岑耀東，郭曜琿，馬 瀟，陳 林，包喜榮

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

近年來，隨著列車載重和運(yùn)速的提高，對鋼軌的使用安全性和可靠性提出更高的要求，鋼軌的疲勞壽命問題顯得尤為突出[1-4]。珠光體鋼軌由于具有較高的強(qiáng)度、硬度及優(yōu)異的耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前鐵路運(yùn)輸中使用最廣泛的鋼軌之一[5-7]?；谔岣咧楣怏w鋼軌服役可靠性的考慮，對其疲勞裂紋性能的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)。Królicka等[8]研究了珠光體鋼軌的疲勞裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)珠光體鋼軌疲勞裂紋主要沿著團(tuán)簇的邊界擴(kuò)展。Bonniot等[9]研究了R260珠光體鋼軌Ⅱ+Ⅲ混合模式下的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，構(gòu)建了適用于裂紋尖端剪切/拉伸驅(qū)動的疲勞損傷模型，用于疲勞裂紋擴(kuò)展路徑和擴(kuò)展速率的預(yù)測。Masoudi等[10]研究了珠光體鋼軌的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制，采用有限元軟件構(gòu)建了裂紋尖端應(yīng)力場模型，并且考慮非金屬夾雜物對疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的影響，對疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris公式進(jìn)行修正。Maya-Johnson等[11-12]對珠光體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位動態(tài)拉伸，研究珠光體結(jié)構(gòu)的變形和裂紋擴(kuò)展路徑，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的先共析鐵素體對珠光體結(jié)構(gòu)的斷裂有很大影響，變形初期，變形主要發(fā)生在鐵素體中，裂紋常在珠光體與鐵素體的界面處形核，預(yù)變形的鐵素體群織構(gòu)對裂紋的彎曲、分叉和尖端鈍化有影響。

由于珠光體鋼軌是由鐵素體和滲碳體組成的片層狀組織，采用優(yōu)化熱處理工藝細(xì)化晶粒成為提高鋼軌強(qiáng)度、硬度和耐磨性的常用方法[13-15]。U75V重軌鋼是典型的珠光體鋼軌，應(yīng)用范圍較廣。李闖[16]研究了U75V重軌鋼的在線熱處理工藝，并且測定了U75V重軌鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線。Lan等[17]研究了淬火溫度和冷卻速度對U75V重軌鋼組織和力學(xué)性能的影響，測定了動態(tài)CCT曲線，發(fā)現(xiàn)采用淬火溫度750 ℃、冷速3～5 ℃/s可以得到較細(xì)的片層組織，明顯提高鋼軌的抗拉強(qiáng)度和硬度。Kang等[18]研究了U75V重軌鋼不同冷卻速度下硬化層的硬度和珠光體片層間距之間的關(guān)系。呂斌等[19]采用拉壓疲勞實(shí)驗(yàn)分級降載法對U75V重軌鋼進(jìn)行疲勞裂紋門檻值的測定，分析鋼軌的疲勞失效特點(diǎn)。Hua等[20]研究了U75V重軌鋼的滾動接觸摩擦疲勞及表面摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋼軌表面磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p，摩擦面塑性變形層滲碳體發(fā)生彎曲、斷裂、碎裂甚至溶解。目前關(guān)于優(yōu)化熱處理工藝提高U75V重軌鋼常規(guī)力學(xué)性能，以及U75V重鋼軌疲勞失效方面的研究較多，鮮有關(guān)于鋼軌珠光體片層間距、層狀方向等對疲勞裂紋擴(kuò)展影響方面的報(bào)道。因此，深入研究探討珠光體鋼軌的微觀組織對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響有重要意義。

在前期對U75V重軌鋼熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上[21-23]，本工作重點(diǎn)分析U75V重軌鋼三點(diǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展速率的特點(diǎn)，系統(tǒng)地研究U75V重軌鋼的微觀組織、珠光體片層間距、片層方向、分支裂紋及裂紋擴(kuò)展軌跡對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，探討U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為某軌梁廠生產(chǎn)的75 kg/m U75V重軌鋼，一種為軋后900 ℃空冷到室溫(簡稱軋態(tài))，另一種是軋后900 ℃空冷到750 ℃然后進(jìn)行風(fēng)冷，快速冷卻到室溫(簡稱熱處理態(tài))。U75V重軌鋼的化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)TB/T 2344—2012確定標(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點(diǎn)彎曲試樣，取樣位置及尺寸圖如圖1所示。疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)在Sincotec高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)定疲勞載荷Fmax=15 kN，F(xiàn)min=7.5 kN，應(yīng)力比R=0.5。按照GB/T 6398—2017的顯微目測法觀測疲勞裂紋長度a，并且記錄循環(huán)次數(shù)N，測定疲勞裂紋擴(kuò)展a-N曲線，然后通過Origin求導(dǎo)擬合出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK曲線，再根據(jù)da/dN-ΔK曲線上每一階段的拐點(diǎn)，劃分出疲勞裂紋擴(kuò)展的3個(gè)階段:第1階段(裂紋萌生)、第2階段(裂紋擴(kuò)展)、第3階段(瞬時(shí)斷裂)。

表1 U75V重軌鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of U75V heavy rail steel(mass fraction/%)

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣 (a)取樣位置；(b)加載示意圖；(c)試樣尺寸Fig.1 Three-point bending specimen (a)sampling location;(b)loading diagram;(c)specimen size

試樣斷裂后，用丙酮超聲波清洗疲勞斷口，采用Smart Zoom5顯微鏡觀察疲勞斷口的完整宏觀形貌。根據(jù)a-N曲線上各個(gè)階段的裂紋長度確定疲勞斷口Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)。然后將試樣進(jìn)行拋光，并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，利用Axio Vert. A1顯微鏡觀察微觀組織形貌，使用GALA3 TESCAN場發(fā)射掃描電鏡觀察其裂紋擴(kuò)展軌跡及微觀斷口形貌，采用Image J分析測量軟件對珠光體片層及疲勞輝紋間距進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)。

2 U75V重軌鋼的疲勞斷口形貌

2.1 疲勞斷口的宏觀形貌

圖2為軋態(tài)、熱處理態(tài)U75V重軌鋼的宏觀疲勞斷口。表2是與之對應(yīng)的3個(gè)區(qū)域的疲勞裂紋長度a和循環(huán)次數(shù)N。由圖2(a-1)，(b-1)可以看出，軋態(tài)試樣的宏觀疲勞斷口與熱處理態(tài)明顯不同。雖然軋態(tài)、熱處理態(tài)試樣的疲勞斷口在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)相對光滑平坦，但兩種試樣斷口在由Ⅱ區(qū)向Ⅲ區(qū)過渡的位置存在顯著差異，軋態(tài)試樣的疲勞斷口在過渡區(qū)的晶粒遠(yuǎn)比熱處理態(tài)試樣粗大，而且軋態(tài)試樣的整體斷口晶粒體積明顯大于熱處理態(tài)試樣。由圖2(a-2)，(b-2)可以看出，軋態(tài)試樣疲勞斷口的最大起伏度為2125 μm，而熱處理態(tài)試樣疲勞斷口的最大起伏度為1744 μm，軋態(tài)試樣的疲勞斷口起伏度要大于熱處理態(tài)，斷口相對較平直。由表2可知，在Ⅰ區(qū)，軋態(tài)試樣的疲勞裂紋長度比熱處理態(tài)試樣的多0.33 mm，而軋態(tài)試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)卻比熱處理態(tài)試樣的少4.5×104次，說明軋態(tài)U75V重軌鋼疲勞裂紋的萌生以及進(jìn)入Ⅱ區(qū)都要快于熱處理態(tài)；在Ⅱ區(qū)，軋態(tài)試樣疲勞裂紋長度僅比熱處理態(tài)試樣的少1.40 mm，而疲勞循環(huán)次數(shù)卻少9×104次，說明熱處理態(tài)U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)持續(xù)時(shí)間相對較長；在Ⅲ區(qū)，軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均快于各自的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，軋態(tài)試樣疲勞裂紋長度比熱處理態(tài)試樣的多1.97 mm，而疲勞循環(huán)次數(shù)卻少0.5×104次。由此得出，軋態(tài)U75V重軌鋼的三點(diǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展速率在不同階段均快于熱處理態(tài)。

圖2 U75V重軌鋼的疲勞斷口(1)和表面輪廓圖(2) (a)軋態(tài)；(b)熱處理態(tài)Fig.2 Fracture morphologies(1) and surface profiles(2) of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat-treated

表2 U75V重軌鋼疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)Table 2 Fatigue crack growth data of U75V heavy rail steel

2.2 疲勞斷口的微觀形貌

圖3為軋態(tài)、熱處理態(tài)U75V重軌鋼試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)的疲勞斷口形貌。可以看出，軋態(tài)試樣疲勞斷口呈現(xiàn)大量的河流花樣與解理面，河流花樣面積較大而且趨于匯合，疲勞輝紋較少，斷口具有明顯的穿晶準(zhǔn)解理斷裂特征。由于河流花樣是裂紋在擴(kuò)展過程中形成的扇形面，當(dāng)斷口表面河流花樣通過二次解理或與螺型位錯(cuò)相交時(shí)產(chǎn)生割階，在遇到相鄰的河流花樣擴(kuò)展臺階時(shí)會合并，從而加快裂紋擴(kuò)展速率。熱處理態(tài)試樣斷口呈現(xiàn)大量的解理臺階和河流花樣，斷口同樣具有穿晶準(zhǔn)解理斷裂特征，但斷口的河流花樣面積較小，且以支流為主，支流匯合的現(xiàn)象較少，斷口表面具有撕裂棱和較細(xì)密的疲勞輝紋，同時(shí)還出現(xiàn)較多的二次裂紋。

圖3 U75V重軌鋼的疲勞斷口形貌 (a)軋態(tài)；(b)熱處理態(tài)Fig.3 Fatigue fracture morphologies of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat-treated

由圖3放大圖可以看出，熱處理態(tài)試樣斷口的疲勞輝紋比軋態(tài)密集，通過測量發(fā)現(xiàn)軋態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣的疲勞輝紋平均間距分別為253 nm和215 nm，熱處理態(tài)試樣疲勞輝紋間距遠(yuǎn)小于軋態(tài)試樣。疲勞輝紋的實(shí)質(zhì)是材料在交變載荷下發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)在斷口上留下的顯微痕跡，而疲勞輝紋間距表示每次循環(huán)裂紋產(chǎn)生的擴(kuò)展距離。熱處理態(tài)試樣疲勞輝紋間距較小，說明熱處理態(tài)試樣的整體裂紋擴(kuò)展速率較慢。

3 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

圖4為U75V重軌鋼的a-N曲線及對應(yīng)的da/dN-ΔK曲線。由圖4(a-1)，(b-1)可以看出，軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展a-N曲線整體變化趨勢相近。在疲勞裂紋擴(kuò)展初期，隨循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞裂紋長度增長緩慢。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度之后，裂紋長度開始陡增。但是，隨循環(huán)次數(shù)的增加，軋態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣的裂紋長度相對差值也逐步增大，說明相同疲勞加載條件下熱處理態(tài)試樣的疲勞壽命大于軋態(tài)。

圖4 U75V重軌鋼的a-N曲線(1)和da/dN-ΔK曲線(2) (a)軋態(tài)；(b)熱處理態(tài)Fig.4 a-N curve(1) and da/dN-ΔK curve(2) of U75V heavy rail steel (a)rolled;(b)heat treated

由圖4(a-2)，(b-2)可以看出，軋態(tài)和熱處理試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN在曲線的不同階段有明顯的區(qū)別，但整體上都隨著ΔK的增大而增大。此外，可以發(fā)現(xiàn)在曲線各個(gè)階段熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN始終小于軋態(tài)，通過對其線性擬合可以分別得到Paris公式中的疲勞裂紋擴(kuò)展常數(shù)C，m值，以及ΔK在10 MPa·m1/2和13.5 MPa·m1/2時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率da/dN值，如表3所示。根據(jù)TB/T 2344—2012要求，鋼軌的裂紋擴(kuò)展速率da/dN值在ΔK為10 MPa·m1/2時(shí)不應(yīng)超過17 mm·cycle-1，在ΔK為13.5 MPa·m1/2時(shí)不應(yīng)超過55 mm·cycle-1，而且在符合鐵標(biāo)規(guī)定的前提下越小越好。由表3可以看出，熱處理態(tài)試樣的裂紋擴(kuò)展速率da/dN值在ΔK為10 MPa·m1/2和13.5 MPa·m1/2時(shí)遠(yuǎn)小于軋態(tài)，說明熱處理態(tài)試樣的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力優(yōu)于軋態(tài)。

表3 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展常數(shù)C，m值及疲勞裂紋擴(kuò)展速率Table 3 Fatigue crack growth constants C, m and fatigue crack growth rate of U75V heavy rail steel

4 U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡

圖5為軋態(tài)、熱處理態(tài)U75V重軌鋼的微觀組織及疲勞裂紋。由圖5(a-1)，(b-1)可以看出，軋態(tài)試樣具有清晰的珠光體片層，而熱處理試樣在相同倍數(shù)下很難觀察到珠光體片層，掃描電鏡觀察結(jié)果顯示軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的珠光體片層間距分別為272 nm和148 nm，充分證明熱處理態(tài)試樣的珠光體片層比軋態(tài)更細(xì)密。由圖5(a-2)，(a-3)，(b-2)，(b-3)可以看出，與軋態(tài)試樣的微觀組織相比，熱處理態(tài)試樣內(nèi)部的珠光體片層間距細(xì)密，而且片層方向和排布更加多樣，珠光體片層呈多角度交替排布，這種多角度交替排布的珠光體片層結(jié)構(gòu)有利于抑制裂紋的萌生。此外，由于珠光體片層間距減小，相界面增加，導(dǎo)致滑移距離縮短，阻礙擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展。對比圖5(a-4)，(b-4)中的疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡與珠光體片層，可以發(fā)現(xiàn)，軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋在珠光體中的擴(kuò)展均為橫切多層珠光體片層或沿其相界進(jìn)行，即以穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種方式進(jìn)行擴(kuò)展。但是，與軋態(tài)試樣不同的是，由于熱處理態(tài)試樣中珠光體片層間距更加細(xì)密，片層排布多樣，裂紋在擴(kuò)展中受到更多的阻礙，因此在疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡中出現(xiàn)明顯的裂紋橋接、Z字形回折及分支裂紋，這種曲折的裂紋擴(kuò)展路徑及分支裂紋可以極大消耗裂紋擴(kuò)展的能量，從而降低裂紋擴(kuò)展速率。

圖5 軋態(tài)(a)、熱處理態(tài)(b)U75V重軌鋼顯微組織及疲勞裂紋(1)金相顯微組織；(2)珠光體結(jié)構(gòu)；(3)珠光體片層；(4)裂紋擴(kuò)展軌跡Fig.5 Microstructures and fatigue cracks of U75V heavy rail steel of rolled(a) and heat-treated(b)(1)metallographic microstructures;(2)pearlite structures;(3)pearlite lamella;(4)crack propagation trajectory

圖6為軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡的EBSD像。可知，軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展均以穿晶斷裂與沿晶斷裂混合方式進(jìn)行，且以穿晶斷裂為主，同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱處理態(tài)試樣中有顯著的珠光體團(tuán)簇。通過對比軋態(tài)和熱處理態(tài)試樣的組織及疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡，發(fā)現(xiàn)熱處理態(tài)試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡比軋態(tài)試樣曲折。這是因?yàn)椋琔75V重軌鋼的珠光體片層由滲碳體與鐵素體組成，而鐵素體具有較好的塑性，所以疲勞裂紋優(yōu)先在其內(nèi)部形成和擴(kuò)展，而滲碳體為硬質(zhì)片，不利于疲勞裂紋擴(kuò)展。由于熱處理態(tài)U75V重軌鋼的珠光體片層間距比軋態(tài)試樣細(xì)小，滲碳體數(shù)量較多，阻礙裂紋擴(kuò)展的效果更加明顯。此外，當(dāng)裂紋在擴(kuò)展過程中遇到珠光體團(tuán)簇時(shí)，因團(tuán)簇邊界處的滲碳體取向不同，且存在鐵素體帶，疲勞裂紋易于在鐵素體中萌生和擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到滲碳體時(shí)，裂紋會改變擴(kuò)展方向，向薄弱的方向擴(kuò)展，造成裂紋軌跡曲折，這也是熱處理態(tài)試樣出現(xiàn)曲折的裂紋擴(kuò)展路徑及分支裂紋的主要原因。

5 結(jié)論

(1)軋態(tài)U75V重軌鋼的疲勞斷口呈現(xiàn)大量的河流花樣與解理面，河流花樣面積較大且趨于匯合，疲勞輝紋間距為253 nm，斷口具有明顯的穿晶準(zhǔn)解理斷裂特征。熱處理態(tài)U75V重軌鋼疲勞斷口呈現(xiàn)大量的解理臺階和河流花樣，斷口同樣具有穿晶準(zhǔn)解理斷裂特征，但斷口的河流花樣面積較小，且以支流為主，支流匯合的現(xiàn)象較少，斷口表面具有撕裂棱和細(xì)密的疲勞輝紋，疲勞輝紋間距僅為215 nm，同時(shí)還出現(xiàn)較多的二次裂紋。

(2)在相同的疲勞載荷、應(yīng)力比及試樣尺寸條件下，軋態(tài)U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率始終大于熱處理態(tài)，而且裂紋擴(kuò)展進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)更快，在裂紋擴(kuò)展開始后更容易擴(kuò)展至裂紋失穩(wěn)階段。熱處理態(tài)U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)持續(xù)時(shí)間相對較長，進(jìn)入瞬斷區(qū)滯后，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力更好。

(3)U75V重軌鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展方式為以穿晶斷裂為主的穿晶斷裂和沿晶斷裂混合擴(kuò)展。軋態(tài)和熱處理態(tài)U75V重軌鋼的珠光體片層間距分別為272，148 nm。熱處理態(tài)的珠光體片層間距較小，而且方向和排布多樣，組織更加細(xì)密，滲碳體層數(shù)量較多，而且熱處理態(tài)的組織中出現(xiàn)珠光體團(tuán)簇，造成其疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡中存在明顯的裂紋橋接、Z字形回折及分支裂紋，這種曲折的裂紋擴(kuò)展路徑及分支裂紋可以明顯消耗裂紋擴(kuò)展的能量，是其具有較高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力的主要原因。