热轧和热处理U75V钢单轴棘轮-疲劳交互作用实验研究

时丕顺， 赵吉中， 徐 祥， 阚前华

(1.西南交通大学力学与工程学院， 成都 610031; 2.应用力学与结构安全四川省重点实验室， 成都 610031)

引 言

近年来我国轨道交通事业得到了迅猛发展，截至2018年底铁路总里程已达13.2万公里，然而随着钢轨使用年限的延长，钢轨的损伤问题也愈加严重，由滚动轮载反复施加引起的棘轮效应和低周疲劳失效已成为钢轨伤损的主要原因之一。我国陆续开发出适用于高速铁路、重载铁路、城市轨道交通等轨道交通领域的U71Mn、U78CrV、U75V等系列钢轨[1]。在对钢轨材料的研究中，有学者通过对不同热处理工艺下钢轨材料的显微组织和基本力学性能之间的关系进行研究和对比[2-3]，揭示了不同的热处理工艺下U75V钢轨显微组织变化与抗拉强度、屈服强度、断面伸长率和硬度等材料属性之间的关系[4]。一些学者还对钢轨材料的棘轮疲劳交互作用行为进行了大量实验和理论研究[5-11]，揭示了钢轨材料棘轮疲劳交互作用行为随加载水平、加载历史、温度等外在因素的变化规律，并建立了相应的循环塑性本构模型和疲劳失效模型。最近，热轧U75V钢的棘轮疲劳交互作用实验研究也得到了开展[12]，且适用于热轧U75V钢的疲劳寿命预测模型也随之建立，但对热处理U75V钢的棘轮疲劳交互作用实验研究尚未见报道。两种工艺的U75V钢轨在服役过程中均会受到车轮施加的循环载荷作用[4]，轮轨接触斑上的应力分布受到加载速率、廓形匹配、塑性匹配等诸多条件的影响[13-14]，局部会产生塑性变形累积并引起核伤、波磨、剥离和局部低周疲劳失效等钢轨损伤问题。而这些疲劳损伤问题归根结底是由于循环滚动载荷诱发的棘轮行为造成的。因此，亟需对两种热处理工艺的U75V钢材料进行棘轮-疲劳交互作用实验研究，揭示热处理工艺对材料基本力学性能、循环特性和棘轮行为的影响，并分析它们的棘轮疲劳交互作用行为，这将有利于指导线路上的钢轨选材。

针对两种热处理工艺的U75V钢，首先在指定位置处截取试样进行单轴拉伸试验并对比研究其拉伸性能；然后进行应变控制的疲劳实验，研究两种材料的循环软/硬化特性和应变疲劳性能；最后开展应力控制疲劳试验，对比两种热处理工艺U75V钢材料的棘轮演化特性，并获得材料疲劳寿命随平均应力和应力幅的变化规律，进一步讨论U75V钢的棘轮疲劳交互作用行为。

1 实验材料和工况

热轧和热处理U75V钢的主要化学成分如表1所示。二者主要区别在于：热轧U75V钢在轧制完成后自然冷却而成，而热处理U75V钢在轧制完成后，通过控制冷却速率细化珠光体片层间距来改善材料力学性能，因此两种热处理工艺的U75V钢有相近的化学成分和不同的显微组织。

表1 两种热处理态U75V钢的主要化学成分/ ‰

钢轨材料在使用过程中最大允许存在7-8 mm的磨耗和变形，轨头上靠近表层区域的材料均有可能进入塑性区，且下层材料的力学性能对上层材料的棘轮疲劳行为也有一定的影响。参考国家标准TB/T2344-2012，按图1所示取样方式分别截取热轧和热处理U75V钢材料进行单轴拉伸试验、应变控制疲劳试验和应力控制疲劳试验。试验中，当试样发生断裂不能继续承受载荷即认为材料发生了失效。将截取的材料加工成如图2所示的标准螺纹试样，并进行打磨和抛光。

图1 钢轨取样位置图

图2 标准螺纹式样

采用RPL100蠕变疲劳试验机进行单轴拉伸和疲劳试验，通过CRIMS-RPL100控制系统控制加卸载并采集数据，利用量程25 mm的应变引伸计测量应变。整个加载过程在常温下进行。参照文献[12]，应变控制加载速率取0.002 /s，应力控制加载速率取100 MPa/s，试验采用三角波形加载。相关参量定义如下：

棘轮应变：

(1)

棘轮演化率：

(2)

其中，εmax和εmin是每个加卸载循环中的最大和最小应变，N为循环次数。棘轮应变用来表征滞回环中心的移动，棘轮应变率表示滞回环中心移动的速率。

2 实验结果与讨论

2.1 单轴拉伸试验结果

取图1所示位置的热处理和热轧U75V钢试样进行单轴拉伸试验。试验结果如图3所示，热处理U75V钢的基本力学性能相对于热轧态有不同程度的提升。热处理工艺对钢轨的弹性模量影响不明显，但是热处理U75V钢的屈服强度、抗拉强度相较于热轧态有显著提升。

图3 单轴拉伸应力应变曲线

表2 两种热处理U75V钢的基本力学性能

2.2 应变疲劳实验结果

进一步地，对热轧和热处理U75V钢开展了对称应变控制疲劳实验，加载应变幅分别取0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%。循环应力-应变曲线如图4所示。由图4(a)、4(b)可知，两种热处理工艺下的U75V钢的滞回环并不重合，这表明，它们并非循环稳定材料。提取全寿命过程中应力幅随循环周次的演化曲线，如图5所示。可以发现，两种热处理工艺的U75V钢均表现出循环软化特性，且主要发生在前20个加载循环；热轧U75V钢的循环软化效应在低应变幅下更明显，热处理U75V钢的循环软化效应在高应变幅下更明显，即热轧U75V钢的软化应力(初始应力幅-稳定应力幅)随应变幅的增加而降低，热处理U75V钢的软化应力随应变幅的增加而增加，如图6所示。当应力幅值变化率小于1%时可视为循环稳定状态，由于不同工况下应力幅会出现一些波动，为了减少误差，这里取第80～100个循环的平均应力幅为稳定应力幅值。

图4 热轧和热处理U75V钢循环应力-应变曲线

图5 应力幅随循环加载次数演化曲线

图6 不同应变幅下的软化应力

2.3 应力疲劳实验结果

在应力控制疲劳试验中，相同加载应力水平下的全寿命棘轮应变演化曲线如图7(a)所示。两种热处理工艺的U75V钢的棘轮应变演化存在显著差异：热轧U75V钢初始棘轮应变和棘轮演化率明显高于热处理U75V钢，两种热处理工艺的U75V钢出现了不同的失效模式，其中热处理U75V钢轨材料表现出疲劳损伤主导的失效模式，而热轧U75V钢则表现出棘轮损伤(具体表现为棘轮应变过大导致失效)主导的失效模式。在实际服役中，热轧U75V钢轨主要应用于半径大于1200 m的路段，而热处理U75V钢轨主要应用于半径小于1200 m路段[4]，其服役载荷更为复杂。另一方面，钢轨在使用过程中，由于塑性变形累积和磨耗现象，轮轨廓形匹配关系不断发生变化，接触斑的应力分布也会越来越复杂，进而导致钢轨服役条件更加恶劣。

为进一步研究两种热处理U75V钢在塑性区内的棘轮应变演化规律，取加载应力幅之比约等于屈服应力之比，且恒定为1.5，如式(3)所示：

(3)

其中，σa1和σa2,分别为热处理和热轧U75V钢加载的应力幅，σy1和σy2分别为热处理和热轧U75V钢的屈服应力。

初始棘轮应变相同的棘轮应变演化曲线如图7(b)所示。显而易见，在相同平均应力下，热轧与热处理U75V钢的初始棘轮应变近似相同，但随着循环次数增加，热轧U75V钢棘轮应变更加显著，低平均应力下的热轧U75V钢疲劳寿命高于热处理U75V钢；随着平均应力的提高，热轧U75V钢的疲劳寿命下降更迅速，高平均应力下热轧U75V钢的疲劳寿命更低。

图7 热轧和热处理U75V钢棘轮应变演化曲线

2.3 疲劳失效分析实验结果

两种热处理U75V钢应变控制疲劳寿命均满足Manson-Coffin曲线，热处理U75V钢抗疲劳性能优于热轧态，结果如图8所示。

图8 低周疲劳寿命随应变幅变化

在对数坐标下的线性关系，对不同加载应变幅下的疲劳寿命与应变幅的关系进行线性拟合，获得结果如下：

ln(NT)=-270εa+5.0

(4)

ln(NR)=-237εa+4.7

(5)

其中，NT和NR分别为热处理和热轧U75V钢的低周疲劳失效寿命，εa为加载应变幅。

可以看出，随着应变幅的减小，热处理U75V钢低周疲劳性能更佳，当加载应变幅为0.5%时，热处理U75V钢的低周疲劳寿命约是热轧U75V钢的1.6倍。

应力疲劳实验结果表明，随着加载应力幅的减小，热轧和热处理U75V钢疲劳寿命逐渐增加，当加载应力幅小于一定值时，U75V钢的低周疲劳寿命会迅速增加，如图9所示；而随着平均应力的增加，热轧和热处理U75V钢的低周疲劳寿命并不单调减小，如图10所示，这表明加载平均应力和应力幅对热轧和热处理U75V钢低周疲劳寿命的影响存在竞争作用。低平均应力时，应力幅对疲劳寿命的影响占优；平均应力比较大时，平均应力对疲劳寿命的影响占优。

图9 疲劳寿命随加载应力幅的变化图

图10 疲劳寿命随平均应力的变化图

断口表征可用来了解材料失效原因，在钢轨断裂失效分析中得到了广泛应用[15]，可作为辅助手段说明两种热处理工艺U75V钢轨在强韧性和抗疲劳性能方面的差异。宏观断口表征通过体式显微镜OLYMPUS DSX100进行。两种热处理工艺U75V钢在加载应变幅0.7%下的宏观疲劳断口如图11所示。由图可见，热处理U75V钢整个断口表面较光滑，有金属光泽，瞬断区占据断口大部分区域，而裂纹扩展区较小；存在多个疲劳裂纹源，源区附近由于裂纹扩展速率较低反复摩擦形貌光滑呈瓷质状，在扩展区可以看到由核心区发展而来的疲劳台阶，瞬断区有放射状花样，韧性较好。而热轧U75V钢断面较为粗糙，凹凸不平，裂纹扩展区面积较小但略大于热处理U75V钢，且同样存在多个疲劳源。由于裂纹扩展速率较高扩展区形貌较粗糙，瞬断区主要呈结晶状分布，材料韧性较差，这与文献[16- 17]所述一致。

图11 热处理和热轧U75V钢疲劳断口

2.5 棘轮疲劳交互作用

取热轧和热处理U75V钢在不同平均应力下循环加载过程中半寿命应变幅，将应变循环作用下拟合结果转换到对数坐标系下，通过应力循环半寿命应变幅和应变疲劳实验的对比，可分析棘轮行为对疲劳寿命的影响，结果如图12所示。在零平均应力和高平均应力下(300 MPa)，应力疲劳寿命低于应变循环；而在低平均应力(100 MPa和200 MPa)下，较弱的棘轮效应使材料的疲劳寿命相对于应变循环和对称应力循环有所增加。热轧U75V钢在高平均应力(150 MPa和200 MPa)下显著的棘轮效应使材料疲劳寿命明显缩短，零平均应力时热轧U75V钢的疲劳寿命相比于应变循环没有明显差异(图12(b))；在低平均应力(50 MPa)作用下，热轧U75V钢的低周疲劳寿命受到弱棘轮效应的影响显著高于应变循环和对称应力循环。综合上述分析可知，对于热轧和热处理两种不同热处理工艺的U75V钢，低平均应力造成的弱棘轮效应会减缓疲劳损伤的累积速率，使钢轨材料的低周疲劳寿命增加；高平均应力引起的强棘轮效应会使疲劳寿命显著降低。

图12 热处理U75V钢的应力疲劳和应变疲劳实验结果

3 结 论

对热轧和热处理U75V钢进行了单轴拉伸、应变疲劳和应力疲劳实验研究，得到以下结论：

(1)热处理U75V钢的屈服强度和抗拉强度较热轧态有明显提升，两种热处理工艺的U75V钢均表现出循环软化特性。随着加载应变幅的减小，热处理U75V钢应变疲劳性能更佳；

(2)在相同载荷水平下以及两种热处理工艺U75V钢加载应力幅与屈服应力之比恒定时，热轧U75V钢均表现出更显著的棘轮变形；

(3)加载应力幅和平均应力对热轧和热处理U75V钢低周疲劳寿命的影响存在竞争作用，低平均应力引起的弱棘轮行为使材料低周疲劳寿命增加，高平均应力下显著的棘轮行为使材料疲劳寿命降低。