熱軋和熱處理U75V鋼單軸棘輪-疲勞交互作用實(shí)驗(yàn)研究

時丕順， 趙吉中， 徐 祥， 闞前華

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031; 2.應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

引 言

近年來我國軌道交通事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，截至2018年底鐵路總里程已達(dá)13.2萬公里，然而隨著鋼軌使用年限的延長，鋼軌的損傷問題也愈加嚴(yán)重，由滾動輪載反復(fù)施加引起的棘輪效應(yīng)和低周疲勞失效已成為鋼軌傷損的主要原因之一。我國陸續(xù)開發(fā)出適用于高速鐵路、重載鐵路、城市軌道交通等軌道交通領(lǐng)域的U71Mn、U78CrV、U75V等系列鋼軌[1]。在對鋼軌材料的研究中，有學(xué)者通過對不同熱處理工藝下鋼軌材料的顯微組織和基本力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究和對比[2-3]，揭示了不同的熱處理工藝下U75V鋼軌顯微組織變化與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面伸長率和硬度等材料屬性之間的關(guān)系[4]。一些學(xué)者還對鋼軌材料的棘輪疲勞交互作用行為進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究[5-11]，揭示了鋼軌材料棘輪疲勞交互作用行為隨加載水平、加載歷史、溫度等外在因素的變化規(guī)律，并建立了相應(yīng)的循環(huán)塑性本構(gòu)模型和疲勞失效模型。最近，熱軋U75V鋼的棘輪疲勞交互作用實(shí)驗(yàn)研究也得到了開展[12]，且適用于熱軋U75V鋼的疲勞壽命預(yù)測模型也隨之建立，但對熱處理U75V鋼的棘輪疲勞交互作用實(shí)驗(yàn)研究尚未見報道。兩種工藝的U75V鋼軌在服役過程中均會受到車輪施加的循環(huán)載荷作用[4]，輪軌接觸斑上的應(yīng)力分布受到加載速率、廓形匹配、塑性匹配等諸多條件的影響[13-14]，局部會產(chǎn)生塑性變形累積并引起核傷、波磨、剝離和局部低周疲勞失效等鋼軌損傷問題。而這些疲勞損傷問題歸根結(jié)底是由于循環(huán)滾動載荷誘發(fā)的棘輪行為造成的。因此，亟需對兩種熱處理工藝的U75V鋼材料進(jìn)行棘輪-疲勞交互作用實(shí)驗(yàn)研究，揭示熱處理工藝對材料基本力學(xué)性能、循環(huán)特性和棘輪行為的影響，并分析它們的棘輪疲勞交互作用行為，這將有利于指導(dǎo)線路上的鋼軌選材。

針對兩種熱處理工藝的U75V鋼，首先在指定位置處截取試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)并對比研究其拉伸性能；然后進(jìn)行應(yīng)變控制的疲勞實(shí)驗(yàn)，研究兩種材料的循環(huán)軟/硬化特性和應(yīng)變疲勞性能；最后開展應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)，對比兩種熱處理工藝U75V鋼材料的棘輪演化特性，并獲得材料疲勞壽命隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的變化規(guī)律，進(jìn)一步討論U75V鋼的棘輪疲勞交互作用行為。

1 實(shí)驗(yàn)材料和工況

熱軋和熱處理U75V鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。二者主要區(qū)別在于：熱軋U75V鋼在軋制完成后自然冷卻而成，而熱處理U75V鋼在軋制完成后，通過控制冷卻速率細(xì)化珠光體片層間距來改善材料力學(xué)性能，因此兩種熱處理工藝的U75V鋼有相近的化學(xué)成分和不同的顯微組織。

表1 兩種熱處理態(tài)U75V鋼的主要化學(xué)成分/ ‰

鋼軌材料在使用過程中最大允許存在7-8 mm的磨耗和變形，軌頭上靠近表層區(qū)域的材料均有可能進(jìn)入塑性區(qū)，且下層材料的力學(xué)性能對上層材料的棘輪疲勞行為也有一定的影響。參考國家標(biāo)準(zhǔn)TB/T2344-2012，按圖1所示取樣方式分別截取熱軋和熱處理U75V鋼材料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)、應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)和應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)中，當(dāng)試樣發(fā)生斷裂不能繼續(xù)承受載荷即認(rèn)為材料發(fā)生了失效。將截取的材料加工成如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)螺紋試樣，并進(jìn)行打磨和拋光。

圖1 鋼軌取樣位置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)螺紋式樣

采用RPL100蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸和疲勞試驗(yàn)，通過CRIMS-RPL100控制系統(tǒng)控制加卸載并采集數(shù)據(jù)，利用量程25 mm的應(yīng)變引伸計(jì)測量應(yīng)變。整個加載過程在常溫下進(jìn)行。參照文獻(xiàn)[12]，應(yīng)變控制加載速率取0.002 /s，應(yīng)力控制加載速率取100 MPa/s，試驗(yàn)采用三角波形加載。相關(guān)參量定義如下：

棘輪應(yīng)變：

(1)

棘輪演化率：

(2)

其中，εmax和εmin是每個加卸載循環(huán)中的最大和最小應(yīng)變，N為循環(huán)次數(shù)。棘輪應(yīng)變用來表征滯回環(huán)中心的移動，棘輪應(yīng)變率表示滯回環(huán)中心移動的速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

取圖1所示位置的熱處理和熱軋U75V鋼試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，熱處理U75V鋼的基本力學(xué)性能相對于熱軋態(tài)有不同程度的提升。熱處理工藝對鋼軌的彈性模量影響不明顯，但是熱處理U75V鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相較于熱軋態(tài)有顯著提升。

圖3 單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 兩種熱處理U75V鋼的基本力學(xué)性能

2.2 應(yīng)變疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步地，對熱軋和熱處理U75V鋼開展了對稱應(yīng)變控制疲勞實(shí)驗(yàn)，加載應(yīng)變幅分別取0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%。循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4(a)、4(b)可知，兩種熱處理工藝下的U75V鋼的滯回環(huán)并不重合，這表明，它們并非循環(huán)穩(wěn)定材料。提取全壽命過程中應(yīng)力幅隨循環(huán)周次的演化曲線，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩種熱處理工藝的U75V鋼均表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性，且主要發(fā)生在前20個加載循環(huán)；熱軋U75V鋼的循環(huán)軟化效應(yīng)在低應(yīng)變幅下更明顯，熱處理U75V鋼的循環(huán)軟化效應(yīng)在高應(yīng)變幅下更明顯，即熱軋U75V鋼的軟化應(yīng)力(初始應(yīng)力幅-穩(wěn)定應(yīng)力幅)隨應(yīng)變幅的增加而降低，熱處理U75V鋼的軟化應(yīng)力隨應(yīng)變幅的增加而增加，如圖6所示。當(dāng)應(yīng)力幅值變化率小于1%時可視為循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，由于不同工況下應(yīng)力幅會出現(xiàn)一些波動，為了減少誤差，這里取第80～100個循環(huán)的平均應(yīng)力幅為穩(wěn)定應(yīng)力幅值。

圖4 熱軋和熱處理U75V鋼循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 應(yīng)力幅隨循環(huán)加載次數(shù)演化曲線

圖6 不同應(yīng)變幅下的軟化應(yīng)力

2.3 應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)中，相同加載應(yīng)力水平下的全壽命棘輪應(yīng)變演化曲線如圖7(a)所示。兩種熱處理工藝的U75V鋼的棘輪應(yīng)變演化存在顯著差異：熱軋U75V鋼初始棘輪應(yīng)變和棘輪演化率明顯高于熱處理U75V鋼，兩種熱處理工藝的U75V鋼出現(xiàn)了不同的失效模式，其中熱處理U75V鋼軌材料表現(xiàn)出疲勞損傷主導(dǎo)的失效模式，而熱軋U75V鋼則表現(xiàn)出棘輪損傷(具體表現(xiàn)為棘輪應(yīng)變過大導(dǎo)致失效)主導(dǎo)的失效模式。在實(shí)際服役中，熱軋U75V鋼軌主要應(yīng)用于半徑大于1200 m的路段，而熱處理U75V鋼軌主要應(yīng)用于半徑小于1200 m路段[4]，其服役載荷更為復(fù)雜。另一方面，鋼軌在使用過程中，由于塑性變形累積和磨耗現(xiàn)象，輪軌廓形匹配關(guān)系不斷發(fā)生變化，接觸斑的應(yīng)力分布也會越來越復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌服役條件更加惡劣。

為進(jìn)一步研究兩種熱處理U75V鋼在塑性區(qū)內(nèi)的棘輪應(yīng)變演化規(guī)律，取加載應(yīng)力幅之比約等于屈服應(yīng)力之比，且恒定為1.5，如式(3)所示：

(3)

其中，σa1和σa2,分別為熱處理和熱軋U75V鋼加載的應(yīng)力幅，σy1和σy2分別為熱處理和熱軋U75V鋼的屈服應(yīng)力。

初始棘輪應(yīng)變相同的棘輪應(yīng)變演化曲線如圖7(b)所示。顯而易見，在相同平均應(yīng)力下，熱軋與熱處理U75V鋼的初始棘輪應(yīng)變近似相同，但隨著循環(huán)次數(shù)增加，熱軋U75V鋼棘輪應(yīng)變更加顯著，低平均應(yīng)力下的熱軋U75V鋼疲勞壽命高于熱處理U75V鋼；隨著平均應(yīng)力的提高，熱軋U75V鋼的疲勞壽命下降更迅速，高平均應(yīng)力下熱軋U75V鋼的疲勞壽命更低。

圖7 熱軋和熱處理U75V鋼棘輪應(yīng)變演化曲線

2.3 疲勞失效分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種熱處理U75V鋼應(yīng)變控制疲勞壽命均滿足Manson-Coffin曲線，熱處理U75V鋼抗疲勞性能優(yōu)于熱軋態(tài)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 低周疲勞壽命隨應(yīng)變幅變化

在對數(shù)坐標(biāo)下的線性關(guān)系，對不同加載應(yīng)變幅下的疲勞壽命與應(yīng)變幅的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，獲得結(jié)果如下：

ln(NT)=-270εa+5.0

(4)

ln(NR)=-237εa+4.7

(5)

其中，NT和NR分別為熱處理和熱軋U75V鋼的低周疲勞失效壽命，εa為加載應(yīng)變幅。

可以看出，隨著應(yīng)變幅的減小，熱處理U75V鋼低周疲勞性能更佳，當(dāng)加載應(yīng)變幅為0.5%時，熱處理U75V鋼的低周疲勞壽命約是熱軋U75V鋼的1.6倍。

應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加載應(yīng)力幅的減小，熱軋和熱處理U75V鋼疲勞壽命逐漸增加，當(dāng)加載應(yīng)力幅小于一定值時，U75V鋼的低周疲勞壽命會迅速增加，如圖9所示；而隨著平均應(yīng)力的增加，熱軋和熱處理U75V鋼的低周疲勞壽命并不單調(diào)減小，如圖10所示，這表明加載平均應(yīng)力和應(yīng)力幅對熱軋和熱處理U75V鋼低周疲勞壽命的影響存在競爭作用。低平均應(yīng)力時，應(yīng)力幅對疲勞壽命的影響占優(yōu)；平均應(yīng)力比較大時，平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響占優(yōu)。

圖9 疲勞壽命隨加載應(yīng)力幅的變化圖

圖10 疲勞壽命隨平均應(yīng)力的變化圖

斷口表征可用來了解材料失效原因，在鋼軌斷裂失效分析中得到了廣泛應(yīng)用[15]，可作為輔助手段說明兩種熱處理工藝U75V鋼軌在強(qiáng)韌性和抗疲勞性能方面的差異。宏觀斷口表征通過體式顯微鏡OLYMPUS DSX100進(jìn)行。兩種熱處理工藝U75V鋼在加載應(yīng)變幅0.7%下的宏觀疲勞斷口如圖11所示。由圖可見，熱處理U75V鋼整個斷口表面較光滑，有金屬光澤，瞬斷區(qū)占據(jù)斷口大部分區(qū)域，而裂紋擴(kuò)展區(qū)較小；存在多個疲勞裂紋源，源區(qū)附近由于裂紋擴(kuò)展速率較低反復(fù)摩擦形貌光滑呈瓷質(zhì)狀，在擴(kuò)展區(qū)可以看到由核心區(qū)發(fā)展而來的疲勞臺階，瞬斷區(qū)有放射狀花樣，韌性較好。而熱軋U75V鋼斷面較為粗糙，凹凸不平，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較小但略大于熱處理U75V鋼，且同樣存在多個疲勞源。由于裂紋擴(kuò)展速率較高擴(kuò)展區(qū)形貌較粗糙，瞬斷區(qū)主要呈結(jié)晶狀分布，材料韌性較差，這與文獻(xiàn)[16- 17]所述一致。

圖11 熱處理和熱軋U75V鋼疲勞斷口

2.5 棘輪疲勞交互作用

取熱軋和熱處理U75V鋼在不同平均應(yīng)力下循環(huán)加載過程中半壽命應(yīng)變幅，將應(yīng)變循環(huán)作用下擬合結(jié)果轉(zhuǎn)換到對數(shù)坐標(biāo)系下，通過應(yīng)力循環(huán)半壽命應(yīng)變幅和應(yīng)變疲勞實(shí)驗(yàn)的對比，可分析棘輪行為對疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖12所示。在零平均應(yīng)力和高平均應(yīng)力下(300 MPa)，應(yīng)力疲勞壽命低于應(yīng)變循環(huán)；而在低平均應(yīng)力(100 MPa和200 MPa)下，較弱的棘輪效應(yīng)使材料的疲勞壽命相對于應(yīng)變循環(huán)和對稱應(yīng)力循環(huán)有所增加。熱軋U75V鋼在高平均應(yīng)力(150 MPa和200 MPa)下顯著的棘輪效應(yīng)使材料疲勞壽命明顯縮短，零平均應(yīng)力時熱軋U75V鋼的疲勞壽命相比于應(yīng)變循環(huán)沒有明顯差異(圖12(b))；在低平均應(yīng)力(50 MPa)作用下，熱軋U75V鋼的低周疲勞壽命受到弱棘輪效應(yīng)的影響顯著高于應(yīng)變循環(huán)和對稱應(yīng)力循環(huán)。綜合上述分析可知，對于熱軋和熱處理兩種不同熱處理工藝的U75V鋼，低平均應(yīng)力造成的弱棘輪效應(yīng)會減緩疲勞損傷的累積速率，使鋼軌材料的低周疲勞壽命增加；高平均應(yīng)力引起的強(qiáng)棘輪效應(yīng)會使疲勞壽命顯著降低。

圖12 熱處理U75V鋼的應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

對熱軋和熱處理U75V鋼進(jìn)行了單軸拉伸、應(yīng)變疲勞和應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1)熱處理U75V鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)有明顯提升，兩種熱處理工藝的U75V鋼均表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性。隨著加載應(yīng)變幅的減小，熱處理U75V鋼應(yīng)變疲勞性能更佳；

(2)在相同載荷水平下以及兩種熱處理工藝U75V鋼加載應(yīng)力幅與屈服應(yīng)力之比恒定時，熱軋U75V鋼均表現(xiàn)出更顯著的棘輪變形；

(3)加載應(yīng)力幅和平均應(yīng)力對熱軋和熱處理U75V鋼低周疲勞壽命的影響存在競爭作用，低平均應(yīng)力引起的弱棘輪行為使材料低周疲勞壽命增加，高平均應(yīng)力下顯著的棘輪行為使材料疲勞壽命降低。