張浩楠，張繼旺，李行，盧琪，朱守東

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

車軸是鐵路機(jī)車車輛走行部關(guān)鍵性的部件之一。由于車軸承受疲勞載荷和沖擊載荷等，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，且在服役過(guò)程中受到各種挑戰(zhàn)，如外物損傷、偶然過(guò)載、低溫等挑戰(zhàn)，因此車軸在服役期間可能會(huì)發(fā)生斷裂，其中疲勞斷裂是車軸的主要斷裂形式[1-3]。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，尤其是我國(guó)西南、華東沿海、華中酸雨區(qū)高鐵的建設(shè)，高速列車運(yùn)行面臨腐蝕環(huán)境的考驗(yàn)。腐蝕疲勞是鐵路車軸失效原因之一[4-5]，因此車軸的腐蝕疲勞性能日益受到重視。

腐蝕疲勞是在交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下的材料損傷和破壞[6]，是在兩者協(xié)同作用下的一種更為嚴(yán)重的腐蝕-機(jī)械破壞形式[7]。即使在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)運(yùn)行，由于腐蝕和循環(huán)載荷的協(xié)同作用，也可能發(fā)生失效。因此，對(duì)材料的腐蝕疲勞性能進(jìn)行研究至關(guān)重要。Beretta 等人[8]研究表明，輕度腐蝕環(huán)境的存在，如人工雨水，能夠促進(jìn)腐蝕坑的形成，使裂紋更易從腐蝕坑處萌生，從而顯著降低鐵路車軸的壽命，并研究了腐蝕坑到裂紋的轉(zhuǎn)變和裂紋擴(kuò)展機(jī)制[9]。汪開(kāi)忠等人[10]研究了鹽霧腐蝕對(duì)DZ2 車軸鋼和EA4T 車軸鋼疲勞性能的影響，結(jié)果表明，腐蝕坑深度對(duì)車軸疲勞性能有較大的影響。郝雪龍等人[11]研究了預(yù)腐蝕對(duì)AF1410 鋼疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，隨著預(yù)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的疲勞壽命逐漸降低。祖云飛等人[12]指出酸雨大氣環(huán)境能縮短Q420B 角鋼在中低荷載水平下對(duì)應(yīng)的中長(zhǎng)期疲勞壽命，而對(duì)高荷載水平下對(duì)應(yīng)的短期疲勞壽命影響不大。EA4T 車軸鋼是一種采用歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合金鋼，由于其具有優(yōu)良的綜合性能[13]，被廣泛用于我國(guó)高速鐵路列車車軸上。然而，關(guān)于雨水腐蝕對(duì)EA4T 車軸鋼疲勞性能的影響研究尚不充分。

本文將對(duì)EA4T 試樣在雨水腐蝕環(huán)境和空氣環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲得兩種環(huán)境下試樣的疲勞S-N曲線、表面損傷以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律，同時(shí)對(duì)腐蝕疲勞失效的斷口進(jìn)行觀察，最后分析了雨水腐蝕環(huán)境對(duì)試樣裂紋擴(kuò)展門檻值的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣材料和制備

試驗(yàn)采用的材料是我國(guó)高速動(dòng)車組車軸用EA4T車軸鋼（根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13261—2009 制造）。實(shí)體車軸熱處理工藝為：900 ℃正火保溫后，880 ℃保溫+水淬，然后在600 ℃回火保溫。由于車軸的疲勞裂紋多從車軸表面萌生，所以本次試驗(yàn)試樣均取自實(shí)體車軸軸身表面及其以下15 mm 之間的部位。

車軸合金鋼成分組成和力學(xué)性能如表1 和表2 所示。試樣的金相組織如圖1 所示，為回火索氏體和少量鐵素體。將所取材料制成沙漏形試樣，形狀尺寸如圖2 所示。為了消除機(jī)械加工影響，使用800#—2000#砂紙逐步打磨，去除機(jī)加工刀痕。

表1 EA4T 化學(xué)成分[14]Tab.1 Chemicalcompositionsof EA4T steel[14]wt%

表2 EA4T 力學(xué)性能[14]Tab.2 Mechanical properties of EA4T steel[14]

圖1 試樣組織Fig.1 Specimen microstructure

圖2 試樣形狀及尺寸Fig.2 Specimen shape and dimensions

1.2 腐蝕液制備

本試驗(yàn)采用人造雨水模擬腐蝕環(huán)境，人工雨水根據(jù)《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)公報(bào)》[15]中的化學(xué)成分配制。配制后的人工雨水pH=6.4，主要成分如表3 所示。采用滴落的方式模擬雨水落下，滴落流量為14.5 mL/min，對(duì)應(yīng)國(guó)家氣象局頒布的大雨天氣時(shí)的降水強(qiáng)度。

表3 人工雨水成分Tab.3 Artificial rainwater composition mg/L

1.3 疲勞試驗(yàn)

為研究EA4T 車軸鋼在腐蝕環(huán)境中的疲勞性能，制備圖2 所示試樣42 根，將試樣分為4 組，每組試樣試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表4。使用QBWP-6000J 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加載頻率為34～36 Hz（對(duì)應(yīng)約360 km/h 動(dòng)車組運(yùn)行速度），應(yīng)力比R= -1，疲勞極限的確定采用升降法。根據(jù)GB/T 24176—2009 標(biāo)準(zhǔn)，試樣失效或加載次數(shù)達(dá)到107周次（空氣中）或3×107周次（腐蝕環(huán)境中）時(shí)，停止試驗(yàn)，腐蝕疲勞試驗(yàn)裝置如圖3 所示。

圖3 腐蝕疲勞試驗(yàn)裝置Fig.3 Corrosion fatigue test equipment

表4 EA4T 試驗(yàn)試樣分組情況Tab.4 Experimental grouping of EA4T samples

1.4 表面形貌及斷口觀察

為研究EA4T 車軸鋼在腐蝕環(huán)境中的表面腐蝕坑和裂紋擴(kuò)展變化，在試驗(yàn)達(dá)到預(yù)定的循環(huán)周次時(shí)，中斷試驗(yàn)，使用4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl 溶液和超聲清洗機(jī)清洗試樣，以去除表面銹跡，使用Olympus OLS4100 激光共聚焦顯微鏡獲取腐蝕坑形貌、裂紋長(zhǎng)度和腐蝕坑深度。

為研究EA4T 車軸鋼在腐蝕環(huán)境下的破壞特性，在試樣失效后，用丙酮清洗試樣斷口，使用 JSM-6610LV 掃描電鏡（SEM）對(duì)斷口進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 S-N 曲線

腐蝕環(huán)境和空氣環(huán)境中試樣的S-N曲線如圖4 所示。對(duì)于所有試樣，隨著應(yīng)力水平的降低，疲勞壽命增加。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：空氣環(huán)境中，試樣在107循環(huán)周次內(nèi)存在疲勞極限，為355 MPa；而腐蝕環(huán)境中，試樣在107循環(huán)周次內(nèi)不存在疲勞極限，107循環(huán)周次對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度降低到245 MPa，相比空氣環(huán)境中降低了31%。

圖4 S-N 曲線Fig.4 S-N curves

在高應(yīng)力（大于355 MPa，相對(duì)于腐蝕環(huán)境下的疲勞極限而言）加載下，腐蝕環(huán)境中的疲勞壽命和空氣環(huán)境中的疲勞壽命非常相近，這表明高應(yīng)力情況下，腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞壽命的影響不大，此時(shí)疲勞壽命主要由加載應(yīng)力控制。而加載應(yīng)力低于355 MPa 時(shí)，腐蝕環(huán)境中的試樣疲勞強(qiáng)度顯著降低，這說(shuō)明在低于空氣環(huán)境中疲勞極限的應(yīng)力水平下，腐蝕環(huán)境會(huì)顯著降低試樣的疲勞性能。

2.2 表面形貌

由圖5a 可以看到，加載初期，由于電化學(xué)溶解，試樣表面出現(xiàn)腐蝕坑。由圖5b 可以看到，裂紋在腐蝕坑處萌生，其擴(kuò)展方向與加載方向垂直。腐蝕坑的產(chǎn)生在試樣表面引起了應(yīng)力集中，因此裂紋優(yōu)先萌生于腐蝕坑處。圖5c 中可以觀察到裂紋合并。隨著裂紋擴(kuò)展推進(jìn)，從不同腐蝕坑處萌生的裂紋出現(xiàn)合并，形成一條較長(zhǎng)的裂紋。因此，對(duì)腐蝕環(huán)境下不同壽命階段試樣表面形貌的觀察，可以將腐蝕疲勞過(guò)程分為3 個(gè)階段：早期腐蝕坑的形成階段、腐蝕坑到微裂紋的轉(zhuǎn)變階段、裂紋的生長(zhǎng)及合并階段。

圖5 腐蝕環(huán)境下腐蝕坑-微裂紋的轉(zhuǎn)變（加載應(yīng)力為360 MPa）Fig.5 Corrosion pit-microcrack transformation in corrosive environment at 360 MPa

通過(guò)觀察腐蝕環(huán)境下的試樣表面，可以發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度顯著降低的原因是，腐蝕環(huán)境的存在會(huì)導(dǎo)致試樣表面形成腐蝕坑，形成的腐蝕坑會(huì)引起應(yīng)力集中。根據(jù)Murakami 等[16]的推導(dǎo)結(jié)果，在裂紋尖端的應(yīng)力集中系數(shù)Kt可表述為：

其中，t為缺口深度；ρ為缺口根部的曲率半徑。可將腐蝕坑的深度看作缺口深度，且腐蝕坑深度越深，應(yīng)力集中系數(shù)Kt越大[10]。對(duì)不同加載周次下腐蝕坑深度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，腐蝕坑深度在早期腐蝕坑的形成階段，隨加載周次的增加而變深，而在腐蝕坑到微裂紋的轉(zhuǎn)變階段、裂紋合并及擴(kuò)展階段，腐蝕坑深度都沒(méi)有顯著變化。同時(shí)觀察到腐蝕坑的最大深度與應(yīng)力水平有關(guān)，不同應(yīng)力水平下的腐蝕坑最大深度見(jiàn)表5。從表5 中可以看出，應(yīng)力水平越低，腐蝕坑的最大深度越深。出現(xiàn)該現(xiàn)象是因?yàn)榈蛻?yīng)力水平下，試樣壽命較長(zhǎng)，腐蝕環(huán)境對(duì)試樣的影響時(shí)間也較長(zhǎng)，因此腐蝕環(huán)境有足夠的時(shí)間促進(jìn)腐蝕坑形成，使得腐蝕坑較深。較深的腐蝕坑引起較大的應(yīng)力集中系數(shù)，在很小的應(yīng)力作用下，裂紋也能在基體中擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度顯著下降。

表5 不同應(yīng)力水平下腐蝕坑最大深度Tab.5 Critical depth of corrosion pit under different stress levels

2.3 裂紋統(tǒng)計(jì)

腐蝕環(huán)境下材料表面損傷演化過(guò)程可以通過(guò)表面裂紋長(zhǎng)度的變化來(lái)表征[17-18]，而表面裂紋長(zhǎng)度的變化規(guī)律通常用雙參數(shù)Weibull 分布或Gumbel 分布描述。為了探究對(duì)比不同分布統(tǒng)計(jì)模型描述EA4T 合金鋼試樣表面裂紋長(zhǎng)度變化情況的效果，采用兩種分布分別對(duì)360 MPa 應(yīng)力水平下6×104和1.2×105周次加載時(shí)的裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

雙參數(shù)Weibull 分布公式[9]為：

Gumbel 分布公式[19]為：

累積（失效）概率為：

式中：F1是雙參數(shù)Weibull 分布的累積概率；F2是Gumbel 分布的積累概率；x是裂紋長(zhǎng)度；α、β是雙參數(shù)Weibull 分布的參數(shù)；λ、δ是Gumbel 分布的參數(shù)；pi為第i條裂紋的積累（失效）概率；i為第i條裂紋；n為裂紋總條數(shù)。

兩種分布擬合的結(jié)果如圖6 所示。通過(guò)對(duì)比兩種分布擬合后的可決系數(shù)R2，可知Gumbel 分布的擬合效果更好。因此，兩根試樣在不同壽命階段觀察的裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)采用Gumbel 分布擬合。300、360 MPa應(yīng)力水平下的裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和擬合曲線分別如圖7、圖8 所示。數(shù)據(jù)擬合后的可決系數(shù)均大于90%，說(shuō)明Gumbel 分布對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的適用性。對(duì)每組數(shù)據(jù)集進(jìn)行擬合的Gumbel 分布參數(shù)如表6 所示，在表6 中還給出了觀察區(qū)域內(nèi)裂紋的數(shù)量和密度。從表6 中可以觀察到，腐蝕疲勞初始階段，裂紋的數(shù)量取決于加載應(yīng)力大小。同時(shí)還可以觀察到，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋密度顯著降低，這是裂紋合并的結(jié)果，也說(shuō)明了裂紋合并是裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵機(jī)制[6]。而在300 MPa 應(yīng)力水平下，1.8×106循環(huán)周次的裂紋密度大于1×106循環(huán)周次的裂紋密度，原因可能是該應(yīng)力水平下，試樣壽命相對(duì)較長(zhǎng)，在1×106循環(huán)周次到1.8×106循環(huán)周次期間，又有新的裂紋從腐蝕坑萌生，且此期間已經(jīng)萌生的裂紋還沒(méi)有合并。

圖6 兩種分布的對(duì)比Fig.6 Comparison of the two distributions

圖7 300 MPa 應(yīng)力水平下表面裂紋的演變Fig.7 Evolution of surface cracks under 300 MPa stress level

圖8 360 MPa 應(yīng)力水平下表面裂紋的演變Fig.8 Evolution of surface cracks under 360 MPa stress level

表6 兩種應(yīng)力水平下不同壽命階段裂紋的數(shù)量和密度以及相關(guān)數(shù)據(jù)的Gumber 分布擬合參數(shù)Tab.6 The number and density of cracks in different life stages under two stress levels and the Gumber distribution fitting parameters of the relevant data

2.4 斷口觀察

圖9 為空氣環(huán)境中360 MPa 低應(yīng)力水平時(shí)的斷口形貌。從圖9 中可以觀察到，該應(yīng)力水平下只有一個(gè)主裂紋源，裂紋萌生于試樣表面，可以認(rèn)為其失效是由于晶體滑移引起的。

圖9 空氣環(huán)境中360 MPa 應(yīng)力水平（Nf=9.8×105）下試樣疲勞斷口觀察Fig.9 Fatigue fracture observation of specimens under 360 MPa stress level (Nf=9.8×105) in air environment: (a) fracture morphology, (b) main crack source

圖10a 為腐蝕環(huán)境下在240 MPa 低應(yīng)力水平時(shí)的斷口形貌。從圖10a 中可以觀察到，腐蝕疲勞裂紋源均萌生于表面，且該應(yīng)力水平下觀察到多個(gè)裂紋源，虛線方框圈出來(lái)了裂紋源的位置。圖10b 為其中一個(gè)裂紋源的放大圖，可以觀察到表面有腐蝕坑形成，且裂紋源萌生于腐蝕坑處。與空氣環(huán)境中不同，腐蝕環(huán)境中斷口有多個(gè)裂紋源，且裂紋源是腐蝕作用產(chǎn)生的腐蝕坑。這表明即使在較低應(yīng)力水平下，腐蝕環(huán)境可以使試樣表面金屬溶解形成腐蝕坑，引起表面應(yīng)力集中，從而促進(jìn)裂紋萌生。

圖10 腐蝕環(huán)境中240 MPa（Nf=1.2×107）下試樣疲勞斷口觀察Fig.10 Fatigue fracture observation of 240 MPa (Nf=1.2×107)specimen in corrosive environment: (a) fracture morphology, (b) the source of the crack originated in the corrosion pit

2.5 裂紋擴(kuò)展速率

圖11 為裂紋擴(kuò)展的da/dN-ΔK曲線圖，其中da/dN公式[20]為：

圖11 裂紋面積示意圖Fig.11 Crack area diagram

ΔK公式[16]為：

式中：C是常數(shù)；ΔK是應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；ΔKth是裂紋擴(kuò)展門檻值；Δσ是應(yīng)力幅；S是裂紋面積，c是裂紋長(zhǎng)度，a是裂紋深度（見(jiàn)圖11）。

圖12 中給出了EA4T 車軸鋼在腐蝕環(huán)境中和空氣環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化?？芍諝猸h(huán)境中裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值為6.29 MPa·m1/2，而腐蝕環(huán)境中的約為4.1 MPa·m1/2，且在疲勞裂紋萌生階段，腐蝕環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著高于空氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。這說(shuō)明腐蝕環(huán)境顯著降低了應(yīng)力強(qiáng)度因子的門檻值，使裂紋更容易在表面萌生，且加快了疲勞裂紋初期的擴(kuò)展速率。腐蝕環(huán)境下裂紋擴(kuò)展門檻值降低的原因是：當(dāng)材料處于腐蝕環(huán)境中時(shí)，裂紋前端為三向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，該應(yīng)力狀態(tài)與腐蝕介質(zhì)共同作用，使得裂紋擴(kuò)展的門檻值降低。且有研究表明，隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，材料的裂紋擴(kuò)展門檻值減小[21]。

圖12 中還可以觀察到，在中速疲勞裂紋擴(kuò)展階段，即Pairs 區(qū)，兩種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN均隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的增大而增大，且在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值下，兩種環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展速率差別不大，這表明腐蝕環(huán)境對(duì)Pairs 區(qū)裂紋擴(kuò)展速率沒(méi)有顯著影響。

圖12 腐蝕環(huán)境下與空氣環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率比較Fig.12 Comparison of crack growth rate between corrosion environment and air environment

以上兩種環(huán)境中EA4T 車軸鋼的da/dN-ΔK數(shù)據(jù)顯示，腐蝕環(huán)境降低疲勞壽命主要是因?yàn)楦g環(huán)境降低了裂紋擴(kuò)展門檻值，加快了裂紋萌生以及短裂紋擴(kuò)展，而當(dāng)裂紋達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展幾乎沒(méi)有影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：裂紋初期的擴(kuò)展速率較慢，腐蝕介質(zhì)有充足的時(shí)間作用于材料表面或裂紋尖端，腐蝕作用更顯著[22]，與空氣環(huán)境相比，腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋初期擴(kuò)展速率的影響較大。而隨著裂紋不斷擴(kuò)展深入，腐蝕環(huán)境沒(méi)有對(duì)中速疲勞裂紋擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展速率造成顯著影響，這是由于腐蝕液未滲透作用于裂紋前沿的結(jié)果。

3 結(jié)論

1）空氣環(huán)境中試樣的疲勞極限為355 MPa，而腐蝕環(huán)境中試樣不存在疲勞極限，107循環(huán)周次對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度降低到245 MPa，相比空氣環(huán)境中降低了31%。

2）腐蝕疲勞過(guò)程可分為3 個(gè)階段：早期腐蝕坑的形成階段、腐蝕坑到微裂紋的轉(zhuǎn)變階段、微裂紋合并及擴(kuò)展階段。在早期腐蝕坑的形成階段，腐蝕坑深度隨加載周次的增加而變深，而在腐蝕坑到微裂紋的轉(zhuǎn)變階段、裂紋合并及擴(kuò)展階段，腐蝕坑深度都沒(méi)有顯著變化。

3）Gumbel 概率分布統(tǒng)計(jì)與雙參數(shù)Weibull 概率分布統(tǒng)計(jì)相比，更適合描述EA4T 車軸鋼試樣表面腐蝕裂紋長(zhǎng)度隨加載次數(shù)的變化。

4）腐蝕環(huán)境顯著降低了試樣應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，空氣環(huán)境中應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值為6.29 MPa·m1/2，而腐蝕環(huán)境中約為4.1 MPa·m1/2，腐蝕環(huán)境對(duì)Pairs區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率沒(méi)有顯著影響。