低溫對LZ50車軸鋼短裂紋行為的影響

楊冰，廖貞，李一帆，肖守訥，陽光武，朱濤，陳東東

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都，610031)

鐵路車輛在運營過程中受自重和載重、輪軌沖擊過載、線路變化等因素引起的隨機載荷作用，這導致疲勞斷裂成為主要的破壞形式之一。LZ50車軸鋼被大規(guī)模用于提速車和重載車，現(xiàn)有研究主要是對LZ50車軸鋼在常溫環(huán)境下疲勞性能進行研究[1-2]。我國幅員遼闊，存在大范圍的冬季寒冷和嚴寒地區(qū)，最低環(huán)境溫度達-54 ℃[3]，目前還缺乏對低溫環(huán)境下車軸鋼的疲勞斷裂性能進行系統(tǒng)研究，特別是對占金屬材料疲勞壽命80%左右的短裂紋階段的疲勞性能研究更少。為保障低溫寒冷地區(qū)鐵路車軸的設(shè)計和運用安全，需進一步明確低溫環(huán)境下鐵路車軸鋼的疲勞斷裂性能，因此，開展低溫環(huán)境下LZ50車軸鋼短裂紋擴展行為研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值[4]。

根據(jù)裂紋長度和影響裂紋擴展因素的不同，MILLER[5-6]建議疲勞短裂紋劃分為受材料微觀結(jié)構(gòu)特征(即晶粒粒徑) 影響的微觀短裂紋(microstructurally short crack，MSC)和脫離微觀結(jié)構(gòu)約束的物理短裂紋階段(physically small crack，PSC)。MSC 階段，由于裂紋長度小，當裂紋遇到晶界、二相粒子、三角點、夾雜等會出現(xiàn)止裂或減速行為，裂紋擴展率表現(xiàn)出隨裂紋增長而多次起伏；當裂紋擺脫最大障礙微觀結(jié)構(gòu)障礙尺寸后，進入PSC 階段，裂紋擴展率持續(xù)增大，與相同應(yīng)力強度因子下的長裂紋相比，短裂紋的擴展率仍要快得多，但隨著裂紋長度增加，差別逐漸減小。楊冰等[7-8]研究LZ50車軸鋼在常溫環(huán)境下的短裂紋形式時發(fā)現(xiàn)，在MSC 階段裂紋擴展的主要微觀結(jié)構(gòu)障礙為鐵素體晶界和富珠光體帶狀結(jié)構(gòu)，裂紋擴展率出現(xiàn)明顯降速時對應(yīng)的裂紋長度與材料微觀結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)，提出了考慮微觀結(jié)構(gòu)障礙尺寸影響的短裂紋擴展率模型。

在低溫對材料基本力學性能和疲勞性能影響方面，絕大多數(shù)研究表明，對于鋼材，隨溫度降低，屈服強度和抗拉強度將提高而斷后伸長率和斷面收縮率將減小，且疲勞壽命有所提高[9-14]。ZHANG 等[9]對Q420 高強度鋼在室 溫、0 ℃、-15 ℃和-30 ℃這4 個溫度下進行疲勞試驗，隨溫度降低，試樣壽命增加。王天鵬等[10]針對Q345鋼，分別在0，-20，-40 和-60 ℃下進行疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)隨溫度降低，疲勞壽命增加，疲勞極限和裂紋擴展門檻值也比室溫下有所提高。尹鴻祥等[11]對高速鐵路EA4T車軸材料進行室溫、-40 ℃和-80 ℃的旋轉(zhuǎn)彎曲試驗，并繪制了3個溫度下的S-N曲線，發(fā)現(xiàn)隨溫度降低，疲勞強度提高，疲勞壽命增加。呂寶桐等[12]在不同溫度下對熱軋和高溫正火狀態(tài)16Mn 鋼進行試驗，發(fā)現(xiàn)當溫度下降時，該材料疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth上升，裂紋擴展率下降，在靠近ΔKth附近，擴展速率受溫度影響明顯，且影響效果隨ΔK提高而減弱。方華燦等[13]用斷裂力學研究了A537 海洋平臺用鋼在30，0 和-35 ℃下的疲勞裂紋擴展特性，發(fā)現(xiàn)在3 個溫度下的裂紋擴展均滿足Paris 規(guī)律，根據(jù)不同溫度下裂紋擴展率與應(yīng)力強度因子曲線，3個溫度的擴展率曲線相交于1點，在該點前后低溫對擴展率的影響存在差別。侯文崎等[14]針對鋼-混凝土結(jié)構(gòu)開展了-50，-25，-10 ℃和常溫下的疲勞對比試驗，發(fā)現(xiàn)溫度越低，栓釘?shù)钠趬勖介L，抗疲勞性能越強。

由此可見，在金屬材料疲勞短裂紋和溫度對材料性能的影響方面，國內(nèi)外學者已開展一系列研究，但關(guān)于低溫對金屬材料疲勞短裂紋萌生和擴展的研究仍有待加強。因此，本文作者開展不同低溫條件下LZ50車軸鋼在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷形式下的S-N疲勞試驗和短裂紋復型試驗，得到LZ50車軸鋼的疲勞特性及短裂紋萌生擴展數(shù)據(jù)，分析溫度對該材料疲勞特性及短裂紋萌生擴展的影響。

1 材料與試驗

1.1 材料與微觀組織

國內(nèi)鐵道車輛車軸常用材料為LZ50 鋼，其滿足TB/T 2945—1999“鐵道車輛用LZ50 鋼車軸及鋼坯技術(shù)條件”中的要求，LZ50 鋼成型后正火回火后抗拉強度不低于674 MPa，屈服強度不低于342 MPa。材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù))為0.470%C，0.260% Si，0.780% Mn，0.020% Cr，0.028% Ni，0.150%Cu，0.021%Al，0.014%P和0.007%S[15]。

為觀察LZ50 車軸鋼進行微觀組織，首先，依次使用400號、600號、800號和1 000號砂紙打磨試樣表面；然后，采用金剛石研磨膏拋光至鏡面效果；最后，使用體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液蝕刻試樣表面以暴露出微觀組織。圖1所示為采用激光共聚焦顯微鏡(OLYMPUS OLS4100)觀察所得LZ50 車軸鋼的微觀組織。從圖1 可知：LZ50 車軸鋼微觀組織由鐵素體和珠光體組成，且存在沿軸向聚集的帶狀珠光體結(jié)構(gòu)。鐵素體和珠光體的等效平均直徑分別為17.1 μm 和29.7 μm，帶狀間距范圍為86.7～310.1 μm。

圖1 LZ50車軸鋼正火和回火后微觀組織Fig.1 Microstructure of LZ50 axle steel after normalizing and tempering

1.2 沖擊試驗

根據(jù)GB/T 229—2007“金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法”，利用JBN-300 擺錘式?jīng)_擊試驗機，在室溫、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃開展沖擊試驗。試驗前使用干冰和酒精調(diào)至試驗環(huán)境溫度，試樣在各個溫度的溶液內(nèi)至少保溫20 min，且從低溫裝置中移出至打斷的時間不大于5 s。每個溫度下測得3 個試驗結(jié)果，取平均值，用Boltzmann 函數(shù)對不同溫度下的沖擊試驗結(jié)果進行擬合，得到?jīng)_擊吸收能量與溫度的曲線，如圖2所示。沖擊吸收能量達到上平臺50%時對應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，由圖2 可知LZ50 車軸鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-18.9 ℃。

圖2 沖擊功隨溫度變化曲線Fig.2 Curve of impact energy with temperature

1.3 S-N曲線試驗

根據(jù)各個應(yīng)力水平得到試驗數(shù)據(jù)，可以繪制材料的S-N曲線。本文采用經(jīng)典極大似然法確定LZ50 車軸鋼在室溫和-50 ℃下的S-N曲線，采用單點發(fā)確定其在-10 ℃和-30 ℃下的曲線，為復型試驗應(yīng)力水平的確定提供參考依據(jù)。經(jīng)典極大似然法與單點法的差別在于，除在其他每個應(yīng)力水平測試1 個試樣外，還會在關(guān)注的應(yīng)力水平測試8個試樣。

1.4 疲勞復型試驗

根據(jù)GB/T 4337-2015“金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法”，采用光滑漏斗圓棒樣在QBWP-6000J型簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機上開展疲勞試驗，如圖3所示。根據(jù)S-N試驗和沖擊試驗結(jié)果選取室溫、-10 ℃(韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上)和-30 ℃(韌脆轉(zhuǎn)變溫度之下)環(huán)境溫度下，在320 MPa 應(yīng)力水平下開展疲勞短裂紋復型試驗。由于復型過程需要在常溫環(huán)境下完成，為盡可能減小溫度變化對試驗結(jié)果的影響，每次復型后需將溫度降低至試驗溫度并保持20 min 之后再繼續(xù)循環(huán)加載。每根試樣復型總次數(shù)小于20 次，可認為溫度波動對試驗結(jié)果的影響很小。試驗結(jié)束后，利用“逆序觀測法”[16]反向追蹤觀察短裂紋萌生和擴展信息。

圖3 QBWP-6000J型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機和試驗幾何尺寸Fig.3 QBWP-6000J rotary bending fatigue testing machine and specimen geometry

2 結(jié)果與討論

2.1 S-N曲線分析

根據(jù)試驗結(jié)果，可采用下式描述S-N曲線：

式中：S為應(yīng)力水平；N為疲勞壽命；S0，m和C為材料常數(shù)。

對式(1)取對數(shù)，通過變換可得：

式中：A=lgC，B=-m，Y=lgN，X=lg(S-S0)。對一組S-N試驗數(shù)據(jù)(Si，Ni)，i=1，2，3，…，n，可計算出Xi和Yi。為求得各參數(shù)，利用最小二乘擬合得到的2個方程，并補充反映試驗數(shù)據(jù)擬合程度的相關(guān)系數(shù)RXY：

圖4 不同溫度下LZ50車軸鋼S-N曲線Fig.4 S-N curves of LZ50 axle steel at different temperatures

由圖4可知：在-10，-30和-50 ℃低溫環(huán)境下材料的疲勞壽命分別為室溫環(huán)境下的2.3，2.8 和11.7 倍，隨著溫度降低，LZ50 車軸鋼的疲勞壽命顯著提高。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，低溫疲勞裂紋的擴展取決于疲勞抗力和材料脆性的競爭關(guān)系[17]。低溫材料處于相對較低的應(yīng)力水平，材料疲勞抗力增加會導致壽命提高；但低溫材料的脆性增加，材料抗裂紋擴展能力變差，從而導致疲勞壽命降低。根據(jù)沖擊試驗結(jié)果可知，LZ50 車軸鋼材料偏脆，低溫下材料脆性增加小于材料疲勞抗力增加，因此，疲勞抗力增加占據(jù)主導地位，低溫疲勞壽命提高。

再利用經(jīng)典極大似然法，通過推導求出極大似然函數(shù)L：

對式(2)兩邊取自然對數(shù)，可得：

定義函數(shù)F為

式中：μ(S)和σ(S)分別為應(yīng)力水平S下的均值和標準差；m1和S01為存活率P=0.841 時的S-N方程參數(shù)。

當F取得最小值時，lnL取得最大值，從而求出P-S-N曲線。繪制出室溫和-50 ℃下具有50%存活率和99%存活率的P-S-N曲線，如圖5所示。對LZ50 車軸鋼來說，在參考應(yīng)力水平為320 MPa和370 MPa 時，室溫和-50 ℃這2個溫度下壽命分散性均比較小，且在低應(yīng)力長壽命段疲勞試驗分散性有所增加。

圖5 在室溫和-50 ℃下的P-S-N曲線Fig.5 P-S-N curves at room temperature and-50 ℃

2.2 復型試驗結(jié)果分析

2.2.1 短裂紋萌生與擴展

本文在“有效短裂紋準則”[18-20]的框架下，對LZ50 車軸鋼短裂紋行為進行描述。圖6 所示為-10 ℃低溫下典型試樣表面部分復型圖。圖6(a)所示為試樣表面原始狀態(tài)。從圖6(a)可觀察到典型的鐵素體和珠光體金相組織。圖6(b)～(d)所示為MSC階段短裂紋擴展信息，圖6(b)中短裂紋在N=5 000次時萌生于鐵素體晶粒A 內(nèi)部，由于受微觀晶粒粒徑約束，短裂紋擴展率緩慢。圖6(c)中短裂紋兩端向前擴展明顯，但裂尖仍受到珠光體晶界的阻礙，與此同時珠光體E 內(nèi)部伴隨其他裂紋的萌生。圖6(d)中短裂紋已合并為一條主導有效短裂紋。圖6(e)中裂紋尖端已突破帶狀珠光體帶狀結(jié)構(gòu)，主導有效短裂紋已進入PSC擴展階段。圖6(f)所示為試樣斷裂最后一張復型圖，裂紋擴展處于長裂紋階段，之后裂紋快速擴展至斷裂。此外，觀察室溫和-30 ℃低溫環(huán)境下的復型照片可知，在不同溫度下，短裂紋也均萌生于硬度相對較小的鐵素體內(nèi)部，且相比于疲勞壽命，裂紋萌生均比較早，在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷形式下，不同環(huán)境溫度下裂紋擴展角度基本垂直于試樣軸向。究其原因是，在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下，最大應(yīng)力集中于試樣表面，而試樣表面承受著沿軸向的拉壓交變應(yīng)力。試樣的裂紋擴展方向與溫度無關(guān)，主要受載荷形式的影響，即裂紋擴展方向與最大主應(yīng)力方向垂直。

圖6 -10 ℃下典型試樣短裂紋萌生與擴展過程Fig.6 Initiation and propagation of short cracks in typical specimens at-10 ℃

2.2.2 裂紋擴展行為

不同溫度下試樣主導有效短裂紋(dominant effective short fatigue crack,DESFC)長度a隨疲勞壽命分數(shù)f變化的關(guān)系曲線，如圖7 所示。由圖7 可知：在一定范圍內(nèi)溫度對短裂紋行為影響較小，不同溫度下疲勞短裂紋的萌生與擴展均占到了整個壽命階段的80%。此外，在室溫、-10 ℃和-30 ℃環(huán)境下MSC和PSC分界點對應(yīng)的疲勞壽命分數(shù)均值依次為0.45，0.51 和0.46，從而確定LZ50車軸鋼MSC和PSC分界點的疲勞壽命分數(shù)f為0.47左右。

圖7 不同溫度下DESFC長度a與疲勞壽命分數(shù)f關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between DESFC length a and fatigue life fraction f at different temperatures

圖8所示為DESFC擴展率隨疲勞壽命分數(shù)f和DESFC 長度a變化曲線。圖8(a)中，在MSC 階段裂紋的擴展受到微觀結(jié)構(gòu)特征影響顯著，裂紋擴展率在若干晶粒粒徑內(nèi)上下波動，當裂紋擺脫微觀結(jié)構(gòu)的影響進入PSC 階段時，裂紋擴展率隨循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)增長。圖8(b)中，對LZ50 車軸鋼的裂紋擴展率整體趨勢隨著溫度降低呈下降趨勢，且MSC 和PSC 階段的分界點出對應(yīng)的裂紋長度均約為100 μm。

圖8 不同溫度下DESFC擴展率da/dN與疲勞壽命分數(shù)f和DESFC長度a的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between DESFC growth rate(da/dN)and fatigue life fraction(f)and DESFC length(a)at different temperatures

對比LZ50 車軸鋼在不同環(huán)境下短裂紋擴展，發(fā)現(xiàn)無論從短裂紋的萌生時間、初始裂紋萌生位置還是裂紋在MSC 和PSC 階段的擴展行為方面，室溫、韌脆轉(zhuǎn)變溫度之上、韌脆轉(zhuǎn)變溫度之下的短裂紋擴展行為均表現(xiàn)出一定的相似性，表明材料的韌脆轉(zhuǎn)變對短裂紋萌生擴展影響不大，低溫下材料脆性的增加程度不如疲勞抗力的增加程度，從而壽命提高。此外，結(jié)合載荷形式[1,14]和加載頻率[2]對LZ50 車軸鋼疲勞短裂紋擴展行為的影響，發(fā)現(xiàn)在短裂紋階段，裂紋擴展率受微觀結(jié)構(gòu)障礙尺寸的影響，均出現(xiàn)了2次明顯的降速現(xiàn)象。

2.3 斷口分析

為進一步分析不同溫度下LZ50 車軸鋼材料的疲勞損傷機理，對旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口進行掃描電鏡觀察。圖9 所示為在室溫和-30 ℃下的斷口SEM圖。

圖9 在室溫和-30 ℃環(huán)境下試樣的斷口SEM圖Fig.9 SEM images of sample fracture at room temperature and-30 ℃

圖9 中室溫和-30 ℃的試樣斷口均由裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷形式下，最大應(yīng)力集中于試樣表面，裂紋源均萌生于試樣表面。圖9(a)中室溫下試樣斷口為典型多裂紋源萌生，裂紋源分布于外表面并逐漸向內(nèi)部圓心擴展，最終在中心位置形成瞬斷區(qū)，由于不同裂紋向中心擴展時并非處于同一個擴展面，從而在聚集時形成高低不平的棱脊狀。圖9(b)中-30 ℃斷口表面較為平整，裂紋源數(shù)量明顯減少，雙裂紋源萌生擴展形成臺階，瞬斷區(qū)位于裂紋源區(qū)對面，瞬斷區(qū)面積較室溫下大。圖9(c)和9(d)所示分別為室溫和-30 ℃下擴展區(qū)局部放大圖。可見，在室溫下擴展區(qū)有許多白色纖維韌帶，且存在二次裂紋，但-30 ℃下擴展區(qū)則表現(xiàn)為較多光滑平面。圖9(e)和9(f)中瞬斷區(qū)無明顯差異，均包含大量白色韌窩形貌。

3 裂紋擴展率擬合

文獻[8]以LZ50車軸鋼為試驗材料，綜合考慮了鐵素體晶界和珠光體帶狀組織2種微觀結(jié)構(gòu)對短裂紋擴展的影響，提出了包含多種微觀組織障礙影響的短裂紋擴展率模型：

式中：G0為初始循環(huán)周期內(nèi)微觀障礙對應(yīng)的最低擴展率；ΔWt為遠場總循環(huán)應(yīng)變能密度；i為第i種微觀結(jié)構(gòu)障礙；n為微觀結(jié)構(gòu)障礙種類的數(shù)量；A和m為材料相關(guān)系數(shù)；fi(Δdi)為阻力系數(shù)函數(shù)，表達式為

式中：di為第i種微觀障礙尺寸；Δdi為DESFC 裂尖穿過前一種微觀障礙后超出的尺寸；di-Δdi為DESFC 裂尖與第i種微觀障礙的距離；αi為與第i種微觀結(jié)構(gòu)障礙以及試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的常數(shù)。式(8)表明，DESFC裂尖越靠近微觀組織障礙，fi(Δdi)越接近1，則障礙約束作用越大。

由于在3 種不同溫度下保持著同樣的等效應(yīng)力，可忽略模型中遠場總循環(huán)應(yīng)變能密度，對于LZ50 鋼主要有鐵素體晶界和珠光體帶狀組織2 種微觀障礙，分別以下標1和2表示，模型進一步簡化為：

對3種溫度下的試驗結(jié)果進行擬合，擬合效果如圖10 所示，擬合參數(shù)如表1 所示。在3 種溫度下，短裂紋擴展率模型在PSC階段擬合效果很好，在MSC 階段也能體現(xiàn)出材料微觀結(jié)構(gòu)障礙對裂紋擴展率的阻礙作用。

圖10 不同溫度下典型試樣短裂紋擴展率擬合曲線Fig.10 Fitting curves of short crack growth rate of typical samples at different temperatures

4 結(jié)論

1)LZ50 鋼的疲勞壽命分散性較小，且低溫環(huán)境大幅度提高了材料的疲勞壽命，在350 MPa 下，-10，-30 和-50 ℃的疲勞壽命分別為室溫下的2.3，2.8和11.7倍。

2)不同溫度下短裂紋萌生擴展具有相似性，短裂紋均在試驗前期萌生于硬度相對較小的鐵素體內(nèi)部，擴展過程中沿晶界或穿過晶界曲折性增長，在整個壽命前80%的裂紋長度僅占據(jù)最終長度的10%左右；在MSC 階段受微觀結(jié)構(gòu)影響經(jīng)歷2次降速，在PSC階段擴展速率持續(xù)增加，且隨溫度降低擴展速率隨之下降，MSC 和PSC 階段的分界點對應(yīng)的疲勞壽命分數(shù)為0.47 左右，臨界裂紋長度約為100 μm，且材料韌脆轉(zhuǎn)變對短裂紋影響不大。

3)采用包含多種微觀組織障礙影響的短裂紋模型能有效擬合試驗數(shù)據(jù)，且較好地體現(xiàn)了MSC階段材料微觀組織對短裂紋擴展的阻礙作用。