鐵路扣件彈條用60Si2Mn彈簧鋼力學性能試驗研究

閆子權 ，孫林林 ，肖俊恒，王亞洲, ，劉炳彤, ，崔樹坤

(1. 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3. 北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

鐵路扣件系統是鋼軌與軌下基礎結構連接的紐帶，其作用是固定鋼軌位置，約束鋼軌的縱向和橫向位移，防止鋼軌傾翻，同時為軌道提供必要的彈性和絕緣性，對保證軌道的整體穩定性和可靠性起重要作用，是高速鐵路基礎設施中的關鍵組成部分。彈條是扣件系統最重要的零部件之一，其通過自身的彎曲和扭轉變形產生扣壓力作用在鋼軌上，有效地保證鋼軌和軌下基礎結構之間的可靠連接[1]。目前，除普速鐵路用II型彈條采用60Si2Cr熱軋彈簧鋼外，我國鐵路主要采用60Si2Mn熱軋彈簧鋼生產扣件彈條，如普速鐵路用I型、III型彈條，高速鐵路用W1型、W2型、C4型彈條，重載鐵路用W4，W5型彈條等。經過多年的運營考核，我國大部分地區鐵路扣件彈條使用狀態良好，但個別地段由于輪軌周期性磨耗等引起的耦合振動，造成了彈條共振疲勞損傷甚至斷裂的情況[2-6]。而彈條的疲勞損傷斷裂，會造成其關鍵力學性能的衰減甚至完全喪失，導致其約束鋼軌能力降低，保持軌距能力下降，嚴重時將危及行車安全。因此，對扣件彈條的疲勞損傷和關鍵力學性能的服役狀態及演變規律進行科學的評價和預測，已成為確保鐵路運行安全的基礎保障核心問題。眾多學者對彈條的疲勞損傷斷裂原因及壽命預估進行了大量的研究工作，如閆子權等[7]分析了彈條低頻和高頻受力特征，并指出輪軌周期性磨耗引起的輪軌間高頻振動與扣件彈條固有頻率接近是導致彈條共振斷裂的主要因素。WANG等[8]采用數值仿真分析并結合名義應力法和Miner線性累積損傷理論對III型彈條在波磨下的動態應力變化歷程和壽命進行了預估。余自若等[9]采用名義應力法對X2型彈條在不同扣壓力作用下的疲勞性能進行了研究，建立了彈條疲勞壽命與扣壓力大小之間的關系；吳潔好等[10-11]對W1型彈條在不同荷載幅值下的疲勞性能進行試驗研究，認為彈條扣壓力隨荷載循環次數衰減。以上關于60Si2Mn彈簧鋼材質的彈條受力及疲勞壽命分析均基于1999年鐵道部科學研究院金屬及化學研究所編制的《鐵路常用材料P-S-N曲線及Goodman圖手冊》中60Si2Mn的疲勞參數[12]。但經過逾二十年的應用和發展，彈條的熱處理工藝水平以及彈簧鋼的軋制質量都有了較大的提升，且文獻[12]中的試驗數據集中在中、短壽命區，對所關心的長壽命區無相應的有效試驗數據。因此，為了更準確地分析彈條在不同荷載工況下的疲勞壽命，需得到當前生產工藝下60Si2Mn彈簧鋼的疲勞性能參數。本文通過對當前彈條生產工藝進行熱處理的60Si2Mn彈簧鋼標準試件進行單軸拉伸和應力比為R=-1條件下的疲勞試驗，得到其基本靜力性能和疲勞性能參數，為鐵路扣件彈條的受力分析和疲勞壽命預估分析提供了基本的力學性能參數。

1 試件制備

金屬熱處理是將金屬或合金工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度在不同的介質中冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的顯微組織結構來控制其性能的一種工藝，是機械制造中的重要工藝之一，熱處理工藝不同會導致金屬材料的微觀組織結構不同，進而影響材料的力學性能差異[13]。由于彈條生產過程中的加熱方式和熱處理條件等因素與實驗室模擬熱處理條件存在一定的差異，導致2種熱處理條件下的材料性能存在較大的差異。因此，為了更準確地反映加工后彈條的真實力學性能，本文采用彈條生產設備對φ14直徑60Si2Mn彈簧鋼棒材進行在線熱處理，熱處理過程與彈條生產保持一致。熱處理工藝為：中頻感應加熱至1 000 ℃，余熱840 ℃淬火，480 ℃回火90 min。參照《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1-2010)[14]和《金屬材料疲勞試驗 軸向力控制方法》(GB/T 3075—2008)[15]將60Si2Mn彈簧鋼棒材分別加工為尺寸如圖1(a)和1(b)所示的靜力拉伸和疲勞標準試件。

圖1 力學性能試樣尺寸Fig. 1 Test specimen size of mechanical properties

2 單軸靜力拉伸試驗

為獲取60Si2Mn彈簧鋼的基本靜力拉伸性能，根據GB/T 228.1-2010中的金屬材料拉伸試驗方法，采用萬測微機控制電子萬能試驗機對3根試件分別進行單軸靜力拉伸試驗。試驗過程如圖2(a)所示，拉伸后的試件狀態如圖2(b)所示，可以看出試件斷裂位置均位于標距范圍內。

圖2 60Si2Mn彈簧鋼單軸靜力拉伸試驗Fig. 2 Uniaxial static tensile test of 60Si2Mn spring steel

3根試件的名義應力-應變曲線如圖3所示，其基本靜力性能參數如表1所示。從圖3和表1可以看出，3根試件測得的60Si2Mn彈簧鋼基本靜力性能相差不大，誤差均在3%以內，測試結果可靠。60Si2Mn彈簧鋼的彈性模量約為201 GPa，屈服強度約為1 293 MPa，斷裂強度約為1 430 MPa。

表1 60Si2Mn彈簧鋼靜力性能參數Table 1 Static performance parameters of 60Si2Mn spring steel

圖3 60Si2Mn彈簧鋼名義應力-應變曲線Fig. 3 Nominal stress-strain curve of 60Si2Mn spring steel

3 單軸疲勞試驗

根據GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗 軸向力控制方法》采用長春仟幫QBG-100型高頻疲勞試驗機對60Si2Mn彈簧鋼試件進行單軸疲勞試驗，試驗頻率為130 Hz左右，試件加載狀態如圖4所示。

圖4 60Si2Mn單軸疲勞性能試驗Fig. 4 Uniaxial fatigue performance test of 60Si2Mn spring steel

根據GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗軸向力控制方法》中的規定，試驗終止條件為試樣斷裂或達到額定的循環次數，疲勞試驗后的部分試件照片如圖5所示。

圖5 疲勞后試件狀態Fig. 5 Test specimen status after fatigue

3.1 成組法試驗

成組試驗法是在某一指定應力水平下，進行一組試樣的疲勞試驗，并根據試驗結果測定中值疲勞壽命或安全疲勞壽命的方法[16]。此法適用于中、短疲勞壽命區，即測得的同一應力水平下的一組試樣疲勞壽命大多在106次循環范圍內。為獲取60Si2Mn彈簧鋼中、短壽命區疲勞性能，采用成組試驗法對其光滑試件進行應力比R=-1下的疲勞試驗，試驗應力水平為4級，各級應力水平按滿足置信度γ=90%的要求確定最小子樣數。R=-1條件下60Si2Mn彈簧鋼光滑試件的有效疲勞試驗數據如表2所示。

表2 60Si2Mn彈簧鋼疲勞試驗數據(R=-1，成組法)Table 2 Fatigue test data of 60Si2Mn spring steel(R=-1, Group method)

文獻[16-17]研究結果表明，疲勞壽命遵循對數正態分布或威布爾分布。由于正態分布在確定樣本置信度和最少個數方面具有優越性，本文采用這一假定進行60Si2Mn彈簧鋼中值疲勞壽命和安全疲勞壽命的測定。因此，中值疲勞壽命估計量N50，即具有50%可靠度的疲勞壽命可表示為：

而對于可靠度為99%情況下的安全壽命，可采用作圖法進行估算。把一組觀測值由小到大按次序排列，可靠度估計量pi按下式計算：

式中：i為觀測值的序數。把pi換算為與其對應的標準正態偏量μpi，取μpi為自變量，lgNpi為因變量，采用最小二乘法進行直線擬合，得到可靠度與安全壽命之間的線性關系。4級應力水平下的p-N擬合結果及可靠度為99%時的安全壽命估計量如圖6所示。

圖6 P-N圖Fig. 6 P-N curve

綜上分析，可以得到60Si2Mn彈簧鋼中值疲勞壽命和可靠度為99%下的安全壽命如表3所示。

表3 60Si2Mn彈簧鋼中值壽命和安全壽命Table 3 Median life and safety life of 60Si2Mn spring steel

3.2 升降法試驗

升降法是在指定循環基數(如107循環)下測定疲勞極限，或者在任一指定壽命下測定疲勞強度。此法適用于長壽命區(在106次循環以上)，且宜在4級或5級應力水平下進行。為獲取60Si2Mn彈簧鋼長壽命區疲勞性能，采用升降法測定其指定壽命為107循環下的中值疲勞極限，15件試件的疲勞試驗結果如表4所示。

從表4可以看出，試驗應力水平分為5級，應力增量為15 MPa。根據表4中升降法得到的疲勞試驗數據繪制60Si2Mn彈簧鋼在R=-1條件下的升降圖，如圖7所示。從圖7中可以看出，有效數據的終點為越出(○，表示達到指定壽命未破壞)，可以想象接下來進行試驗的應力水平必將為750 MPa。由此可知，數據點16應該與數據點2位于同一應力水平上，組成閉合式升降圖。因此，該升降圖從起點2到終點15可以配成6對子對(2-3，4-5，8-9，10-11，12-13，14-15)，且可以形成閉合升降圖，滿足升降法測疲勞極限的要求。需注意的是，數據點1，6和7為試驗過程數據，不構成有效數據。

圖7 60Si2Mn彈簧鋼疲勞極限測試升降圖(R=-1)Fig. 7 Limit fatigue test up-and-down picture of 60Si2Mn spring steel (R=-1)

表4 60Si2Mn彈簧鋼疲勞試驗數據(R=-1，升降法)Table 4 Fatigue test data of 60Si2Mn spring steel(R=-1, Up-and-down method)

疲勞極限可由子樣平均值來估計，它等于以為權的加權平均值，可以表示為：

式中：n*是對子總數；是對應應力的對子個數；是配對的2個應力水平的平均值。

將表4中有效數據代入式(3)可得=740 MPa，即60Si2Mn彈簧鋼在應力比R=-1條件下的中值疲勞極限為740 MPa。

4 S-N曲線和P-S-N曲線

大量試驗數據表明，按照升降法測定的疲勞極限可以和成組試驗法測定的中值疲勞壽命數據結合在一起，能比較好地連接成從中等壽命區到長壽命區的S-N曲線[18]。在中、長壽命區，S-N曲線和P-S-N曲線可用三參數冪函數公式表示：

式中：N為壽命；Smax為最大應力值；S0為疲勞極限；C0，m為常數。對式(4)兩邊取對數，可得到對數S-N公式：

式中：C=lgC0。

通過最小二乘法分別對不同可靠度下的疲勞極限數據進行擬合，可得到60Si2Mn彈簧鋼的疲勞壽命和安全壽命曲線，如圖8所示。對中值疲勞壽命和疲勞極限數據擬合，得到60Si2Mn彈簧鋼中值疲勞壽命S-N曲線為：

圖8 60Si2Mn彈簧鋼P-S-N曲線(R=-1)Fig. 8 P-S-N curves of 60Si2Mn spring steel (R=-1)

對可靠度為99%的安全壽命數據擬合，得到60Si2Mn彈簧鋼可靠度為99%的安全壽命曲線為：

5 結論

1) 采用中頻感應加熱至1 000 ℃，余熱840 ℃淬火，480 ℃回火90 min進行熱處理的60Si2Mn彈簧鋼彈性模量約為201 GPa，屈服強度約為1 293 MPa，斷裂強度約為1 430 MPa。

2) 60Si2Mn彈簧鋼在應力比R=-1條件下存在明顯的疲勞極限，中值疲勞極限為740 MPa。

3) 60Si2Mn彈簧鋼在應力比R=-1條件下S-N曲線和P-S-N曲線均可用三參數冪函數公式表示，中值S-N曲線公式為：(lgN)50=9.334 4-2.142 4lg(Smax-740)，可靠度為99%的安全壽命曲線公式為：(lgN)99=8.740 0-2.056 5lg(Smax-697)。