U75V重軌鋼彎曲疲勞裂紋擴展行為

岑耀東，郭曜琿，馬 瀟，陳 林，包喜榮

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

近年來，隨著列車載重和運速的提高，對鋼軌的使用安全性和可靠性提出更高的要求，鋼軌的疲勞壽命問題顯得尤為突出[1-4]。珠光體鋼軌由于具有較高的強度、硬度及優異的耐磨性等優點，是當前鐵路運輸中使用最廣泛的鋼軌之一[5-7]。基于提高珠光體鋼軌服役可靠性的考慮，對其疲勞裂紋性能的研究成為一個熱點。Królicka等[8]研究了珠光體鋼軌的疲勞裂紋擴展特點，發現珠光體鋼軌疲勞裂紋主要沿著團簇的邊界擴展。Bonniot等[9]研究了R260珠光體鋼軌Ⅱ+Ⅲ混合模式下的疲勞裂紋擴展門檻值，構建了適用于裂紋尖端剪切/拉伸驅動的疲勞損傷模型，用于疲勞裂紋擴展路徑和擴展速率的預測。Masoudi等[10]研究了珠光體鋼軌的疲勞裂紋萌生和擴展機制，采用有限元軟件構建了裂紋尖端應力場模型，并且考慮非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生及擴展的影響，對疲勞裂紋擴展速率Paris公式進行修正。Maya-Johnson等[11-12]對珠光體結構進行了原位動態拉伸，研究珠光體結構的變形和裂紋擴展路徑，發現結構中的先共析鐵素體對珠光體結構的斷裂有很大影響，變形初期，變形主要發生在鐵素體中，裂紋常在珠光體與鐵素體的界面處形核，預變形的鐵素體群織構對裂紋的彎曲、分叉和尖端鈍化有影響。

由于珠光體鋼軌是由鐵素體和滲碳體組成的片層狀組織，采用優化熱處理工藝細化晶粒成為提高鋼軌強度、硬度和耐磨性的常用方法[13-15]。U75V重軌鋼是典型的珠光體鋼軌，應用范圍較廣。李闖[16]研究了U75V重軌鋼的在線熱處理工藝，并且測定了U75V重軌鋼的連續冷卻轉變曲線和等溫轉變曲線。Lan等[17]研究了淬火溫度和冷卻速度對U75V重軌鋼組織和力學性能的影響，測定了動態CCT曲線，發現采用淬火溫度750 ℃、冷速3～5 ℃/s可以得到較細的片層組織，明顯提高鋼軌的抗拉強度和硬度。Kang等[18]研究了U75V重軌鋼不同冷卻速度下硬化層的硬度和珠光體片層間距之間的關系。呂斌等[19]采用拉壓疲勞實驗分級降載法對U75V重軌鋼進行疲勞裂紋門檻值的測定，分析鋼軌的疲勞失效特點。Hua等[20]研究了U75V重軌鋼的滾動接觸摩擦疲勞及表面摩擦磨損性能，發現隨著循環次數的增加，鋼軌表面磨損機制轉變為疲勞磨損，摩擦面塑性變形層滲碳體發生彎曲、斷裂、碎裂甚至溶解。目前關于優化熱處理工藝提高U75V重軌鋼常規力學性能，以及U75V重鋼軌疲勞失效方面的研究較多，鮮有關于鋼軌珠光體片層間距、層狀方向等對疲勞裂紋擴展影響方面的報道。因此，深入研究探討珠光體鋼軌的微觀組織對疲勞裂紋擴展速率的影響有重要意義。

在前期對U75V重軌鋼熱處理工藝進行優化研究的基礎上[21-23]，本工作重點分析U75V重軌鋼三點彎曲疲勞裂紋擴展速率的特點，系統地研究U75V重軌鋼的微觀組織、珠光體片層間距、片層方向、分支裂紋及裂紋擴展軌跡對疲勞裂紋擴展速率的影響，探討U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展行為。

1 試樣制備及實驗方法

實驗材料為某軌梁廠生產的75 kg/m U75V重軌鋼，一種為軋后900 ℃空冷到室溫(簡稱軋態)，另一種是軋后900 ℃空冷到750 ℃然后進行風冷，快速冷卻到室溫(簡稱熱處理態)。U75V重軌鋼的化學成分如表1所示。根據TB/T 2344—2012確定標準單邊缺口三點彎曲試樣，取樣位置及尺寸圖如圖1所示。疲勞裂紋擴展實驗在Sincotec高頻疲勞試驗機上進行，設定疲勞載荷Fmax=15 kN，Fmin=7.5 kN，應力比R=0.5。按照GB/T 6398—2017的顯微目測法觀測疲勞裂紋長度a，并且記錄循環次數N，測定疲勞裂紋擴展a-N曲線，然后通過Origin求導擬合出疲勞裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子范圍ΔK曲線，再根據da/dN-ΔK曲線上每一階段的拐點，劃分出疲勞裂紋擴展的3個階段:第1階段(裂紋萌生)、第2階段(裂紋擴展)、第3階段(瞬時斷裂)。

表1 U75V重軌鋼的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of U75V heavy rail steel(mass fraction/%)

圖1 三點彎曲試樣 (a)取樣位置；(b)加載示意圖；(c)試樣尺寸Fig.1 Three-point bending specimen (a)sampling location;(b)loading diagram;(c)specimen size

試樣斷裂后，用丙酮超聲波清洗疲勞斷口，采用Smart Zoom5顯微鏡觀察疲勞斷口的完整宏觀形貌。根據a-N曲線上各個階段的裂紋長度確定疲勞斷口Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區。然后將試樣進行拋光，并用體積分數為4%的硝酸酒精進行腐蝕，利用Axio Vert. A1顯微鏡觀察微觀組織形貌，使用GALA3 TESCAN場發射掃描電鏡觀察其裂紋擴展軌跡及微觀斷口形貌，采用Image J分析測量軟件對珠光體片層及疲勞輝紋間距進行測量和統計。

2 U75V重軌鋼的疲勞斷口形貌

2.1 疲勞斷口的宏觀形貌

圖2為軋態、熱處理態U75V重軌鋼的宏觀疲勞斷口。表2是與之對應的3個區域的疲勞裂紋長度a和循環次數N。由圖2(a-1)，(b-1)可以看出，軋態試樣的宏觀疲勞斷口與熱處理態明顯不同。雖然軋態、熱處理態試樣的疲勞斷口在Ⅰ區和Ⅱ區相對光滑平坦，但兩種試樣斷口在由Ⅱ區向Ⅲ區過渡的位置存在顯著差異，軋態試樣的疲勞斷口在過渡區的晶粒遠比熱處理態試樣粗大，而且軋態試樣的整體斷口晶粒體積明顯大于熱處理態試樣。由圖2(a-2)，(b-2)可以看出，軋態試樣疲勞斷口的最大起伏度為2125 μm，而熱處理態試樣疲勞斷口的最大起伏度為1744 μm，軋態試樣的疲勞斷口起伏度要大于熱處理態，斷口相對較平直。由表2可知，在Ⅰ區，軋態試樣的疲勞裂紋長度比熱處理態試樣的多0.33 mm，而軋態試樣的疲勞循環次數卻比熱處理態試樣的少4.5×104次，說明軋態U75V重軌鋼疲勞裂紋的萌生以及進入Ⅱ區都要快于熱處理態；在Ⅱ區，軋態試樣疲勞裂紋長度僅比熱處理態試樣的少1.40 mm，而疲勞循環次數卻少9×104次，說明熱處理態U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展在穩態擴展區持續時間相對較長；在Ⅲ區，軋態和熱處理態試樣的疲勞裂紋擴展速率均快于各自的Ⅰ區和Ⅱ區，軋態試樣疲勞裂紋長度比熱處理態試樣的多1.97 mm，而疲勞循環次數卻少0.5×104次。由此得出，軋態U75V重軌鋼的三點彎曲疲勞裂紋擴展速率在不同階段均快于熱處理態。

圖2 U75V重軌鋼的疲勞斷口(1)和表面輪廓圖(2) (a)軋態；(b)熱處理態Fig.2 Fracture morphologies(1) and surface profiles(2) of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat-treated

表2 U75V重軌鋼疲勞裂紋擴展數據Table 2 Fatigue crack growth data of U75V heavy rail steel

2.2 疲勞斷口的微觀形貌

圖3為軋態、熱處理態U75V重軌鋼試樣的疲勞裂紋擴展Ⅱ區范圍內的疲勞斷口形貌。可以看出，軋態試樣疲勞斷口呈現大量的河流花樣與解理面，河流花樣面積較大而且趨于匯合，疲勞輝紋較少，斷口具有明顯的穿晶準解理斷裂特征。由于河流花樣是裂紋在擴展過程中形成的扇形面，當斷口表面河流花樣通過二次解理或與螺型位錯相交時產生割階，在遇到相鄰的河流花樣擴展臺階時會合并，從而加快裂紋擴展速率。熱處理態試樣斷口呈現大量的解理臺階和河流花樣，斷口同樣具有穿晶準解理斷裂特征，但斷口的河流花樣面積較小，且以支流為主，支流匯合的現象較少，斷口表面具有撕裂棱和較細密的疲勞輝紋，同時還出現較多的二次裂紋。

圖3 U75V重軌鋼的疲勞斷口形貌 (a)軋態；(b)熱處理態Fig.3 Fatigue fracture morphologies of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat-treated

由圖3放大圖可以看出，熱處理態試樣斷口的疲勞輝紋比軋態密集，通過測量發現軋態試樣和熱處理態試樣的疲勞輝紋平均間距分別為253 nm和215 nm，熱處理態試樣疲勞輝紋間距遠小于軋態試樣。疲勞輝紋的實質是材料在交變載荷下發生疲勞裂紋擴展時在斷口上留下的顯微痕跡，而疲勞輝紋間距表示每次循環裂紋產生的擴展距離。熱處理態試樣疲勞輝紋間距較小，說明熱處理態試樣的整體裂紋擴展速率較慢。

3 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展速率

圖4為U75V重軌鋼的a-N曲線及對應的da/dN-ΔK曲線。由圖4(a-1)，(b-1)可以看出，軋態和熱處理態試樣的疲勞裂紋擴展a-N曲線整體變化趨勢相近。在疲勞裂紋擴展初期，隨循環次數的增加，疲勞裂紋長度增長緩慢。當裂紋擴展到一定程度之后，裂紋長度開始陡增。但是，隨循環次數的增加，軋態試樣和熱處理態試樣的裂紋長度相對差值也逐步增大，說明相同疲勞加載條件下熱處理態試樣的疲勞壽命大于軋態。

圖4 U75V重軌鋼的a-N曲線(1)和da/dN-ΔK曲線(2) (a)軋態；(b)熱處理態Fig.4 a-N curve(1) and da/dN-ΔK curve(2) of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat treated

由圖4(a-2)，(b-2)可以看出，軋態和熱處理試樣的疲勞裂紋擴展速率da/dN在曲線的不同階段有明顯的區別，但整體上都隨著ΔK的增大而增大。此外，可以發現在曲線各個階段熱處理態試樣的疲勞裂紋擴展速率da/dN始終小于軋態，通過對其線性擬合可以分別得到Paris公式中的疲勞裂紋擴展常數C，m值，以及ΔK在10 MPa·m1/2和13.5 MPa·m1/2時的裂紋擴展速率da/dN值，如表3所示。根據TB/T 2344—2012要求，鋼軌的裂紋擴展速率da/dN值在ΔK為10 MPa·m1/2時不應超過17 mm·cycle-1，在ΔK為13.5 MPa·m1/2時不應超過55 mm·cycle-1，而且在符合鐵標規定的前提下越小越好。由表3可以看出，熱處理態試樣的裂紋擴展速率da/dN值在ΔK為10 MPa·m1/2和13.5 MPa·m1/2時遠小于軋態，說明熱處理態試樣的抗疲勞裂紋擴展能力優于軋態。

表3 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展常數C，m值及疲勞裂紋擴展速率Table 3 Fatigue crack growth constants C, m and fatigue crack growth rate of U75V heavy rail steel

4 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展軌跡

圖5為軋態、熱處理態U75V重軌鋼的微觀組織及疲勞裂紋。由圖5(a-1)，(b-1)可以看出，軋態試樣具有清晰的珠光體片層，而熱處理試樣在相同倍數下很難觀察到珠光體片層，掃描電鏡觀察結果顯示軋態和熱處理態試樣的珠光體片層間距分別為272 nm和148 nm，充分證明熱處理態試樣的珠光體片層比軋態更細密。由圖5(a-2)，(a-3)，(b-2)，(b-3)可以看出，與軋態試樣的微觀組織相比，熱處理態試樣內部的珠光體片層間距細密，而且片層方向和排布更加多樣，珠光體片層呈多角度交替排布，這種多角度交替排布的珠光體片層結構有利于抑制裂紋的萌生。此外，由于珠光體片層間距減小，相界面增加，導致滑移距離縮短，阻礙擴展疲勞裂紋的擴展。對比圖5(a-4)，(b-4)中的疲勞裂紋擴展軌跡與珠光體片層，可以發現，軋態和熱處理態試樣的疲勞裂紋在珠光體中的擴展均為橫切多層珠光體片層或沿其相界進行，即以穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種方式進行擴展。但是，與軋態試樣不同的是，由于熱處理態試樣中珠光體片層間距更加細密，片層排布多樣，裂紋在擴展中受到更多的阻礙，因此在疲勞裂紋擴展軌跡中出現明顯的裂紋橋接、Z字形回折及分支裂紋，這種曲折的裂紋擴展路徑及分支裂紋可以極大消耗裂紋擴展的能量，從而降低裂紋擴展速率。

圖5 軋態(a)、熱處理態(b)U75V重軌鋼顯微組織及疲勞裂紋(1)金相顯微組織；(2)珠光體結構；(3)珠光體片層；(4)裂紋擴展軌跡Fig.5 Microstructures and fatigue cracks of U75V heavy rail steel of rolled(a) and heat-treated(b)(1)metallographic microstructures;(2)pearlite structures;(3)pearlite lamella;(4)crack propagation trajectory

圖6為軋態和熱處理態試樣疲勞裂紋擴展軌跡的EBSD像。可知，軋態和熱處理態試樣的疲勞裂紋擴展均以穿晶斷裂與沿晶斷裂混合方式進行，且以穿晶斷裂為主，同時發現熱處理態試樣中有顯著的珠光體團簇。通過對比軋態和熱處理態試樣的組織及疲勞裂紋擴展軌跡，發現熱處理態試樣的疲勞裂紋擴展軌跡比軋態試樣曲折。這是因為，U75V重軌鋼的珠光體片層由滲碳體與鐵素體組成，而鐵素體具有較好的塑性，所以疲勞裂紋優先在其內部形成和擴展，而滲碳體為硬質片，不利于疲勞裂紋擴展。由于熱處理態U75V重軌鋼的珠光體片層間距比軋態試樣細小，滲碳體數量較多，阻礙裂紋擴展的效果更加明顯。此外，當裂紋在擴展過程中遇到珠光體團簇時，因團簇邊界處的滲碳體取向不同，且存在鐵素體帶，疲勞裂紋易于在鐵素體中萌生和擴展，當裂紋擴展遇到滲碳體時，裂紋會改變擴展方向，向薄弱的方向擴展，造成裂紋軌跡曲折，這也是熱處理態試樣出現曲折的裂紋擴展路徑及分支裂紋的主要原因。

5 結論

(1)軋態U75V重軌鋼的疲勞斷口呈現大量的河流花樣與解理面，河流花樣面積較大且趨于匯合，疲勞輝紋間距為253 nm，斷口具有明顯的穿晶準解理斷裂特征。熱處理態U75V重軌鋼疲勞斷口呈現大量的解理臺階和河流花樣，斷口同樣具有穿晶準解理斷裂特征，但斷口的河流花樣面積較小，且以支流為主，支流匯合的現象較少，斷口表面具有撕裂棱和細密的疲勞輝紋，疲勞輝紋間距僅為215 nm，同時還出現較多的二次裂紋。

(2)在相同的疲勞載荷、應力比及試樣尺寸條件下，軋態U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展速率始終大于熱處理態，而且裂紋擴展進入穩定擴展區更快，在裂紋擴展開始后更容易擴展至裂紋失穩階段。熱處理態U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展在穩定擴展區持續時間相對較長，進入瞬斷區滯后，抗疲勞裂紋擴展能力更好。

(3)U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴展方式為以穿晶斷裂為主的穿晶斷裂和沿晶斷裂混合擴展。軋態和熱處理態U75V重軌鋼的珠光體片層間距分別為272，148 nm。熱處理態的珠光體片層間距較小，而且方向和排布多樣，組織更加細密，滲碳體層數量較多，而且熱處理態的組織中出現珠光體團簇，造成其疲勞裂紋擴展軌跡中存在明顯的裂紋橋接、Z字形回折及分支裂紋，這種曲折的裂紋擴展路徑及分支裂紋可以明顯消耗裂紋擴展的能量，是其具有較高抗疲勞裂紋擴展能力的主要原因。