呂 斌 丁振宇 高增梁

1.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州，310032

2.過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州，310032

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)高速發(fā)展。列車軸重、運(yùn)行速度和行車密度的提高以及高強(qiáng)度耐磨鋼鋼軌的應(yīng)用，使接觸疲勞損傷成為鋼軌主要的失效形式之一［1］。廣深線鋼軌踏面斜裂紋損傷即屬于滾動(dòng)接觸疲勞裂紋損傷類型，這類斜裂紋在軌頭內(nèi)部擴(kuò)展可以導(dǎo)致鋼軌斷裂［2］。同時(shí)，材料自身的缺陷，如鋼軌的夾雜物、核傷、殘余應(yīng)力、馬氏體組織、內(nèi)部裂紋也可以導(dǎo)致鋼軌裂紋的萌生及擴(kuò)展，造成鋼軌的橫向斷裂［3］。疲勞壽命包含裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展至最終失效兩個(gè)部分。對(duì)于高周疲勞，疲勞壽命主要消耗在裂紋形成時(shí)期；而對(duì)于低周疲勞，裂紋擴(kuò)展壽命決定了材料的疲勞壽命［4］。隨著損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值及裂紋擴(kuò)展速率成為結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，較高的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值和較低的裂紋擴(kuò)展速率不僅能夠提高構(gòu)件的可靠性，還能夠延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命進(jìn)而降低成本［5］。

U75V軌道鋼由于具有高強(qiáng)度和高硬度的特性，同時(shí)兼有較高的韌性，在我國(guó)鐵路上被廣泛使用。常見(jiàn)于規(guī)格為50kg/m、60kg/m、75kg/m和60AT的鋼軌，從普通鐵路到時(shí)速350km的高速 鐵 路 都 有 運(yùn) 用。 鐘 雯 等［6－7］對(duì) 在 役 U75V（PD3）鋼軌的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了研究，并與U71Mn進(jìn)行了比較。胡家杰等［8］對(duì)U75V軌道鋼的彎－彎疲勞裂紋擴(kuò)展特性作了探索。以上研究均未考慮平均應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，也缺乏材料斷裂機(jī)理方面的研究。

本文針對(duì)U75V軌道鋼，開(kāi)展不同應(yīng)力比條件下疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的測(cè)定及疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究。應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)微觀斷口形貌進(jìn)行觀測(cè)，探討U75V軌道鋼的疲勞斷裂機(jī)理。

1 材料和試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)研究的材料為U75V軌道鋼，所用熱軋鋼軌來(lái)自國(guó)內(nèi)某鋼鐵集團(tuán)，化學(xué)成分列于表1。

表1 U75V軌道鋼的化學(xué)成分 %

相比于U74和U71Mn軌道鋼，U75V軌道鋼提高了Si元素的含量，這在一定程度上提高了該鋼軌的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。V元素的加入能提高晶粒粗化溫度，該影響體現(xiàn)在鋼軌的軋制過(guò)程中，通過(guò)影響奧氏體的再結(jié)晶從而達(dá)到細(xì)化奧氏體的效果。一定含量的Mn元素的存在可以降低鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度，使珠光體轉(zhuǎn)變溫度降低，從而可以細(xì)化珠光體組織。研究表明，珠光體團(tuán)塊平均直徑的減小可以提高鋼軌的抗拉強(qiáng)度和耐磨性能，而較小的珠光體片層間距可以提高鋼軌的抗剝離能力，從而使鋼軌的耐磨性能和滾動(dòng)接觸疲勞壽命得以提高［9］。

用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精浸蝕材料2～4s后，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織的觀察。圖1a為U75V軌道鋼的金相組織圖，其組織為團(tuán)塊狀的珠光體。在掃描電鏡下做進(jìn)一步觀察，如圖1b所示，珠光體形態(tài)為鐵素體基體上分布片層狀滲碳體。

圖1 U75V軌道鋼金相組織圖

1.2 試驗(yàn)

U75V軌道鋼疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)試樣取自一段熱軋鋼軌軌頭部分，取樣示意圖見(jiàn)圖2。熱處理去除殘余內(nèi)應(yīng)力，其工藝過(guò)程如下：鋼軌軌頭部分在880℃的加熱爐內(nèi)保持4h，隨后空冷。試樣采用機(jī)加工制成標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸（compact tension，CT）試樣，試樣厚度為3.8mm，單面拋光成鏡面便于觀察裂紋。尺寸如圖3所示。

圖2 取樣示意圖

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在INSTRON 8872電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上完成。利用裝載有移動(dòng)式長(zhǎng)焦距顯微鏡的三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)跟蹤和測(cè)量不同時(shí)刻的裂紋前沿位置坐標(biāo)，該三坐標(biāo)平臺(tái)配備精度為0.001mm的螺旋測(cè)微器。疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的測(cè)試采用文獻(xiàn)［10］中提出的改進(jìn)的分級(jí)降載法，分別測(cè)試應(yīng)力比為0.03、0.1、0.2和0.5時(shí)的疲勞門檻值。應(yīng)力比試驗(yàn)則按照GB/T6398－2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行，試驗(yàn)采用正弦波加載方式。取試驗(yàn)應(yīng)力比與門檻值測(cè)試時(shí)的應(yīng)力比相一致，其詳細(xì)的試驗(yàn)條件列于表2。應(yīng)用SEM掃描電子顯微鏡對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)試樣的斷口進(jìn)行觀測(cè)分析。

表2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

2 裂紋擴(kuò)展行為分析

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的測(cè)定

疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值是指在疲勞試驗(yàn)中疲勞裂紋停止擴(kuò)展時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。事實(shí)上，要使裂紋“絕對(duì)”停止擴(kuò)展是不可能的［10］，因此工程上將 da/dN＝10－7mm/cycle時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK值定義為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth（a為裂紋長(zhǎng)度，N為循環(huán)數(shù)）。本文的測(cè)試方法采用文獻(xiàn)［10］提出的一種改進(jìn)的分級(jí)降載法，目的是獲得裂紋擴(kuò)展速率在10－7mm/cycle至10－6mm/cycle區(qū) 間 內(nèi) 的 5 個(gè)點(diǎn)。然后，在da/dN－ΔK雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中用直線擬合這5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。最后將da/dN＝10－7mm/cycle代入擬合得到的直線公式，得到的ΔK值即是ΔKth。注意，當(dāng)區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)不足5個(gè)時(shí)，可用一個(gè)da/dN略大于10－6mm/cycle的點(diǎn)進(jìn)行擬合。分級(jí)降載時(shí)，按每級(jí)降載5%進(jìn)行控制，每級(jí)力下要使裂紋擴(kuò)展增量Δa大于上一級(jí)Kmax對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)尺寸ry的4～6倍。塑性區(qū)尺寸按下式計(jì)算：

式中，σp0.2為材料非比例延伸率為0.2% 時(shí)的應(yīng)力。

所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的擬合直線見(jiàn)圖4，各個(gè)應(yīng)力比下測(cè)得的疲勞裂紋門檻值見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果表明，疲勞裂紋門檻值ΔKth隨著應(yīng)力比的增大而減小。

圖4 疲勞裂紋門檻值測(cè)試

表3 疲勞裂紋門檻值

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

疲勞循環(huán)的平均應(yīng)力水平對(duì)工程材料的疲勞行為有很大影響，常用應(yīng)力比R來(lái)描述平均應(yīng)力［11］。圖5所示是試樣在不同應(yīng)力比R下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線。其中，ΔP為力值范圍，即ΔP＝Pmax－Pmin，為交變載荷最大值與最小值之差。從圖5可以看出，隨著應(yīng)力比的增加，相同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK值所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率隨之增加，表明裂紋擴(kuò)展行為呈現(xiàn)出比較明顯的應(yīng)力比效應(yīng)。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，由應(yīng)力比所導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展速率之間的差異，在ΔK值較小時(shí)表現(xiàn)明顯。隨著ΔK值的進(jìn)一步增大，各應(yīng)力比下裂紋擴(kuò)展速率之間的差異有減小趨勢(shì)。

用Paris公式對(duì)不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。Pairs公式有如下形式：

圖5 不同應(yīng)力比R下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

其中，C和n是材料常數(shù)。在雙對(duì)數(shù)的da/dNΔK曲線關(guān)系圖中，斜率為n，截距為lgC。Paris公式中的材料常數(shù)列于表4。由表4可知，試樣的材料常數(shù)n隨著應(yīng)力比的增大而減小，對(duì)應(yīng)Paris曲線斜率隨著應(yīng)力比的增大而減小。

表4 Paris公式擬合的材料常數(shù)

3 疲勞斷口形貌分析

由圖6a的疲勞門檻值附近的裂紋擴(kuò)展斷口形貌，可以觀察到孤立的穿晶小刻面分布在穿晶疲勞斷口上。穿晶的小刻面發(fā)生在特定的晶體學(xué)平面上，小刻面平滑且分布有臺(tái)階，具有類似解理的若干特征。Beevers［12］對(duì)不銹鋼、鎳基高溫合金和Al 2219－T6等材料在疲勞門檻值附近的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究，將這些出現(xiàn)在門檻值附近的穿晶小刻面定義為“循環(huán)解理”。Priddle等［13］認(rèn)為這些小刻面是在循環(huán)載荷作用下，裂紋以穩(wěn)定擴(kuò)展方式逐漸形成的，而不是真正的解理。材料沿晶體學(xué)平面發(fā)生斷裂常見(jiàn)于金屬材料在疲勞裂紋門檻附近的擴(kuò)展階段，而很少出現(xiàn)在材料的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的增大，小刻面特征消失。

圖6b為裂紋低擴(kuò)展速率區(qū)的斷口形貌圖。由圖6b可見(jiàn)類似于疲勞條紋的凸條紋棱線，這些棱線分布具有很強(qiáng)的方向性并且在一定區(qū)域內(nèi)相互平行。值得注意的是，這些凸條紋棱線并非真正的疲勞條紋。Cooke等［14］將斷口用2%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液腐蝕后用掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)這些棱線的走向與薄片狀珠光體的片層走向具有一致性，且每一條棱線至少包含一條滲碳體片層。文獻(xiàn)［15］將這些棱線稱為珠光體條帶，并且指出具有相似方向的條帶區(qū)域面積與珠光體團(tuán)塊尺寸相當(dāng)。在珠光體鋼的疲勞斷口形貌圖中，并沒(méi)有觀測(cè)到純金屬和延性合金中常見(jiàn)的疲勞條紋。

圖6c為裂紋高擴(kuò)展速率區(qū)的斷口形貌圖，觀察斷口照片可以發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域出現(xiàn)扇形河流狀花紋的平面。該平面是典型的解理斷口形貌。解理斷裂通常被認(rèn)為是一種脆性斷裂，是裂紋尖端達(dá)到解理應(yīng)力后裂紋沿解理面的開(kāi)裂，是一種靜態(tài)斷裂特征。解理斷裂的出現(xiàn)標(biāo)志著裂紋擴(kuò)展開(kāi)始由穩(wěn)定擴(kuò)展向高速擴(kuò)展過(guò)渡。應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍繼續(xù)增大，解理斷裂的比例將會(huì)增大，直到試樣完全斷裂。圖6d是試樣完全斷裂時(shí)的斷口形貌圖，由圖可見(jiàn)，整個(gè)斷口都是因解理斷裂而形成的扇形河流狀花紋。

圖6 U75V軌道鋼不同階段斷口表面的微觀形貌

斷口觀察發(fā)現(xiàn)，整個(gè)疲勞斷口上最普遍的特征是分布有凸條紋棱線。仔細(xì)考察各應(yīng)力比下裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是斷面的粗糙程度還是凸條紋棱形的形態(tài)，在低擴(kuò)展速率區(qū)和高擴(kuò)展速率區(qū)都有較大差別。如圖7所示，各應(yīng)力比下低擴(kuò)展速率區(qū)的斷口較為平整，凸條紋棱線完整且呈細(xì)直的線條狀，棱線的取向能較好地反應(yīng)所在區(qū)域珠光體片層的取向。高擴(kuò)展速率區(qū)的斷口形貌見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展高速區(qū)的斷口表面凹凸不平，凸條紋棱線不再呈現(xiàn)細(xì)直狀且伴隨彎曲變形和碎裂的跡象，斷口可見(jiàn)二次裂紋。出現(xiàn)這些斷裂特征的原因可以做如下描述：在裂紋擴(kuò)展早期，初始位錯(cuò)在鐵素體和滲碳體邊界及邊界附近區(qū)域形成，造成這些區(qū)域較大的應(yīng)力集中，初始裂紋正是在平行于滲碳體片層的方向形成［16］；隨著塑性應(yīng)變的繼續(xù)增大，剪切形變帶開(kāi)始出現(xiàn)，形變主要集中在強(qiáng)烈剪切形變帶中，這些形變帶的方向大致與主應(yīng)力軸成45°而與珠光體片層方向無(wú)關(guān)，剪切形變帶的增長(zhǎng)最終導(dǎo)致滲碳體片層沿形變帶方向被剪斷［17］；塑性應(yīng)變繼續(xù)增大，剪切形變帶在大范圍內(nèi)出現(xiàn)，造成珠光體團(tuán)塊內(nèi)滲碳體片層被分割成許多碎段；同時(shí)較大的塑性應(yīng)變亦導(dǎo)致滲碳體片層出現(xiàn)滑移、彎曲等現(xiàn)象。

圖7 各應(yīng)力比下低擴(kuò)展速率區(qū)斷口形貌

圖8 各應(yīng)力比下高擴(kuò)展速率區(qū)斷口形貌

4 結(jié)論

（1）用分級(jí)降載法測(cè)定材料分別在應(yīng)力比為0.03、0.1、0.2和0.5下的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，其值分別為5.32MPa·m1/2、4.99MPa·m1/2、4.62MPa·m1/2和3.58MPa·m1/2。疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值隨應(yīng)力比的增加而減小。（2）U75V軌道鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力比效應(yīng)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力比的增大而增大。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨ΔK的增大，應(yīng)力比效應(yīng)有減小趨勢(shì)。（3）斷口觀察可知，整個(gè)疲勞斷口分布有凸條紋棱線，疲勞門檻值附近伴隨著沿晶體學(xué)平面的穿晶小刻面，高擴(kuò)展速率區(qū)出現(xiàn)解理斷裂。裂紋在低擴(kuò)展速率區(qū)的斷面較平整，凸條紋棱線完整且呈細(xì)長(zhǎng)的線條狀；高擴(kuò)展速率區(qū)斷面凹凸不平，凸條紋棱線彎曲并伴隨許多碎段及二次裂紋。

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