鄒洪偉 李亞波 馬麗英 洪友士

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266111；2.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，非線(xiàn)性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

作為機(jī)車(chē)車(chē)輛中重要的安全部件，車(chē)軸承受車(chē)輛的全部重量。在目前動(dòng)車(chē)組核心部件的檢修周期延長(zhǎng)的前提下，對(duì)車(chē)軸損傷容限和剩余壽命的評(píng)估就變得尤為重要[1]。

CRH2型動(dòng)車(chē)組采用的車(chē)軸基材為日本S38C牌號(hào)鋼[2]。該系列車(chē)軸表面經(jīng)過(guò)了感應(yīng)加熱(感應(yīng)加熱頻率3 kHz)、淬火(880～900 ℃加熱后水冷)、低溫回火(200 ℃回火)處理，獲得了表面硬化(強(qiáng)化)層[3]。該車(chē)軸深度約為2 mm的表面層為回火馬氏體組織，從距表面2 mm向里至約6 mm的區(qū)間為過(guò)渡層，表現(xiàn)為淬火-回火組織以及珠光體+鐵素體的混合組織[2]；距表面超過(guò)6 mm以后，顯微組織為珠光體+鐵素體，即正火態(tài)組織。該車(chē)軸距表層2 mm以?xún)?nèi)的維氏硬度為HV(551±36)；距表面2 mm以外，顯微硬度明顯減小，距表面2～6 mm處的維氏硬度約為HV230，距表面超過(guò)8 mm時(shí)，顯微硬度波動(dòng)較小，平均值約為HV200，即為正火態(tài)組織的顯微硬度[2]。

具有不同顯微組織、不同硬度(強(qiáng)度)的車(chē)軸在不同表層深度必然存在著不同的殘余應(yīng)力分布。為研究S38C車(chē)軸的疲勞裂紋擴(kuò)展性能，本文作者從實(shí)際車(chē)軸截取試樣，保持實(shí)際車(chē)軸表層具有的顯微組織、硬度(強(qiáng)度)及其殘余應(yīng)力呈梯度變化的情況，研究了表層梯度材料疲勞裂紋擴(kuò)展特性以及殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，以期為S38C車(chē)軸損傷容限和剩余壽命評(píng)估提供依據(jù)。

1 試樣

1.1 試樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)試樣為三點(diǎn)彎曲試樣，直接從現(xiàn)車(chē)車(chē)軸表層獲取，用來(lái)測(cè)試含硬化(強(qiáng)化)表層的車(chē)軸材料的疲勞裂紋擴(kuò)展性能。參考GB/T 4161—2007[4]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試樣尺寸。實(shí)際使用的試樣形狀和尺寸如圖1所示，車(chē)軸的硬化(強(qiáng)化)表層為試樣的受拉側(cè)，采用線(xiàn)切割技術(shù)在受拉側(cè)的中心位置預(yù)制0.5 mm深的缺口[5]，用來(lái)引導(dǎo)疲勞裂紋起裂和擴(kuò)展。

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣形狀和尺寸(mm)

三點(diǎn)彎曲試樣受拉側(cè)表面的名義應(yīng)力可由式(1)[6]計(jì)算得到：

(1)

式中:σ為缺口處名義應(yīng)力;p為施加載荷;w為試樣寬度;h為試樣高度;x為半跨距長(zhǎng)。

1.2 試樣處理

采用磨床對(duì)截取的三點(diǎn)彎曲試樣的前后側(cè)表面(20 mm×100 mm)進(jìn)行磨平，粗糙度控制在Ra=0.4 μm。對(duì)含硬化(強(qiáng)化)層試樣表面的2個(gè)支撐點(diǎn)位置進(jìn)行磨平，以確保加載時(shí)2個(gè)支撐點(diǎn)的穩(wěn)定支撐。

對(duì)加工好的試樣的側(cè)面中間區(qū)域用砂紙研磨，并進(jìn)一步用金剛石拋光膏拋光。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量加工并研磨好的試樣的實(shí)際寬度與高度，加工的4種試樣的具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 4種三點(diǎn)彎曲試樣的實(shí)際尺寸

1.3 試樣殘余應(yīng)力分布測(cè)試

采用X射線(xiàn)應(yīng)力儀，分別選取3個(gè)無(wú)缺口試樣和3個(gè)含0.5 mm深缺口的試樣，測(cè)量試樣垂直于車(chē)軸表層深度方向的殘余應(yīng)力沿表層深度的分布[7]。不含缺口的光滑試樣與含0.5 mm深缺口的試樣的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 無(wú)缺口試樣殘余應(yīng)力沿車(chē)軸表層深度的分布

圖3 含0.5 mm深缺口試樣殘余應(yīng)力沿車(chē)軸表層深度的分布

可以看出，3個(gè)無(wú)缺口的光滑試樣和3個(gè)含0.5 mm深缺口試樣的殘余應(yīng)力在距車(chē)軸表面5 mm內(nèi)分散性很小，在5 mm后分散性較大的原因應(yīng)該跟測(cè)試精度有關(guān)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，無(wú)缺口試樣的最大殘余應(yīng)力為-174 MPa，距車(chē)軸表面2 mm處；含0.5 mm深缺口試樣的最大殘余應(yīng)力為-123 MPa(缺口試樣釋放了部分殘余應(yīng)力)，在距車(chē)軸表面1.5 mm處。兩組試樣殘余應(yīng)力均沿深度增加先增加后減小，在距車(chē)軸表面4 mm時(shí)變?yōu)?，之后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。含0.5 mm深缺口試樣的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)與無(wú)缺口試樣相同。

2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方法

采用三點(diǎn)彎曲疲勞加載(應(yīng)力比R=0.1)，并采用光學(xué)攝像設(shè)備觀測(cè)試樣缺口側(cè)面。首先用較小的名義應(yīng)力預(yù)制長(zhǎng)度約0.5 mm的裂紋，然后施加疲勞試驗(yàn)載荷,選取較高的名義應(yīng)力進(jìn)行加載，使疲勞裂紋在此應(yīng)力下能夠一直擴(kuò)展。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)光學(xué)攝像設(shè)備跟蹤疲勞裂紋的擴(kuò)展[8]，然后用圖像處理軟件測(cè)量不同加載周次對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸，從而獲得疲勞裂紋長(zhǎng)度、疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系[9-10]。

三點(diǎn)彎曲試樣疲勞裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK計(jì)算公式[11]為

(2)

(3)

式中：ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值；Δσ為所施加載荷的名義應(yīng)力幅值；a為疲勞裂紋長(zhǎng)度；h為試樣高度。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率(vf)采用差分法計(jì)算[12],如式(4)所示，其中Ln為第N周裂紋長(zhǎng)度，Lm為第M周裂紋長(zhǎng)度。

vf=(Ln-Lm)/(N-M)

(4)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用PLG100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)和液壓式MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞加載[13]，試驗(yàn)時(shí)搭建光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試樣兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行觀察和記錄，監(jiān)測(cè)疲勞裂紋的長(zhǎng)度。高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)頻率為140 Hz，液壓式MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)頻率為15 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)分析

根據(jù)公式(2)—(4)計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)據(jù)，然后繪制二者的關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖4所示；圖5給出了表1中4個(gè)試樣按距車(chē)軸表面不同深度劃分的疲勞擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系。

圖5 距車(chē)軸表面不同深度疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系

由圖4和圖5可以看出，不同試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均呈現(xiàn)先小幅增加，然后減小，最后單調(diào)增加的趨勢(shì)。在距車(chē)軸表面深度3～8 mm范圍時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值單調(diào)增加。在距車(chē)軸表面深度0～2 mm范圍內(nèi)，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值為12 MPa·m1/2時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率為5×10-9m/cycle；隨著疲勞裂紋長(zhǎng)度增加、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率小幅增加到1×10-8m/cycle后又呈下降趨勢(shì)。在距車(chē)軸表面深度2～3 mm處，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率繼續(xù)降低至1×10-9m/cycle低速擴(kuò)展，直到裂紋擴(kuò)展到距車(chē)軸表面深度3 mm后，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值單調(diào)增加，表現(xiàn)出明顯的Paris區(qū)的特征[14]。

3.2 殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展影響分析

在疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率有重要影響。根據(jù)圖2和圖3測(cè)量的試樣殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)分布，采用式(5)[4]計(jì)算了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。有效應(yīng)力強(qiáng)度因子與疲勞裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系如圖6所示。

(5)

由圖6可以看出，距車(chē)軸表面深度0～3 mm存在較大的殘余應(yīng)力壓應(yīng)力，從而使疲勞裂紋需要更大的驅(qū)動(dòng)力才能擴(kuò)展，而對(duì)距車(chē)軸表面深度3 mm以后殘余應(yīng)力壓應(yīng)力逐步減小并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展沒(méi)有影響。殘余應(yīng)力并未改變疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值變化的趨勢(shì)。

圖6 疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值(有效值)的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)疲勞裂紋在具有硬化(強(qiáng)化)表層的缺口試樣中擴(kuò)展時(shí)，在距車(chē)軸表面深度0～3 mm內(nèi)，隨裂紋長(zhǎng)度增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率由5×10-9m/cycle增加到1×10-8m/cycle，之后降低至1×10-9m/cycle以下低速擴(kuò)展，直到裂紋擴(kuò)展到距車(chē)軸表面深度3 mm后，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值單調(diào)增加。

(2)殘余應(yīng)力分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響顯著。距車(chē)軸表面深度0～3 mm，存在較大的殘余應(yīng)力壓應(yīng)力，從而使疲勞裂紋需要更大的驅(qū)動(dòng)力才能擴(kuò)展，而對(duì)距車(chē)軸表面深度3 mm以后殘余應(yīng)力壓應(yīng)力逐步減小并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展沒(méi)有影響。殘余應(yīng)力并未改變疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值變化的趨勢(shì)。

(3)文中的研究獲取了距車(chē)軸表面不同深度時(shí)裂紋擴(kuò)展速度隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的變化趨勢(shì)，并且根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得到殘余應(yīng)力分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速度的影響，為S38C車(chē)軸損傷容限和剩余壽命評(píng)估提供依據(jù)。