張欣超 ，彭 飛 ，2，張洪輝

1.中車(chē)工業(yè)研究院有限公司，北京 100161

2.清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京 100084

0 前言

為了滿足現(xiàn)代軌道交通高速、高舒適性及高可靠性的要求，世界各國(guó)紛紛采用焊接鋼軌線替代原來(lái)的間隙式機(jī)械連接鋼軌線。在輪軌滾動(dòng)接觸力、蠕滑力及沖擊載荷作用下，焊接鋼軌表面及一定深度的次表面均會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷［1-2］。鋼軌表面裂紋能夠通過(guò)輪軌間的磨損被打磨去除，而位于接觸表面以下5～25 mm的次表面往往會(huì)成為危險(xiǎn)區(qū)域［2］，在輪軌蠕滑力循環(huán)作用下可能導(dǎo)致次表面裂紋迅速擴(kuò)展，隨著裂紋擴(kuò)展到一定程度會(huì)導(dǎo)致鋼軌剝離甚至產(chǎn)生斷裂，并且焊接接頭常常作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域尤其值得關(guān)注。因此，準(zhǔn)確評(píng)估焊接鋼軌次表面區(qū)域抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力具有重要的工程意義。

目前國(guó)內(nèi)外評(píng)估材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力通常是基于Irwin理論，即采用應(yīng)力強(qiáng)度因子幅進(jìn)行表征［3］。20世紀(jì)70年代Elber發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展存在塑性誘導(dǎo)裂紋閉合效應(yīng)，由于塑性誘導(dǎo)裂紋閉合導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展真實(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅低于名義值［4］。在隨后幾十年里，國(guó)內(nèi)外科研人員證實(shí)了多種形式誘導(dǎo)的裂紋閉合效應(yīng)［5-7］。然而，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)裂紋閉合對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響及相關(guān)機(jī)理仍存在爭(zhēng)議，如何準(zhǔn)確表征裂尖塑性變形及其對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的影響仍是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)是一種基于光學(xué)原理，通過(guò)計(jì)算試件表面變形前后數(shù)字散斑圖像的灰度矩陣，跟蹤計(jì)算點(diǎn)的空間位置，從而得到試件表面的位移與應(yīng)變信息的實(shí)驗(yàn)技術(shù)［8］。SU等人［9］采用DIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)重載鐵路鋼軌閃光對(duì)接焊縫處的試樣表面各點(diǎn)的非均勻應(yīng)變場(chǎng)及其演化的捕獲。黃嘯等人［10］借助DIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁鋰合金疲勞裂紋擴(kuò)展分層行為的試樣表面應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本文對(duì)比分析了焊接鋼軌母材及焊縫區(qū)域緊湊拉伸（CT）試樣在不同應(yīng)力比下的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，借助DIC技術(shù)獲取了疲勞載荷作用下試樣平面內(nèi)的實(shí)時(shí)變形和應(yīng)變?cè)敿?xì)信息，探討了試樣在不同條件下裂紋面及尖端實(shí)時(shí)應(yīng)變規(guī)律，試圖探索精確表征焊接鋼軌抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力的方法。研究工作將為深入認(rèn)識(shí)金屬疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性變形誘導(dǎo)裂紋閉合效應(yīng)提供一定借鑒，為焊接鋼軌關(guān)鍵承載部位合理打磨方案的制定提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為U71Mn焊接鋼軌，牌號(hào)為60N，其主要化學(xué)成分如表1所示。鋼軌焊接采用閃光對(duì)焊。試樣取樣位置如圖1a所示，按照GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》，分別于焊縫中心及母材處截取CT試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，CT試樣尺寸如圖1b所示。

表1 U71Mn鋼軌主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of U71Mn rail （wt.%）

圖1 CT試樣示意Fig.1 Schematic diagram of CT specimen

試驗(yàn)前先用金相砂紙對(duì)所有試樣表面進(jìn)行研磨拋光，隨后基于DIC基本原理對(duì)試樣一面進(jìn)行散斑處理。疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)測(cè)試在Instron E3000疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)中當(dāng)裂紋擴(kuò)展至預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)停機(jī)，一方面采用Dantec Q-400 DIC系統(tǒng)采集散斑處理面不同載荷下的圖像，供后續(xù)圖像處理獲取面內(nèi)應(yīng)變等數(shù)據(jù)；另一方面記錄停機(jī)循環(huán)周次并借助工具顯微鏡記錄實(shí)時(shí)裂紋長(zhǎng)度。試驗(yàn)后試樣變形位移結(jié)果處理在DIC系統(tǒng)自帶商用軟件Dantec上完成。應(yīng)力強(qiáng)度因子幅?K值計(jì)算基于ASTM E399標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，計(jì)算公式為：

表2 疲勞實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Fatigue test parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率分析

圖2為母材及焊縫區(qū)域試樣在不同應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率-應(yīng)力強(qiáng)度因子幅（da/dN-?K）關(guān)系結(jié)果。由結(jié)果可知，對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定區(qū)（Paris區(qū)），在低應(yīng)力比（R=0.1）、相同?K條件下，焊縫區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著大于母材區(qū)域試樣；而在高應(yīng)力比（R=0.6）、相同?K條件下，焊縫及母材區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率差異性較小。依據(jù)Paris理論變形公式，對(duì)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合

圖2 焊接鋼軌da/dN-?K關(guān)系Fig.2 da/dN-?K curve for welded rail

式中a為裂紋長(zhǎng)度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；C、m為和材料有關(guān)的常數(shù)。

擬合結(jié)果如表3所示，進(jìn)一步表明低應(yīng)力比下焊縫區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著大于母材區(qū)域試樣（ln（C）值更大），高應(yīng)力比下焊縫區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率略大于母材區(qū)域試樣（ln（C）值稍大）。

表3 da/dN-?K曲線擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of da/dN-?K curve

綜合分析可知，焊縫區(qū)域比較于母材區(qū)域，焊接過(guò)程中熱循環(huán)作用引起的接頭結(jié)構(gòu)相變行為一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。然而在低應(yīng)力比條件下（如R=0.1），焊縫與母材區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率結(jié)果相差顯著，這可能是由于低應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)增加，此結(jié)論與已有研究工作結(jié)論相一致［11］。而式（1）并未考慮裂尖塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致所獲得計(jì)算結(jié)果名義值與真實(shí)值之間存在一定的偏差。因而引起圖2及表3中R=0.1時(shí)，焊縫區(qū)域試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著大于母材區(qū)域試樣。因此，如何準(zhǔn)確表征疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)對(duì)于獲取真實(shí)da/dN-?K關(guān)系至關(guān)重要。

2.2 裂紋宏觀擴(kuò)展路徑分析

不同試驗(yàn)條件下試樣疲勞裂紋擴(kuò)展宏觀路徑如圖3所示，相對(duì)焊縫區(qū)域，母材區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中局部區(qū)域易產(chǎn)生偏折。依據(jù)已有公開(kāi)研究結(jié)果［12-14］，對(duì)于輪軸材料鐵素體+層片珠光體鋼，疲勞裂紋擴(kuò)展的薄弱區(qū)為珠光體層間，裂紋通常先沿層片間擴(kuò)展，遇到珠光團(tuán)邊界及鐵素體晶粒邊界便發(fā)生偏折，轉(zhuǎn)移到另一位向?qū)悠^續(xù)向前擴(kuò)展。因此，母材區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展易產(chǎn)生偏折。而對(duì)于焊縫區(qū)域，焊接過(guò)程中材料在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生了相變行為，疲勞裂紋擴(kuò)展行為便與母材不同。

圖3 疲勞裂紋宏觀擴(kuò)展路徑Fig.3 Macroscopic fatigue crack paths

2.3 裂尖變形行為

由2.1節(jié)可知裂尖塑性屏蔽效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展有重要影響，因此有效表征裂尖變形行為具有重要意義。圖4a～4d是B10#試樣在裂紋長(zhǎng)度為15.42 mm、外部載荷為1 200 N時(shí)試樣面內(nèi)橫縱向變形及應(yīng)變結(jié)果。作為對(duì)比，圖4e、4f是外部載荷為120 N條時(shí)試樣面內(nèi)橫縱向應(yīng)變結(jié)果。由結(jié)果可知，在外部載荷作用下，不僅裂紋尖端存在顯著變形，裂紋面區(qū)域尤其是靠近裂紋尖端的裂紋面區(qū)域同樣存在一定變形。其中縱向應(yīng)變?cè)诹鸭y面及尖端尤為顯著，如圖4d、4f中虛線圈所示。

圖4 B10#試樣F=1 200 N試樣平面內(nèi)變形應(yīng)變場(chǎng)Fig.4 Strain field for B10# sample with F equal to 1 200 N

為了進(jìn)一步探討不同條件下裂紋面及尖端變形行為，仔細(xì)對(duì)比分析了W1#及W2#試樣在相同外部載荷、不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)試樣面內(nèi)橫縱向應(yīng)變結(jié)果，如圖5所示。圖5a～5c是W1#試樣裂紋長(zhǎng)度分別為6.82 mm、10.84 mm、14.88 mm，外部載荷均為1 200 N時(shí)裂紋面及尖端縱向應(yīng)變結(jié)果。由結(jié)果可知，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋面及尖端縱向應(yīng)變?cè)黾?，這會(huì)引起更加顯著的塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)。圖5c～5f為W1#及W2#試樣裂紋長(zhǎng)度均為14.88 mm、外部載荷均為1 200 N時(shí)裂紋面及尖端縱橫向應(yīng)變結(jié)果。由結(jié)果可知，相同條件下，W1#試樣相比于W2#試樣裂紋面尖端具有更高的縱向應(yīng)變，因此會(huì)產(chǎn)生更顯著的塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)，這與2.1節(jié)中結(jié)論一致，低應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)增加。

通過(guò)進(jìn)一步比較不同條件裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋面及尖端的橫縱向變形及應(yīng)變特性，可推測(cè)得到典型裂紋在外部載荷作用下的裂紋面及尖端塑性變形區(qū)，及其產(chǎn)生的可顯著影響裂紋閉合行為的局部應(yīng)力分布情況，建立了疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋面及尖端因塑性變形引起的局部應(yīng)力受力模型，如圖5g所示。裂紋面及裂紋尖端在外載荷作用下將分別產(chǎn)生一定的塑性區(qū)，其塑性區(qū)將分別產(chǎn)生橫向及縱向局部應(yīng)力促進(jìn)裂紋的閉合，進(jìn)而影響裂紋向前擴(kuò)展。然而，基于DIC測(cè)量的結(jié)果，如何定量表征裂紋面及裂尖塑性變形引起的裂紋閉合效應(yīng)，從而定量表征真實(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，需要對(duì)裂紋面及尖端塑性變形進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析，這將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

圖5 不同條件下裂紋面及裂尖應(yīng)變Fig.5 Strain around crack flanks and tips at different conditions

3 結(jié)論

（1）相同條件下，焊接鋼軌焊縫區(qū)比母材區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率更快，其抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力更差。

（2）裂紋面及尖端的塑性屏蔽效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響，低應(yīng)力比條件下，塑性誘導(dǎo)裂紋屏蔽效應(yīng)更加顯著。

（3）基于DIC方法能夠有效獲取疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖變形行為，不僅裂紋尖端，裂紋面區(qū)域在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形從而對(duì)裂紋閉合產(chǎn)生影響，各自分別產(chǎn)生橫向及縱向局部應(yīng)力促進(jìn)裂紋閉合，進(jìn)而影響裂紋向前擴(kuò)展。