车轮钢山形缺口KQ 值试验效率的探讨

高晓文

（太原重工轨道交通设备有限公司， 山西 太原 030032）

随着我国铁路运输向高速、重载方向的发展，车轮在服役过程中出现突然断裂现象已成为最大的安全隐患，因此提高车轮使用性能，特别是提高车轮抵抗裂纹扩展性能显得愈加重要。但车轮断裂韧性试验时间周期较长，一定程度下制约车轮生产进度，为匹配车间生产进度、降低试验成本，特做此探讨。

平面应变断裂韧度KⅠC是指在严格拉伸力作用下有尖裂纹存在时材料的断裂抗力。KⅠC是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料本身的特性，在一定条件下，与加载方式、试样类型和尺寸、裂纹本身大小和形状无关。KQ断裂韧性值不是材料的特征值，而是KIC的条件值，一般随试样厚度的减小而增大。KQ与KⅠC物理意义不同，但可以表示裂纹失稳扩展阻力的相对大小。

KQ值试验试样取自车轮轮辋，由于轮辋尺寸有限，最大只能选取试样厚度为30 mm的紧凑型拉伸试样，且试样尺寸绝大多数不能满足断裂韧性KIC试验所需的平面应变条件，为无效的KIC试验，无法测得材料的断裂韧性特征值KIC，只能通过试验测出KQ值来表示材料断裂韧性的大小。1 试验效率的主要影响因素

KQ值试验效率由疲劳循环周次决定，不同材质、不同工艺循环周次不同，通常在104～106之间。本文主要讨论相同材质、相同工艺车轮山形缺口KQ值试验的相关参数：加载频率、试样缺口尺寸、预制裂纹控制方法、应力比、应力强度因子以及裂纹长度对试验效率的影响。

1.1 加载频率

在不存在有害介质的情况下，只要加载频率不超过100 Hz就不会对疲劳裂纹的形成产生明显的影响。加载频率由试验机本身特性决定，一般低周疲劳试验机为液压疲劳试验机，工作频率为0～50 Hz；高周疲劳试验机为电磁疲劳试验机，工作频率为30～300 Hz。通常情况下，当疲劳寿命为 102～105周次时，选择低周疲劳试验机，疲劳寿命不小于105周次时选择高周疲劳试验机。

一般而言，在疲劳循环周次相对固定的情况下，加载频率越高，预制疲劳裂纹所需的时间越短，KQ值试验效率越高。但长期使用试验机相对较高的工作频率，会加剧试验机的磨损，缩短试验机寿命，在实际使用过程中应根据试验机本身特性选择试验频率。

1.2 试样缺口尺寸

对于车轮KQ值试验，试样规格一般为C（T）30、C（T）20的紧凑型拉伸试样，且裂纹萌生缺口采用山形缺口。依据现行试验标准GB/T 4161—2007，山形缺口剖面角度在90°～120°之间（见下页图1），在裂纹长度a一定的情况下，山形缺口剖面角度不同，预制疲劳裂纹长度a0不同，预制疲劳裂纹所需的时间不同。

对相同材质、相同工艺的车轮C（T）30试样，分别按照图1-1，图1-2的试样做20组试验（保持其他试验变量恒定），试验结束后，测量得到20组图1-1，图1-2试样的预制疲劳裂纹长度a0分别约为10 mm、7 mm（裂纹长度a为28 mm）。通过对20组试验数据的统计分析得到：20组图1-1、组图1-2试样 KQ的平均值为 94.6MPa·m1/2、93.3MPa·m1/2，且 2种试样拉伸解理断裂时出现II类曲线的几率相近。从实验数据总结发现，2种不同试样的KQ算数平均值相差1.3 MPa·m1/2，两种试样试验结果的算数平均值接近，考虑到车轮之间的个体差异，以及试样取样方向偏差等问题，2种试样的实验数据没有明显的差异，不影响实验数据的准确性，但图1-2试样预制疲劳裂纹长度a0较小，预制疲劳裂纹所需时间较短，试验效率较高。表明山形缺口剖面角度在要求范围内越大时，试验效率越高。

图1 山形缺口剖面角度

1.3 预制裂纹控制方法

在动态循环力预制疲劳裂纹时，应尽量减少中断试验的次数。预制疲劳裂纹控制方法有恒载增K法、降K法等。

1）恒载增K法。在预制裂纹试验过程中，最大载荷、最小载荷、应力比、加载频率保持不变，随着裂纹长度的增加，应力强度因子K增大，但由于K值逐渐增大，裂纹扩展速率越来越快，试验难以控制，试验失败概率增大。此方法适用于裂纹扩展速率大于10-5mm/cycle的试验。

2）降K法。在选定的裂纹扩展量间隔下采用恒定的力值范围来控制，试验过程中应力强度因子逐渐减小，但控制复杂，需要计算机控制程序实现。此方法适用于裂纹扩展速率小于10-5mm/cycle的试验。

通过比较2种控制方法得出：恒载增K法简单易行，裂纹扩展速率快，试验效率高，但此方法需判断材料对裂纹扩展速率的敏感度，确保试验的成功率。

1.4 应力比

现行试验标准GB/T 4161—2007中规定，最小循环应力与最大循环应力的比值不超过+0.1。大量试验表明，在一次循环中最大和最小应力强度因子的代数差ΔK一定的情况下，当应力比增大时，所施加的最大应力强度因子Kmax增大，预制裂纹的加载力增大，裂纹扩展速率增加越快，试验效率越高。

1.5 应力强度因子

一般选取材料临界应力强度因子的30%～60%作为初始Kmax，后续试验根据实际试验情况，适当增加或减小试验的初始Kmax，但预制裂纹结束时的Kmax不能超过裂纹扩展初始Kmax，以及疲劳循环的最大应力强度因子与材料杨氏模量的比值Kmax/E不得超过0.0003。满足上述条件的情况下，应力强度因子越大，施加在试样上的力值越大，裂纹预制速率加快，试验所需时间减小，试验效率越高。

1.6 疲劳裂纹长度

预制疲劳裂纹的目的是制造一个足够长的、尖锐的平直裂纹，使K标定计算式不受机加工初始缺口形状的影响。现行试验标准GB/T 4161—2007中规定，标准裂纹长度a在0.45～0.55W之间，比如C（T）30试样裂纹长度a为27～33 mm。裂纹长度a不同，预制疲劳裂纹长度a0不同，预制疲劳裂纹所需的时间不同。

对相同材质、相同工艺的车轮C（T）30试样，采用图1-2的缺口剖面角度，分别按照裂纹长度a为28 mm、30 mm做20组试验（其他变量保持恒定），试验结束后。通过对20组试验数据的测量、统计得到：裂纹长度a为28 mm、30 mm的KQ算数平均值分别为 82.4 MPa·m1/2、80.2 MPa·m1/2，预制疲劳裂纹长度a0分别约为7 mm、9 mm。从实验数据总结发现，2种裂纹长度a的KQ算数平均值相差1.2 MPa·m1/2，2种裂纹长度a的试验结果算数平均值接近，考虑到车轮之间的个体差异，以及试样取样方向偏差等问题，2种裂纹长度a的实验数据没有明显的差异，不影响实验数据的准确性，但裂纹长度a为28 mm时，试样预制疲劳裂纹长度a0较小，预制疲劳裂纹所需时间较短，试验效率较高。表明裂纹长度a在要求范围内越小时，试验效率越高。

2 结语

适当调整KQ值试验影响因素：加载频率、试样缺口尺寸、预制裂纹控制方法、应力比、应力强度因子以及裂纹长度均能够提高试验效率。在相关变量恒定、满足相关要求的情况下具体为：加载频率越高，试验效率越高；山形缺口剖面角度在要求范围内越大，试验效率越高；确保试验成功率时，选用恒载增K法时，试验效率越高；在应力比不超过+0.1时，应力比越大，试验效率越高；应力强大因子越大，试验效率越高；裂纹长度a在要求范围内越小时，试验效率越高。

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