材料種類對(duì)鐵路車輪鋼斷裂機(jī)制的影響研究

陳 剛,曾東方,徐 芳,鄒 朗,姚三成

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031；3.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130000)

1 背景

KIC是衡量材料在載荷作用下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的重要指標(biāo)[1]、[2]。KIC測(cè)量方法基于線彈性斷裂力學(xué)建立[3]。但是，在絕大多數(shù)金屬材料裂紋尖端附近，由于應(yīng)力集中必然存在塑性區(qū)，這使得KIC的適用性得到限制。只有當(dāng)裂紋尖端滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件，平面應(yīng)變斷裂韌度KIC才不與試樣的形狀和尺寸有關(guān)，而是材料的固有屬性[2]、[5]。為滿足平面應(yīng)變斷裂韌度KIC測(cè)試條件，CT試樣尺寸(見圖1)應(yīng)符合如下要求：

(1)

(2)

式中，σys為材料屈服強(qiáng)度,MPa。α0為初始裂紋長(zhǎng)度,mm。W為線樣寬度,mm同時(shí)，載荷-位移曲線(P-V曲線)應(yīng)滿足Pmax/PQ≤1.1(即載荷條件)的要求。Pmax為P-V曲線最大載荷，PQ為95%割線與P-V曲線的交點(diǎn)[4]。

按照標(biāo)準(zhǔn)[5]，測(cè)量車輪鋼斷裂韌度使用CT30試樣(B，W和a0/W分別為30 mm, 60 mm，0.45-0.55)。高強(qiáng)度、低韌性車輪鋼主要發(fā)生脆性斷裂，采用CT30試樣可以滿足其斷裂韌度測(cè)試的尺寸要求；低強(qiáng)度、高韌性車輪鋼主要發(fā)生延性斷裂，采用CT30試樣可能無(wú)法滿足斷裂韌度測(cè)試的尺寸要求。因此，有必要研究材料種類對(duì)車輪鋼斷裂機(jī)制的影響，進(jìn)而確定采用CT30試樣測(cè)量不同種類車輪鋼斷裂韌度的合理性。

圖1 CT試樣

本研究使用CT30試樣測(cè)量了ER6、CL60和AAR-C車輪鋼平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果有效性分析和斷口觀察，研究材料種類對(duì)車輪鋼斷裂機(jī)制的影響，確定了CT30試樣材料適用性。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

本文以牌號(hào)為ER6、CL60和AAR-C的車輪鋼為研究對(duì)象，上述車輪材料的最高含碳量分別為0.48%，0.60%和0.77%。車輪材料的強(qiáng)度等級(jí)主要通過(guò)碳含量來(lái)劃分。由表1可見，材料強(qiáng)度隨著碳含量的增加而增加，延展性隨碳含量的增加而減小。

表1 車輪鋼基本力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

使用CT30試樣按EN13262標(biāo)準(zhǔn)[6]取樣測(cè)試車輪鋼KIC。試樣的形狀如圖1所示，由于較長(zhǎng)的預(yù)制裂紋能緩解載荷-位移曲線的彎曲，本研究的預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，即a0/W≈0.55。因此，CT30試樣的主要尺寸B，a0和W- a0分別為30 mm，33 mm和27 mm。試驗(yàn)工裝包括U型鉤、加載銷和夾持圓棒三部分，如圖2所示。CT試樣通過(guò)加載銷與U型鉤連接，夾持圓棒與U型鉤通過(guò)螺紋連接。試驗(yàn)機(jī)通過(guò)夾持圓棒對(duì)CT試樣施加載荷。KIC測(cè)試過(guò)程主要包括預(yù)制疲勞裂紋和斷裂試驗(yàn)兩部分。預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，最小力與最大力之比為0.1。為了保證最后50%預(yù)制裂紋擴(kuò)展量時(shí)的最大疲勞載荷符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且減少預(yù)制疲勞裂紋的機(jī)時(shí)，選擇降K法進(jìn)行加載。斷裂試驗(yàn)時(shí)，以0.9 準(zhǔn)靜態(tài)速率進(jìn)行加載，直至試樣破斷，獲取試驗(yàn)過(guò)程中的載荷-位移曲線。每種材料測(cè)試8個(gè)試樣，試驗(yàn)后計(jì)算測(cè)量結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 載荷條件

圖3為試驗(yàn)得到的車輪鋼P(yáng)-V曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，95%割線與P-V曲線交點(diǎn)即是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展開始時(shí)的載荷PQ，由PQ根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算得到相應(yīng)的平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ。如果試樣尺寸和載荷條件滿足要求，則測(cè)得的平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ就是該材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC。

圖2KIC測(cè)試試驗(yàn)示意圖

圖3 不同車輪鋼的P-V曲線

試驗(yàn)得到的Pmax/PQ和 KQ測(cè)試結(jié)果見表2?？梢?，三種車輪鋼的斷裂韌度由高到低排列依次為ER6，CL60和AAR-C。由于ER6車輪鋼的韌性較好，P-V曲線出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎曲，如圖3(a)所示，導(dǎo)致Pmax/PQ明顯大于1.1，不滿足載荷條件。韌性較差的CL60和AAR-C車輪鋼，P-V曲線幾乎是線性的。因此，Pmax/PQ均小于1.1，滿足載荷條件。需要指出的是，可能是AAR-C車輪韌性過(guò)低，測(cè)試過(guò)程中P-V曲線經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展的POP-IN現(xiàn)象。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1820[5]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，AAR-C車輪輪輞材料出現(xiàn)的POP-IN現(xiàn)象不影響數(shù)據(jù)有效性。

3.2 尺寸條件

根據(jù)平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ測(cè)試結(jié)果以及平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件(見第1節(jié))，可計(jì)算出測(cè)量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC所需的最小CT試樣尺寸，見表3。對(duì)于ER6車輪鋼，測(cè)量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC所需的試樣尺寸大于CT30試樣尺寸，因此使用該試樣不能滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件，試驗(yàn)僅能得到平面應(yīng)變斷裂韌度條件值KQ。對(duì)于CL60和AAR-C車輪鋼，使用CT30試樣同時(shí)滿足載荷條件和尺寸要求，可以使用該試樣測(cè)量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC。

表2 Pmax/PQ和 KQ測(cè)試結(jié)果

表3 測(cè)量KIC所需最小試樣尺寸

3.3 斷裂機(jī)制

ER6、CL60和AAR-C車輪試樣斷口形貌分別如圖4至圖6所示。車輪鋼的斷裂韌度主要取決于晶粒尺寸、先共析鐵素體含量、珠光體片層距、析出物等因素。ER6試樣斷口存在疲勞裂紋區(qū)、延性斷裂區(qū)和解理斷裂區(qū)，其中疲勞裂紋區(qū)在預(yù)制裂紋階段產(chǎn)生?？梢?，ER6試樣的斷裂機(jī)制主要表現(xiàn)為延性斷裂和解理斷裂，且延性斷裂區(qū)對(duì)材料斷裂韌度有較大貢獻(xiàn)。這是由于ER6材料的碳含量較低，具有較高的鐵素體含量。CL60和AAR-C車輪鋼的鐵素體含量較低，其主要斷裂機(jī)制均表現(xiàn)為解理斷裂，疲勞裂紋區(qū)與解理斷裂區(qū)之間不存在延性斷裂區(qū)，因此，這兩種車輪鋼的斷裂韌度明顯均低于ER6車輪鋼。從圖5(b)和圖6(b)可見，AAR-C試樣的解理面大于CL60試樣，且不同解理面間過(guò)渡較為平緩。因此，裂紋在AAR-C試樣中的擴(kuò)展阻力小于CL60試樣，AAR-C車輪鋼的斷裂韌度小于CL60車輪鋼。

圖4ER6試樣斷口形貌

圖5CL60試樣斷口形貌

圖6AAR-C試樣斷口形貌

從上述分析可見，隨著碳含量的增加，延性斷裂在斷裂機(jī)制所占比例逐漸降低，而解理斷裂所占比例逐漸增加，因此車輪的斷裂韌度逐漸降低。對(duì)于ER6車輪鋼，CT30試樣無(wú)法滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件；對(duì)于CL60和AAR-C車輪鋼，CT30試樣滿足平面應(yīng)變和小范圍屈服條件?？梢?，當(dāng)車輪鋼的主要斷裂機(jī)制表現(xiàn)為解理斷裂，CT30試樣適用于測(cè)試車輪鋼斷裂韌度。

4 結(jié)論

本研究使用CT30試樣測(cè)量了ER6、CL60和AAR-C車輪鋼平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，分析了材料種類對(duì)車輪鋼斷裂行為影響，研究了使用CT30試樣測(cè)試車輪鋼KIC的適用性。主要結(jié)論如下：

使用CT30試樣測(cè)量KIC時(shí)，ER6不滿足載荷條件、平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件；CL60和AAR-C同時(shí)滿足載荷條件、平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件。

隨著碳含量的增加(ER6→CL60→AAR-C)，延性斷裂在車輪鋼斷裂機(jī)制所占的比例逐漸降低，而解理斷裂所占的比例逐漸增加，因此車輪鋼的斷裂韌度逐漸降低。

車輪鋼(CL60、AAR-C)主要斷裂機(jī)制表現(xiàn)為解理斷裂，CT30試樣滿足平面應(yīng)變條件和小范圍屈服條件，適用于測(cè)試車輪鋼的平面應(yīng)變斷裂韌度。