分享：含不同尺寸菱形压痕EA4T钢车轴的疲劳性能

张 恒,尹鸿祥,吴 毅,李 翔

 (中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所,北京 100081) 

摘 要:采用菱形压头挤压的方式在取自 EA4T 钢车轴的弯曲疲劳试样上预制压痕缺陷,研究 了压痕深度对疲劳强度的影响;采用修正 Murakami模型预测了疲劳强度,并引入疲劳指示参数构 建了疲劳寿命预测模型;采用有限元法对压痕附近的应变进行了分析。结果表明:试样的疲劳强度 随压痕深度的增加而降低,与无压痕试样相比,压痕深度为0.052mm 时,疲劳强度略微降低,压痕 深度为0.112,0.504mm 时,疲劳强度显著降低;疲劳裂纹萌生于应力集中较大的预制压痕短对角 线处,有限元模拟结果较准确;修正的 Murakami模型能较准确地预测含压痕缺陷试样的疲劳强 度,构建的疲劳寿命预测模型具有较高的精度,实测值与预测值之比均在2倍误差因子范围内。

 关键词:EA4T 钢车轴;压痕缺陷;疲劳强度;疲劳寿命;Murakami模型 中图分类号:U270.4 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0061-05

0 引 言

随着我国高铁的快速发展,以复兴号为代表的 高速动车组运行速度达到了350km·h -1[1]。动车 组高速运行时,车轴受道碴和积冰的高速冲击作用, 容易产生外物损伤缺陷(FOD),并在缺陷处萌生疲 劳裂 纹,严 重 时 会 导 致 车 轴 失 效[2]。 研 究 表 明: FOD周围的残余应力场对短疲劳裂纹的萌生有显 著影响[3-5] ;车轴表面缺陷小于临界尺寸时,缺陷对 25CrMo4或 EA4T 钢车轴的疲劳强度几乎没有影 响[6],缺陷尺寸超过临界尺寸时,车轴会在低于疲劳 强度的载荷下断裂[7-8]。 部分学者从断裂力学或损伤的角度评估了车轴 的疲劳强度和疲劳损伤容限[9-12]。疲劳损伤是一种 与时间呈正相关的塑性应变高度局部化损伤,基于 该理念,FATEMI等[13]提出了损伤过程区(Damage ProcessZone,DPZ)的概念,认为疲劳损伤局限在 61 张 恒,等:含不同尺寸菱形压痕 EA4T钢车轴的疲劳性能 DPZ中;CASTELLUCCIO 等[14]引 入 疲 劳 指 示 参 数(FIP)来表征单晶材料的累积损伤程度,建立了 FIP与疲劳寿命的关系。我国动车组车轴主要采用 EA4T 钢,目前国内外关于含缺陷 EA4T 钢疲劳性 能的研究鲜有报道。为此,作者通过在 EA4T 钢车 轴弯曲疲劳试样上预制菱形压痕缺陷,研究了压痕 尺寸对疲劳性能的影响,为含外物损伤缺陷车轴疲 劳寿命的预测提供参考。

 1 试样制备与试验方法

 在动车组还未投入使用的 EA4T 钢车轴轴身、 距表面10mm 处截取尺寸如图1所示的旋转弯曲 疲劳试样,采用预制菱形压痕缺陷以模拟击打伤,载 荷分别为150,2200,6500N,所得压痕的尺寸见表 1,宏观形貌如图2所示。在不同深度压痕附近截取 ?5mm 的硬度试样,剖开后研磨,采用 FM7型维氏 硬 度仪测试剖面的显微硬度。采用四连式悬臂梁型 旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验,加载 频率为50 Hz。采用 Quanta400型扫描电镜观察 疲劳断口形貌。 图1 旋转弯曲疲劳试样尺寸 Fig.1 Sizeofrotatingbendingfatiguesample 表1 不同载荷下预制菱形压痕的尺寸 Table1 Sizesofdiamondindentationunderdifferentloads 载荷/ N 压痕平均 深度/mm 压痕短对角线 平均长度/mm 150 0.052 0.382 2200 0.112 0.826 6500 0.504 1.675 图2 不同深度菱形压痕的宏观形貌 Fig.2 Macromorphologyofdiamondindentationwithdifferentdepth 

2 试验结果与讨论

 2.1 S-N 曲线 

图3 不同深度菱形压痕试样的S-N 曲线 Fig.3 S-N curvesofsampleswithdiamondindentationof differentdepth 由图3可以看出:含不同缺陷 EA4T 钢的疲劳 寿命范围均在10 4~10 7 周次,无压痕试样的疲劳强 度为352MPa,压痕深度为0.052mm 试样的疲劳强 度较无压痕试样的略微降低,为346 MPa,压痕深度 增大至0.112,0.504mm 时,试样的疲劳强度显著降 低,分别为280,147MPa。 

2.2 断口形貌

 疲劳断口分为疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区 和瞬断区。由图4可以看出:含压痕试样的多条疲 劳裂纹萌生于压痕处,且压痕深度越大,疲劳裂纹越 多,这是由于压痕深度越大,应力集中系数越高,裂 纹萌生所需的应力越小,试样越容易起裂;萌生的多 条裂纹向前扩展到一定距离后合并为一条主裂纹, 裂纹扩展区可见疲劳条带,呈典型的疲劳断裂特征, 瞬断区可见韧窝。

 2.3 疲劳强度预测 

MURAKAMI [15]把金 属 材 料 的 内 部 缺 陷 当 作 小裂纹处理,得到疲劳强度与显微硬度和缺陷尺寸 的关系: 62 张 恒,等:含不同尺寸菱形压痕 EA4T钢车轴的疲劳性能 图4 不同深度菱形压痕试样的疲劳断口形貌 Fig 4 Fatiguefracturemorphologyofsampleswithdiamondindentationofdifferentdepth a-c fatiguecracksource d-f crackpropagationregionand g-i instantaneousregion σw =1.56(HV +120)/ S 1/6 (1) 式中:σw 为疲劳强度,MPa;HV 为维氏硬度;S 为压 痕在垂直主应力轴平面上的投影面积。 试验测得深度分别为0.052,0.112,0.504 mm 压痕附近的硬度分别为240,265,355 HV,投影面 积分别为10915,49867,537067μm 2,代入式(1) 得到 的 疲 劳 强 度 见 表 2。 由 表 2 可 以 看 出,用 Murakami模 型 预 测 的 疲 劳 强 度 与 实 测 值 误 差 较 大。这是因为该模型没有将材料的疲劳强度与疲劳 寿命联系起来,不能精确计算材料对应疲劳寿命的 疲劳强度。在该模型基础上,WANG 等[16]增加了 疲劳寿命参量,提出了修正的 Murakami模型,表达 式为 σw =(α1 -β1lgNf)(HV +120)/ S 1/6 (2) 式中:α1,β1 为将表2不同压痕深度的投影面积、显 微硬度和疲劳强度代入式(2)后进行拟合得到的参 数;Nf 为疲劳寿命。 表2 Murakami模型预测疲劳强度和实测结果 Table2 FatiguestrengthpredictedbyMurakamimodel andmeasuredresults 压痕深度/ mm 实测疲劳强度/ MPa 预测疲劳强度/ MPa 相对误差/ % 0.052 346 237 31.70 0.112 280 226 19.29 0.504 147 207 -40.82 经拟合,得到α1=8.86,β1=1.31,代入式(2)得 到不同缺陷尺寸和疲劳寿命对应的预测疲劳强度, 将预测值与实测值进行对比,由图5可以看出,实测 值和预测值之比均在2倍误差因子范围内,预测结 果较准确。这说明修订的 Murakami模型能较准确 地预测含压痕 EA4T 钢车轴的疲劳强度。 63 张 恒,等:含不同尺寸菱形压痕 EA4T钢车轴的疲劳性能 图5 修正 Murakami模型预测疲劳强度和实测值对比 Fig.5 Comparisonoffatiguestrengthpredictedbyrevised Murakamimodelandmeasuredvalues

 2.4 疲劳寿命预测 

对于含 菱 形 压 痕 的 EA4T 钢 车 轴,引 入 压 痕 临近区域的应力场强度(应力场强度与缺陷尺寸、 远场应力以及车轴的形状尺寸等有关)、滑移系上 的循环变形量等参数来构建疲劳指示参数 FIP,表 达式[17]为 FIP = μΔσ E 1+k ΔK ΔKth ?? ?? ???? ?? ?? ???? (3) 式中:μ 为 Schmid因子;Δσ 为循环应力幅;E 为弹 性模量;k 为常数,与材料对缺陷的敏感性有关,取 值在0.5~1之间;ΔKth 为损伤起始的应力强度因 子幅,ΔK 为缺陷临近区域的应力强度因子幅。 对于车轴材料 EA4T 钢,μ 为 0.49,k 为 1,E 为210GPa,ΔKth 为10MPa·m 1/2。 研究[18]表明,缺陷附近区域的应力强度因子幅 ΔK 的表达式为 ΔK =0.65Δσ π S 1/2 (4) 基于FIP 损伤参量理念,对小试样疲劳寿命 Nf 进行预测,预测模型为 Nf=α2(FIP)β2 (5) 式中:α2,β2 为常数。 将不同深度压痕的S,Δσ,ΔKth,k,μ,E 值代入 式(3)和式(4)得到 FIP 值,再将 FIP 值和实测疲劳 寿命代入式(5),得到疲劳寿命预测模型表达式为 Nf=8.72×10 -9(FIP)-4.73 (6) 由图6可以看出,不同深度压痕试样的疲劳寿 命实测值与预测值之比基本在2倍误差因子范围 内,说明该预测模型具有较高的精度。

 3 有限元模拟及结果 

采用 ABAQUS有 限 元 软 件 对 含 压 痕 EA4T 钢车轴疲劳 试 样 的 应 变 分 布 进 行 分 析,有 限 元 模 型和应变分布情况分别如图7和图8所示。模型 图6 不同深度压痕试样的疲劳寿命预测值与实测结果 Fig.6 Fatiguelifepredictedvaluesandtestedresultsofsamples withidentationofdifferentdepth 图7 含菱形压痕疲劳试样的有限元模型 Fig.7 Finiteelementmodeloffatiguesamplewith diamondindentation 中部由一边 为 椭 圆 弧 的 四 边 形 旋 转 而 成,表 面 压 痕用尖点表示,压痕尺寸为实际尺寸,采用四面体 网格。为了 更 好 地 反 映 压 痕 处 的 应 力,对 压 痕 处 的网格进 行 加 密,网 格 尺 寸 约 为 0.1 mm,左 端 固 支,模拟疲劳试验机对试样的夹持,右端模拟对试 样的加载。 由图8可 以 看 出,不 同 深 度 菱 形 压 痕 试 样 的 应变最大值 均 出 现 在 菱 形 压 痕 的 短 对 角 线 处,说 明该处 存 在 应 力 集 中。 应 力 集 中 处 容 易 萌 生 裂 纹,这与 实 际 裂 纹 的 萌 生 位 置 一 致,模 拟 结 果 较 准确。

 3 结 论

 (1)EA4T 钢车轴试样的疲劳强度随压痕深度 的增加 而 降 低,与 无 压 痕 试 样 相 比,压 痕 深 度 为 0.052mm 时,疲 劳 强 度 略 微 降 低,压 痕 深 度 为 0.112,0.504mm 时,疲劳强度显著降低;疲劳裂纹 萌生于应力集中较大的预制压痕短对角线处,有限 元模拟结果较准确。 (2)引入疲劳寿命参量的修正 Murakami模型 能较准确地预测含压痕 EA4T 钢试样的疲劳强度; 构建的 EA4T 钢试样的疲劳寿命预测模型具有较 高的精度。 

来源：材料与测试网