椎形金剛石壓頭的G200納米壓痕儀對EA4T試樣母材和強化層的顯微硬度進行測量。鑒于硬度測試數(shù)據(jù)可能存在的分散性，在每一測量深度下測試三個數(shù)據(jù)點，最終的硬度值將采用三者均值作為衡量標準。

2.6 高周疲勞試驗

為了考察FOD和噴丸強化對車軸鋼疲勞性能的影響，對光滑試樣進行應力比R=0.1的高周疲勞試驗。鑒于FOD缺口尺寸和形貌的大離散性［1，6］，采用Maxwell［8］等提出的逐步加載法估算疲勞極限。其基本原理是，設置初始應力小于預期疲勞極限，若第一個107循環(huán)周次內試樣未失效，增大5%應力后重復上述過程，直至第i個107周次發(fā)生斷裂。則最后兩個循環(huán)的最大應力可用于試樣的疲勞極限值：

式中：σf—107周次時材料的疲勞極限；σi—第i個循環(huán)時最大應力；Nfai—第i個循環(huán)時循環(huán)周次。

2.7 裂紋擴展門檻值試驗

考慮到經(jīng)過噴丸強化后，試樣的抗疲勞裂紋擴展能力會發(fā)生變化，參照國家標準《GB/T 6398-2000金屬材料疲勞裂紋擴展速率實驗方法》使用含中心孔直徑d=1mm和預制裂紋長度a=1.5mm的中心裂紋板（MT）試樣進行未SP試樣和SP試樣的應力比R=0.1的裂紋擴展門檻值測試。

3 結果與分析

3.1 FOD缺陷形貌

采用體式顯微鏡觀察異物沖擊缺口的形貌及特點。由球形異物沖擊所得的沖擊坑具有規(guī)整圓形的典型特征，并且截面形狀類似于半橢圓形，如圖2所示。一般認為，這種造成幾何不連續(xù)的宏觀缺口將會產生明顯的應力集中現(xiàn)象［7］，從而為疲勞裂紋的萌生和擴展提供了有利條件，一定程度上降低了車軸的疲勞強度及壽命。文獻［9］指出，當表面缺陷的投影面積平方根√area小于1 mm時，該缺陷可視為短裂紋。由尺寸測量結果可得，該沖擊坑的表面直徑約為d=2.9mm，深度h=0.42mm，投影面積平方根√area=0.796mm。

圖2 鐵路車軸鋼試樣FOD缺口特征Fig.2 Typical FOD Features of Axle Steel Specimen

3.2 殘余應力分布

噴丸強化在EA4T鋼試樣表層一定深度內引入了梯度分布的殘余壓應力，如圖3所示。最大殘余壓應力值-546MPa大約位于深度為40μm處，并且隨著深度的增大，殘余應力絕對值逐漸減小。相關研究指出［3］，梯度變化的殘余壓應力將在外部加載過程中有效地抑制疲勞裂紋的萌生和擴展。

圖3 車軸鋼試樣表面殘余應力分布.Fig.3 Residual Stress Curve into Axle Steel Specimen.

3.3 顯微硬度分布

噴丸強化前后從母材試樣和FOD試樣表面到內部的顯微硬度值發(fā)生變化，如圖4所示。圖中藍色平行虛線的硬度值代表EA4T母材的硬度值約為3.42 GPa。

圖4 車軸鋼試樣噴丸層顯微硬度值分布Fig.4 Micro Hardness Curves of Peened Axle Steel Specimens

從圖中可以清楚地看出，強化層的硬度值由表面的最大值4.41 GPa隨著深度的增加迅速減小，直到深度為200 μm左右時接近母材硬度值。

3.4 高周疲勞性能

研究指出，噴丸強化引入殘余壓應力和硬化層，能提高車軸的 疲 勞 性 能［10］。對UnSPed+UnFODed、SPed+UnFODed、Un-SPed+FODed和SPed+FODed等四類試樣的疲勞極限分析發(fā)現(xiàn)，不管車軸試樣強化與否，異物沖擊后，試樣的疲勞極限均較光滑試樣低，如圖5所示。然而，經(jīng)過噴丸強化后光滑試樣的疲勞極限提高了16%（約230 MPa），而FODed試樣的疲勞極限提高了18%（約215 MPa），意味著試樣損傷后采用表面強化方法進行處理，能夠一定程度上恢復材料的疲勞性能?？傊?，無論是光滑試樣還是FODed試樣，SP強化處理能有效地抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，提升疲勞性能。

圖5 車軸試樣不同條件下疲勞極限Fig.5 Fatigue Limits of Specimens under Different Conditions

為了進一步分析SP強化處理對車軸鋼疲勞壽命的影響，將UnSPed+UnFODed、SPed+UnFODed、UnSPed+FODed和SPed+FODed等四類試樣的高周疲勞壽命數(shù)據(jù)進行擬合得到高周疲勞S-N曲線?？紤]到相同的試樣在同一試驗環(huán)境下得到的疲勞數(shù)據(jù)亦會存在一定分散性。采用近似歐文單側公差極限法［1］繪制置信度為95%、可靠度為95%（C95R95）的疲勞P-S-N曲線，如下所示：

式中：Kowen—經(jīng)驗系數(shù)；角標R—可靠性；C—置信度；φ（·）—標準正態(tài)累積分布；ns—試樣數(shù)量；b1，b2，b3，b4，c1，c2和c3—歐文系數(shù)。

據(jù)此可得近似歐文單側公差極限法不同試樣的疲勞P-S-N曲線擬合參數(shù)，如表1所示。

表1 歐文單側公差極限法參數(shù)Tab.1 Specimen Parameters and KOwen Coefficents

UnFODed和FODed試樣經(jīng)噴丸強化后所得到的高周疲勞S-N曲線均位于未強化試樣的上方，如圖6所示。這表明無論在高應力載荷下還是低應力載荷下，噴丸強化都能有效提高車軸的疲勞性能。進一步地，引入的概率統(tǒng)計方法擬合的疲勞P-S-N曲線落在所有試驗數(shù)據(jù)下，說明該存活率下的疲勞壽命具有較高的可靠性。

圖6 異物致?lián)p車軸試樣高周疲勞曲線Fig.6 High Cycle Fatigue Curves of FODed Axle Steel Specimens

4 缺陷容限評價

前述指出，車軸在運用中，受到各種異物撞擊形成FOD。這些損傷破壞了車軸的結構完整性，形成局部應力集中，并且沖擊坑處存在的微觀損傷和殘余應力會促使裂紋在疲勞載荷作用下萌生和擴展［6］。因此，傳統(tǒng)的忽視缺陷存在，并假設材料為無缺陷連續(xù)體的名義應力設計及評估方法已難以有效處理含F(xiàn)OD缺陷鐵路車軸的疲勞可靠性評估問題。

作為當前材料及結構缺陷容限評價的經(jīng)典和有效方法，Kitagawa-Takahashi（K-T）圖可用于受異物沖擊葉片和車軸的疲勞評估中［1，6］，實現(xiàn)疲勞極限與缺陷尺寸的關聯(lián)。

傳統(tǒng)K-T圖是裂紋尺寸a與疲勞強度范圍Δσw構成的雙對數(shù)坐標圖。隨著K-T評定圖的發(fā)展，El-Haddad考慮到裂紋處于短裂紋狀態(tài)時，各種裂紋閉合效應未完全建立，因此引入?yún)?shù)a0對裂紋長度進行修正如下：

式中：a—裂紋長度；a0—材料的本征裂紋長度。

文獻［9］證明當缺陷的參數(shù)√area小于1 mm時，可將該缺陷視為短裂紋進行缺陷容限評估，因此以上K-T圖可以進一步修正為：

式中：Y—缺陷系數(shù)，當缺陷為表面缺陷時，取值0.65。

由于疲勞壽命具有大分散性，為了更可靠的對FODed車軸鋼試樣進行疲勞評估，采用C95R95條件下的疲勞極限值建立其概率K-T圖。因此，模型中的各參數(shù)為：對于未噴丸強化試樣有ΔKth，UnSPed=5MPa·m1/2，Δσ0，UnSPed=357MPa；強 化 試 樣ΔKth，SPed=7 MPa·m1/2，Δσ0，SPed=429MPa。

兩種狀態(tài)下當缺陷尺寸大于√area0后，試樣的疲勞強度隨著FOD缺陷投影面積的增大而減小，如圖7所示。與此同時，噴丸強化后車軸鋼試樣的K-T圖曲線位于未強化試樣曲線上方，進一步證明了EA4T車軸鋼試樣經(jīng)過噴丸強化后疲勞性能得到了提高，能夠實現(xiàn)在相同缺陷尺寸下得到更高的服役性能。這一結果，為川藏鐵路車軸運用檢修及剩余壽命和強度評估提供重要的理論支撐。

圖7 異物致?lián)p高鐵車軸鋼的修正K-T圖Fig.7 Modified KT Diagram of FODed Axle Steel Specimens

5 結論

論文對高鐵車軸EA4T車軸鋼試樣進行表面噴丸強化，并同時預制FOD缺陷，然后通過殘余應力測試、納米壓痕及高周疲勞試驗等對不同狀態(tài)下的車軸鋼試樣進行抗疲勞斷裂研究與分析，結論如下：

（1）球形異物沖擊試樣形成的FOD缺口表面是規(guī)則的圓形，截面形狀類似于半橢圓形。

（2）噴丸強化處理在試樣近表層一定深度內引入了梯度分布的殘余壓應力，其中最大殘余壓應力值-546MPa位于深度為40μm處。

（3）車軸鋼試樣經(jīng)噴丸強化后，在表層形成了硬化層，硬度值由表層最大值4.41GPa隨深度的增加急劇減小，至約0.2mm處到達基體。

（4）對于FODed試樣，未SP強化和SP強化處理試樣的疲勞極限均較光滑試樣有一定程度降低。然而，噴丸強化處理后光滑試樣和受異物沖擊試樣的疲勞極限較未強化分別提高了約16%和18%。

（5）修正K-T圖能夠更加可靠地評估車軸鋼的疲勞承載安全區(qū)。同時，由于噴丸強化能夠提高疲勞性能，SPed試樣的K-T圖曲線始終位于UnSPed試樣的曲線上方，表明噴丸強化后車軸試樣能夠得到更高的安全裕度。