基于DIC的焊接鋼軌疲勞裂紋擴展特性研究

張欣超 ，彭 飛 ，2，張洪輝

1.中車工業研究院有限公司，北京 100161

2.清華大學 工業工程系，北京 100084

0 前言

為了滿足現代軌道交通高速、高舒適性及高可靠性的要求，世界各國紛紛采用焊接鋼軌線替代原來的間隙式機械連接鋼軌線。在輪軌滾動接觸力、蠕滑力及沖擊載荷作用下，焊接鋼軌表面及一定深度的次表面均會產生不同程度的損傷［1-2］。鋼軌表面裂紋能夠通過輪軌間的磨損被打磨去除，而位于接觸表面以下5～25 mm的次表面往往會成為危險區域［2］，在輪軌蠕滑力循環作用下可能導致次表面裂紋迅速擴展，隨著裂紋擴展到一定程度會導致鋼軌剝離甚至產生斷裂，并且焊接接頭常常作為整個結構的薄弱區域尤其值得關注。因此，準確評估焊接鋼軌次表面區域抗疲勞裂紋擴展能力具有重要的工程意義。

目前國內外評估材料抗疲勞裂紋擴展能力通常是基于Irwin理論，即采用應力強度因子幅進行表征［3］。20世紀70年代Elber發現疲勞裂紋擴展存在塑性誘導裂紋閉合效應，由于塑性誘導裂紋閉合導致裂紋擴展真實應力強度因子幅低于名義值［4］。在隨后幾十年里，國內外科研人員證實了多種形式誘導的裂紋閉合效應［5-7］。然而，目前國內外針對裂紋閉合對疲勞裂紋擴展的影響及相關機理仍存在爭議，如何準確表征裂尖塑性變形及其對應力強度因子幅的影響仍是一個亟待解決的重要問題。

數字圖像相關（DIC）技術是一種基于光學原理，通過計算試件表面變形前后數字散斑圖像的灰度矩陣，跟蹤計算點的空間位置，從而得到試件表面的位移與應變信息的實驗技術［8］。SU等人［9］采用DIC技術實現了對重載鐵路鋼軌閃光對接焊縫處的試樣表面各點的非均勻應變場及其演化的捕獲。黃嘯等人［10］借助DIC技術實現了鋁鋰合金疲勞裂紋擴展分層行為的試樣表面應變的實時監測。

本文對比分析了焊接鋼軌母材及焊縫區域緊湊拉伸（CT）試樣在不同應力比下的抗疲勞裂紋擴展能力，借助DIC技術獲取了疲勞載荷作用下試樣平面內的實時變形和應變詳細信息，探討了試樣在不同條件下裂紋面及尖端實時應變規律，試圖探索精確表征焊接鋼軌抗疲勞裂紋擴展能力的方法。研究工作將為深入認識金屬疲勞裂紋擴展過程中裂尖塑性變形誘導裂紋閉合效應提供一定借鑒，為焊接鋼軌關鍵承載部位合理打磨方案的制定提供理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗材料為U71Mn焊接鋼軌，牌號為60N，其主要化學成分如表1所示。鋼軌焊接采用閃光對焊。試樣取樣位置如圖1a所示，按照GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》，分別于焊縫中心及母材處截取CT試樣進行疲勞裂紋擴展速率試驗，CT試樣尺寸如圖1b所示。

表1 U71Mn鋼軌主要化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of U71Mn rail （wt.%）

圖1 CT試樣示意Fig.1 Schematic diagram of CT specimen

試驗前先用金相砂紙對所有試樣表面進行研磨拋光，隨后基于DIC基本原理對試樣一面進行散斑處理。疲勞裂紋擴展速率試驗測試在Instron E3000疲勞試驗機上完成，試驗參數如表2所示。試驗中當裂紋擴展至預定長度時停機，一方面采用Dantec Q-400 DIC系統采集散斑處理面不同載荷下的圖像，供后續圖像處理獲取面內應變等數據；另一方面記錄停機循環周次并借助工具顯微鏡記錄實時裂紋長度。試驗后試樣變形位移結果處理在DIC系統自帶商用軟件Dantec上完成。應力強度因子幅?K值計算基于ASTM E399標準進行，計算公式為：

表2 疲勞實驗參數Table 2 Fatigue test parameters

2 試驗結果與討論

2.1 疲勞裂紋擴展速率分析

圖2為母材及焊縫區域試樣在不同應力比下的裂紋擴展速率-應力強度因子幅（da/dN-?K）關系結果。由結果可知，對于疲勞裂紋擴展穩定區（Paris區），在低應力比（R=0.1）、相同?K條件下，焊縫區域試樣疲勞裂紋擴展速率顯著大于母材區域試樣；而在高應力比（R=0.6）、相同?K條件下，焊縫及母材區域試樣疲勞裂紋擴展速率差異性較小。依據Paris理論變形公式，對圖2數據進行線性擬合

圖2 焊接鋼軌da/dN-?K關系Fig.2 da/dN-?K curve for welded rail

式中a為裂紋長度；N為應力循環次數；C、m為和材料有關的常數。

擬合結果如表3所示，進一步表明低應力比下焊縫區域試樣疲勞裂紋擴展速率顯著大于母材區域試樣（ln（C）值更大），高應力比下焊縫區域試樣疲勞裂紋擴展速率略大于母材區域試樣（ln（C）值稍大）。

表3 da/dN-?K曲線擬合結果Table 3 Fitting results of da/dN-?K curve

綜合分析可知，焊縫區域比較于母材區域，焊接過程中熱循環作用引起的接頭結構相變行為一定程度上降低了結構的抗疲勞裂紋擴展能力。然而在低應力比條件下（如R=0.1），焊縫與母材區域試樣疲勞裂紋擴展速率結果相差顯著，這可能是由于低應力比下疲勞裂紋擴展過程中裂尖塑性誘導裂紋屏蔽效應增加，此結論與已有研究工作結論相一致［11］。而式（1）并未考慮裂尖塑性誘導裂紋屏蔽效應，導致所獲得計算結果名義值與真實值之間存在一定的偏差。因而引起圖2及表3中R=0.1時，焊縫區域試樣疲勞裂紋擴展速率顯著大于母材區域試樣。因此，如何準確表征疲勞裂紋擴展過程中裂尖塑性誘導裂紋屏蔽效應對于獲取真實da/dN-?K關系至關重要。

2.2 裂紋宏觀擴展路徑分析

不同試驗條件下試樣疲勞裂紋擴展宏觀路徑如圖3所示，相對焊縫區域，母材區域疲勞裂紋擴展過程中局部區域易產生偏折。依據已有公開研究結果［12-14］，對于輪軸材料鐵素體+層片珠光體鋼，疲勞裂紋擴展的薄弱區為珠光體層間，裂紋通常先沿層片間擴展，遇到珠光團邊界及鐵素體晶粒邊界便發生偏折，轉移到另一位向層片繼續向前擴展。因此，母材區域疲勞裂紋擴展易產生偏折。而對于焊縫區域，焊接過程中材料在焊接熱循環作用下發生了相變行為，疲勞裂紋擴展行為便與母材不同。

圖3 疲勞裂紋宏觀擴展路徑Fig.3 Macroscopic fatigue crack paths

2.3 裂尖變形行為

由2.1節可知裂尖塑性屏蔽效應對疲勞裂紋的擴展有重要影響，因此有效表征裂尖變形行為具有重要意義。圖4a～4d是B10#試樣在裂紋長度為15.42 mm、外部載荷為1 200 N時試樣面內橫縱向變形及應變結果。作為對比，圖4e、4f是外部載荷為120 N條時試樣面內橫縱向應變結果。由結果可知，在外部載荷作用下，不僅裂紋尖端存在顯著變形，裂紋面區域尤其是靠近裂紋尖端的裂紋面區域同樣存在一定變形。其中縱向應變在裂紋面及尖端尤為顯著，如圖4d、4f中虛線圈所示。

圖4 B10#試樣F=1 200 N試樣平面內變形應變場Fig.4 Strain field for B10# sample with F equal to 1 200 N

為了進一步探討不同條件下裂紋面及尖端變形行為，仔細對比分析了W1#及W2#試樣在相同外部載荷、不同裂紋長度時試樣面內橫縱向應變結果，如圖5所示。圖5a～5c是W1#試樣裂紋長度分別為6.82 mm、10.84 mm、14.88 mm，外部載荷均為1 200 N時裂紋面及尖端縱向應變結果。由結果可知，隨著裂紋的擴展，裂紋面及尖端縱向應變增加，這會引起更加顯著的塑性誘導裂紋屏蔽效應。圖5c～5f為W1#及W2#試樣裂紋長度均為14.88 mm、外部載荷均為1 200 N時裂紋面及尖端縱橫向應變結果。由結果可知，相同條件下，W1#試樣相比于W2#試樣裂紋面尖端具有更高的縱向應變，因此會產生更顯著的塑性誘導裂紋屏蔽效應，這與2.1節中結論一致，低應力比下疲勞裂紋擴展過程中裂尖塑性誘導裂紋屏蔽效應增加。

通過進一步比較不同條件裂紋擴展過程中裂紋面及尖端的橫縱向變形及應變特性，可推測得到典型裂紋在外部載荷作用下的裂紋面及尖端塑性變形區，及其產生的可顯著影響裂紋閉合行為的局部應力分布情況，建立了疲勞裂紋擴展過程中裂紋面及尖端因塑性變形引起的局部應力受力模型，如圖5g所示。裂紋面及裂紋尖端在外載荷作用下將分別產生一定的塑性區，其塑性區將分別產生橫向及縱向局部應力促進裂紋的閉合，進而影響裂紋向前擴展。然而，基于DIC測量的結果，如何定量表征裂紋面及裂尖塑性變形引起的裂紋閉合效應，從而定量表征真實的疲勞裂紋擴展速率，需要對裂紋面及尖端塑性變形進行定量統計分析，這將是后續研究的重點。

圖5 不同條件下裂紋面及裂尖應變Fig.5 Strain around crack flanks and tips at different conditions

3 結論

（1）相同條件下，焊接鋼軌焊縫區比母材區域疲勞裂紋擴展速率更快，其抗疲勞裂紋擴展能力更差。

（2）裂紋面及尖端的塑性屏蔽效應對疲勞裂紋擴展產生影響，低應力比條件下，塑性誘導裂紋屏蔽效應更加顯著。

（3）基于DIC方法能夠有效獲取疲勞裂紋擴展過程中裂尖變形行為，不僅裂紋尖端，裂紋面區域在裂紋擴展過程中也會產生一定的塑性變形從而對裂紋閉合產生影響，各自分別產生橫向及縱向局部應力促進裂紋閉合，進而影響裂紋向前擴展。