不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究

吕 斌 丁振宇 高增梁

1.浙江工业大学，杭州，310032

2.过程装备及其再制造教育部工程研究中心，杭州，310032

0 引言

近年来，我国铁路运输业高速发展。列车轴重、运行速度和行车密度的提高以及高强度耐磨钢钢轨的应用，使接触疲劳损伤成为钢轨主要的失效形式之一［1］。广深线钢轨踏面斜裂纹损伤即属于滚动接触疲劳裂纹损伤类型，这类斜裂纹在轨头内部扩展可以导致钢轨断裂［2］。同时，材料自身的缺陷，如钢轨的夹杂物、核伤、残余应力、马氏体组织、内部裂纹也可以导致钢轨裂纹的萌生及扩展，造成钢轨的横向断裂［3］。疲劳寿命包含裂纹萌生及裂纹扩展至最终失效两个部分。对于高周疲劳，疲劳寿命主要消耗在裂纹形成时期；而对于低周疲劳，裂纹扩展寿命决定了材料的疲劳寿命［4］。随着损伤容限设计准则在结构设计领域内的运用，材料的疲劳裂纹扩展门槛值及裂纹扩展速率成为结构材料力学性能的重要指标，较高的疲劳裂纹扩展门槛值和较低的裂纹扩展速率不仅能够提高构件的可靠性，还能够延长构件的使用寿命进而降低成本［5］。

U75V轨道钢由于具有高强度和高硬度的特性，同时兼有较高的韧性，在我国铁路上被广泛使用。常见于规格为50kg/m、60kg/m、75kg/m和60AT的钢轨，从普通铁路到时速350km的高速 铁 路 都 有 运 用。 钟 雯 等［6－7］对 在 役 U75V（PD3）钢轨的疲劳裂纹扩展特性进行了研究，并与U71Mn进行了比较。胡家杰等［8］对U75V轨道钢的弯－弯疲劳裂纹扩展特性作了探索。以上研究均未考虑平均应力对裂纹扩展的影响，也缺乏材料断裂机理方面的研究。

本文针对U75V轨道钢，开展不同应力比条件下疲劳裂纹扩展门槛值的测定及疲劳裂纹扩展行为的研究。应用扫描电子显微镜对微观断口形貌进行观测，探讨U75V轨道钢的疲劳断裂机理。

1 材料和试验

1.1 材料

试验研究的材料为U75V轨道钢，所用热轧钢轨来自国内某钢铁集团，化学成分列于表1。

表1 U75V轨道钢的化学成分 %

相比于U74和U71Mn轨道钢，U75V轨道钢提高了Si元素的含量，这在一定程度上提高了该钢轨的硬度、强度和耐磨性。V元素的加入能提高晶粒粗化温度，该影响体现在钢轨的轧制过程中，通过影响奥氏体的再结晶从而达到细化奥氏体的效果。一定含量的Mn元素的存在可以降低钢的共析转变温度，使珠光体转变温度降低，从而可以细化珠光体组织。研究表明，珠光体团块平均直径的减小可以提高钢轨的抗拉强度和耐磨性能，而较小的珠光体片层间距可以提高钢轨的抗剥离能力，从而使钢轨的耐磨性能和滚动接触疲劳寿命得以提高［9］。

用体积分数为4%的硝酸酒精浸蚀材料2～4s后，用光学显微镜进行微观组织的观察。图1a为U75V轨道钢的金相组织图，其组织为团块状的珠光体。在扫描电镜下做进一步观察，如图1b所示，珠光体形态为铁素体基体上分布片层状渗碳体。

图1 U75V轨道钢金相组织图

1.2 试验

U75V轨道钢疲劳裂纹扩展试验试样取自一段热轧钢轨轨头部分，取样示意图见图2。热处理去除残余内应力，其工艺过程如下：钢轨轨头部分在880℃的加热炉内保持4h，随后空冷。试样采用机加工制成标准紧凑拉伸（compact tension，CT）试样，试样厚度为3.8mm，单面抛光成镜面便于观察裂纹。尺寸如图3所示。

图2 取样示意图

图3 疲劳裂纹扩展试验试样

试验在室温下进行，裂纹扩展试验在INSTRON 8872电液伺服疲劳试验系统上完成。利用装载有移动式长焦距显微镜的三坐标移动平台，实时跟踪和测量不同时刻的裂纹前沿位置坐标，该三坐标平台配备精度为0.001mm的螺旋测微器。疲劳裂纹扩展门槛值的测试采用文献［10］中提出的改进的分级降载法，分别测试应力比为0.03、0.1、0.2和0.5时的疲劳门槛值。应力比试验则按照GB/T6398－2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》的要求进行，试验采用正弦波加载方式。取试验应力比与门槛值测试时的应力比相一致，其详细的试验条件列于表2。应用SEM扫描电子显微镜对疲劳裂纹扩展试验试样的断口进行观测分析。

表2 疲劳裂纹扩展试验

2 裂纹扩展行为分析

2.1 疲劳裂纹扩展门槛值的测定

疲劳裂纹扩展门槛值是指在疲劳试验中疲劳裂纹停止扩展时所对应的裂纹尖端应力强度因子范围。事实上，要使裂纹“绝对”停止扩展是不可能的［10］，因此工程上将 da/dN＝10－7mm/cycle时所对应的应力强度因子范围ΔK值定义为疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth（a为裂纹长度，N为循环数）。本文的测试方法采用文献［10］提出的一种改进的分级降载法，目的是获得裂纹扩展速率在10－7mm/cycle至10－6mm/cycle区 间 内 的 5 个点。然后，在da/dN－ΔK双对数坐标系中用直线拟合这5个数据点。最后将da/dN＝10－7mm/cycle代入拟合得到的直线公式，得到的ΔK值即是ΔKth。注意，当区间内的点不足5个时，可用一个da/dN略大于10－6mm/cycle的点进行拟合。分级降载时，按每级降载5%进行控制，每级力下要使裂纹扩展增量Δa大于上一级Kmax对应的塑性区尺寸ry的4～6倍。塑性区尺寸按下式计算：

式中，σp0.2为材料非比例延伸率为0.2% 时的应力。

所得试验数据及其在双对数坐标下的拟合直线见图4，各个应力比下测得的疲劳裂纹门槛值见表3。测试结果表明，疲劳裂纹门槛值ΔKth随着应力比的增大而减小。

图4 疲劳裂纹门槛值测试

表3 疲劳裂纹门槛值

2.2 疲劳裂纹扩展速率

疲劳循环的平均应力水平对工程材料的疲劳行为有很大影响，常用应力比R来描述平均应力［11］。图5所示是试样在不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率曲线。其中，ΔP为力值范围，即ΔP＝Pmax－Pmin，为交变载荷最大值与最小值之差。从图5可以看出，随着应力比的增加，相同应力强度因子范围ΔK值所对应的裂纹扩展速率随之增加，表明裂纹扩展行为呈现出比较明显的应力比效应。进一步观察可以发现，由应力比所导致的裂纹扩展速率之间的差异，在ΔK值较小时表现明显。随着ΔK值的进一步增大，各应力比下裂纹扩展速率之间的差异有减小趋势。

用Paris公式对不同应力比下的疲劳裂纹扩展试验数据进行拟合分析。Pairs公式有如下形式：

图5 不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率

其中，C和n是材料常数。在双对数的da/dNΔK曲线关系图中，斜率为n，截距为lgC。Paris公式中的材料常数列于表4。由表4可知，试样的材料常数n随着应力比的增大而减小，对应Paris曲线斜率随着应力比的增大而减小。

表4 Paris公式拟合的材料常数

3 疲劳断口形貌分析

由图6a的疲劳门槛值附近的裂纹扩展断口形貌，可以观察到孤立的穿晶小刻面分布在穿晶疲劳断口上。穿晶的小刻面发生在特定的晶体学平面上，小刻面平滑且分布有台阶，具有类似解理的若干特征。Beevers［12］对不锈钢、镍基高温合金和Al 2219－T6等材料在疲劳门槛值附近的裂纹扩展行为进行了研究，将这些出现在门槛值附近的穿晶小刻面定义为“循环解理”。Priddle等［13］认为这些小刻面是在循环载荷作用下，裂纹以稳定扩展方式逐渐形成的，而不是真正的解理。材料沿晶体学平面发生断裂常见于金属材料在疲劳裂纹门槛附近的扩展阶段，而很少出现在材料的稳定扩展阶段。随着应力强度因子范围ΔK的增大，小刻面特征消失。

图6b为裂纹低扩展速率区的断口形貌图。由图6b可见类似于疲劳条纹的凸条纹棱线，这些棱线分布具有很强的方向性并且在一定区域内相互平行。值得注意的是，这些凸条纹棱线并非真正的疲劳条纹。Cooke等［14］将断口用2%（体积分数）的硝酸酒精溶液腐蚀后用扫描电镜观察，发现这些棱线的走向与薄片状珠光体的片层走向具有一致性，且每一条棱线至少包含一条渗碳体片层。文献［15］将这些棱线称为珠光体条带，并且指出具有相似方向的条带区域面积与珠光体团块尺寸相当。在珠光体钢的疲劳断口形貌图中，并没有观测到纯金属和延性合金中常见的疲劳条纹。

图6c为裂纹高扩展速率区的断口形貌图，观察断口照片可以发现局部区域出现扇形河流状花纹的平面。该平面是典型的解理断口形貌。解理断裂通常被认为是一种脆性断裂，是裂纹尖端达到解理应力后裂纹沿解理面的开裂，是一种静态断裂特征。解理断裂的出现标志着裂纹扩展开始由稳定扩展向高速扩展过渡。应力强度因子范围继续增大，解理断裂的比例将会增大，直到试样完全断裂。图6d是试样完全断裂时的断口形貌图，由图可见，整个断口都是因解理断裂而形成的扇形河流状花纹。

图6 U75V轨道钢不同阶段断口表面的微观形貌

断口观察发现，整个疲劳断口上最普遍的特征是分布有凸条纹棱线。仔细考察各应力比下裂纹稳定扩展阶段的断口形貌，发现无论是断面的粗糙程度还是凸条纹棱形的形态，在低扩展速率区和高扩展速率区都有较大差别。如图7所示，各应力比下低扩展速率区的断口较为平整，凸条纹棱线完整且呈细直的线条状，棱线的取向能较好地反应所在区域珠光体片层的取向。高扩展速率区的断口形貌见图8。由图8可见，裂纹扩展高速区的断口表面凹凸不平，凸条纹棱线不再呈现细直状且伴随弯曲变形和碎裂的迹象，断口可见二次裂纹。出现这些断裂特征的原因可以做如下描述：在裂纹扩展早期，初始位错在铁素体和渗碳体边界及边界附近区域形成，造成这些区域较大的应力集中，初始裂纹正是在平行于渗碳体片层的方向形成［16］；随着塑性应变的继续增大，剪切形变带开始出现，形变主要集中在强烈剪切形变带中，这些形变带的方向大致与主应力轴成45°而与珠光体片层方向无关，剪切形变带的增长最终导致渗碳体片层沿形变带方向被剪断［17］；塑性应变继续增大，剪切形变带在大范围内出现，造成珠光体团块内渗碳体片层被分割成许多碎段；同时较大的塑性应变亦导致渗碳体片层出现滑移、弯曲等现象。

图7 各应力比下低扩展速率区断口形貌

图8 各应力比下高扩展速率区断口形貌

4 结论

（1）用分级降载法测定材料分别在应力比为0.03、0.1、0.2和0.5下的疲劳裂纹扩展门槛值，其值分别为5.32MPa·m1/2、4.99MPa·m1/2、4.62MPa·m1/2和3.58MPa·m1/2。疲劳裂纹扩展门槛值随应力比的增加而减小。（2）U75V轨道钢的疲劳裂纹扩展行为呈现明显的应力比效应，疲劳裂纹扩展速率随应力比的增大而增大。进一步观察发现，随ΔK的增大，应力比效应有减小趋势。（3）断口观察可知，整个疲劳断口分布有凸条纹棱线，疲劳门槛值附近伴随着沿晶体学平面的穿晶小刻面，高扩展速率区出现解理断裂。裂纹在低扩展速率区的断面较平整，凸条纹棱线完整且呈细长的线条状；高扩展速率区断面凹凸不平，凸条纹棱线弯曲并伴随许多碎段及二次裂纹。

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