尹鴻祥，吳 毅，張關(guān)震，李 翔，張澎湃，張 弘，李文博

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

車(chē)軸是高速動(dòng)車(chē)組的關(guān)鍵部件，車(chē)軸斷裂極有可能造成動(dòng)車(chē)組脫軌，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。根據(jù)歐洲鐵路公司（ERA）的鐵路安全性能報(bào)告的統(tǒng)計(jì)，平均約每5 000 萬(wàn)km 運(yùn)營(yíng)里程發(fā)生1 次斷軸事故。斷軸事故調(diào)查分析表明，高周疲勞是車(chē)軸的主要失效模式［1］，尤其是車(chē)軸的低溫服役安全問(wèn)題更是現(xiàn)階段高鐵車(chē)軸關(guān)注的重點(diǎn)。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行低溫環(huán)境下EA4T 車(chē)軸鋼疲勞性能試驗(yàn)，旨在揭示高鐵車(chē)軸鋼在低溫環(huán)境下的疲勞損傷機(jī)理，為高鐵車(chē)軸低溫超長(zhǎng)壽命預(yù)測(cè)和可靠性分析提供科學(xué)和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

車(chē)軸在服役過(guò)程中主要承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用。因此采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法，試驗(yàn)設(shè)備為四連式懸臂梁型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)用疲勞小試樣取自動(dòng)車(chē)組新造EA4T車(chē)軸軸身表面10 mm處，試樣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，試樣尺寸如圖1所示。

表1 EA4T車(chē)軸鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 車(chē)軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣（單位：mm）

采用升降法確定疲勞極限：取第1 個(gè)應(yīng)力σ1≈0.5σb，其中σb為疲勞強(qiáng)度。如果材料疲勞循環(huán)至107周次仍未斷裂，那么停止試驗(yàn)，增加應(yīng)力幅繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；如果材料壽命低于107周次，再降低應(yīng)力幅進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。較高應(yīng)力水平按成組試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)：在確定材料疲勞極限后，應(yīng)力依次向上遞增進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，直至材料疲勞壽命低于104周次。

使用JEL6010 型掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌，判斷裂紋萌生位置和裂紋擴(kuò)展方式。

使用Tecnai G2 F30 S-TWIN 型場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡，觀察不同溫度下疲勞斷口附近精細(xì)組織。

使用USF-2000 型超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行車(chē)軸疲勞性能測(cè)試，試驗(yàn)裝置中配置低溫環(huán)境箱，制冷方式為液氮制冷，通過(guò)電磁閥控制液氮流量來(lái)調(diào)節(jié)溫度。低溫環(huán)境箱工作溫度范圍為室溫～-180 ℃，控制精度為±2 ℃，載荷范圍為150～1 200 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 溫度對(duì)疲勞性能的影響

對(duì)室溫、-40 ℃和-80 ℃下的低溫疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得到EA4T車(chē)軸鋼的S—N曲線(xiàn)如圖2 所示。由圖2 可以看出：EA4T車(chē)軸鋼在3 種試驗(yàn)溫度下的疲勞壽命均位于104～107次范圍內(nèi)，曲線(xiàn)均由1段高應(yīng)力區(qū)的斜線(xiàn)和1段顯示疲勞極限的水平線(xiàn)組成；S—N曲線(xiàn)均表現(xiàn)為隨著應(yīng)力降低疲勞壽命逐漸增加，且疲勞數(shù)據(jù)分散性也隨應(yīng)力降低而增加；3 種溫度下S—N曲線(xiàn)斜線(xiàn)段斜率絕對(duì)值隨溫度降低而降低，表現(xiàn)出低溫下EA4T 的應(yīng)力敏感性與溫度成反比，溫度降低疲勞強(qiáng)度升高。所以相比于室溫環(huán)境，光滑試樣在低溫環(huán)境下裂紋形核需要消耗更長(zhǎng)的循環(huán)周次。

圖2 EA4T 車(chē)軸鋼在室溫、-40 ℃和-80 ℃下的S—N 曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 疲勞斷口觀察

對(duì)不同溫度不同應(yīng)力水平下疲勞斷口進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)斷口的典型特征相同，均分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)3 個(gè)不同的區(qū)域，因此僅以-80 ℃低溫環(huán)境下疲勞斷口為例，其在高應(yīng)力和低應(yīng)力下的疲勞斷口形貌如圖3 和圖4 所示。圖中：紅色圈內(nèi)為裂紋源。

所以，就中國(guó)目前的政治、社會(huì)條件而言，西方聯(lián)邦式徹底分權(quán)模式并不適合，這在當(dāng)前的基層民主選舉就能看得出，一點(diǎn)恩惠就能換取一張選票，導(dǎo)致基層政治治理乃至社會(huì)治理出現(xiàn)一些與現(xiàn)代治理大相徑庭的結(jié)果，特權(quán)乃至霸凌情況成為基層治理屢見(jiàn)不鮮的難題，就是例證。中國(guó)現(xiàn)代的民主意識(shí)、治理的傳統(tǒng)影響等，都不支持中國(guó)照搬西方聯(lián)邦式徹底的分權(quán)模式，必須探索適合中國(guó)特色的單一制國(guó)家“中央統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、地方授權(quán)執(zhí)行”的財(cái)政體制分權(quán)模式。

由圖3 可以看出：裂紋源區(qū)表現(xiàn)出高應(yīng)力多源萌生，裂紋從多個(gè)源區(qū)向內(nèi)部擴(kuò)展；由于這些裂紋并不位于同一擴(kuò)展面，隨著裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展，多個(gè)不同擴(kuò)展面的裂紋匯聚在同一平面形成明顯襯度的“脊”。

圖3 高應(yīng)力下EA4T車(chē)軸鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口形貌（Nf=6.44×104次，σ=700 MPa）

圖4 低應(yīng)力下EA4T車(chē)軸鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口（Nf=5.32×106次，σ=520 MPa）

由圖4 可以看出：低應(yīng)力為單源萌生，裂紋從單一源區(qū)呈放射狀向試樣內(nèi)部擴(kuò)展；疲勞源區(qū)位于表面，這與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣加載方式有關(guān)，因?yàn)閼?yīng)力加載方向垂直于試樣軸向，所以軸向截面處并非均勻受力，最大應(yīng)力位于試樣表面處，且由表面向內(nèi)部逐漸降低。

試樣旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，斷口2 端易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦。隨著裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展，疲勞源區(qū)逐漸被磨平形成光亮平面。裂紋擴(kuò)展區(qū)面積隨應(yīng)力增大占斷口總面積比例逐漸增大，且均可以觀察到疲勞條帶，證明在-80 ℃～室溫溫度范圍內(nèi)裂紋擴(kuò)展機(jī)制為滑移機(jī)制。瞬斷區(qū)多位于裂紋源區(qū)對(duì)側(cè)表面處，但隨應(yīng)力增加裂紋源區(qū)數(shù)量增多，瞬斷區(qū)逐漸由表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，瞬斷區(qū)典型特征均為韌窩。

2.3 疲勞斷口位錯(cuò)組態(tài)觀察

由于-80 ℃～室溫下疲勞斷口宏觀與微觀形貌特征都十分相似，為了更深入地表征溫度對(duì)EA4T車(chē)軸鋼疲勞壽命的影響，制取不同溫度下疲勞壽命Nf=2×106次附近的近斷口橫斷面透射樣，分析溫度對(duì)疲勞損傷位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的影響。EA4T 車(chē)軸鋼在室溫下斷口附近典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5（a）可以看出：室溫下回火馬氏體大多數(shù)的位錯(cuò)都聚集在晶界處；匯聚在晶界處部分具有一致排列導(dǎo)向的位錯(cuò)彼此形成滑移帶，部分與滑移帶取向不同的自由位錯(cuò)同樣塞積在晶界處；隨著滑移帶在晶界處的形成和自由位錯(cuò)在晶界處的塞積，兩部分取向不同的位錯(cuò)相互纏繞、釘扎，形成了以回火馬氏體為中心的位錯(cuò)墻。從圖5（b）可以看出，晶粒內(nèi)部存在一定數(shù)量取向不一的自由位錯(cuò)。

圖5 室溫下EA4T車(chē)軸鋼斷口附近位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（Nf=2.00×106次，σ=350 MPa）

EA4T車(chē)軸鋼在-40 ℃下的斷口附近典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。由圖6 可以看出：-40 ℃下，回火馬氏體內(nèi)部和晶界處位錯(cuò)密度增加，形成位錯(cuò)胞，但自由位錯(cuò)數(shù)量減少，絕大部分位錯(cuò)具有相同的取向，位錯(cuò)之間的纏繞減少；回火馬氏體內(nèi)部位錯(cuò)被嚴(yán)格限制在晶界內(nèi)，晶界內(nèi)可看到明顯駐留滑移帶，證明在室溫～-40 ℃溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度的降低，位錯(cuò)的產(chǎn)生與擴(kuò)展被限制在體心立方（bcc）晶格密排位向內(nèi)。

圖6 -40 ℃下EA4T 車(chē)軸鋼斷口附近位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（Nf =2.66×106次，σ=450 MPa）

EA4T車(chē)軸鋼在-80 ℃下斷口附近典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。由圖7 可以看出：與-40 ℃相似，回火馬氏體內(nèi)部形成位錯(cuò)胞，回火馬氏體晶粒內(nèi)部位錯(cuò)絕大部分聚集在晶界處，呈階梯狀，宏觀位錯(cuò)位相還保持原有的平行取向；大部分位錯(cuò)發(fā)生垂直于原位錯(cuò)方向的扭折。

室溫與低溫環(huán)境下EA4T車(chē)軸鋼斷口位錯(cuò)結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別為隨溫度降低，位錯(cuò)取向被嚴(yán)格限制在密排位相內(nèi)，晶粒內(nèi)部自由位錯(cuò)數(shù)目減少，Hwang［20］在研究高碳奧氏體鋼的韌—脆轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，即18Cr-10Mn 奧氏體鋼在塑性變形時(shí)發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變且低溫下馬氏體中位錯(cuò)傾向在晶格滑移面｛111｝內(nèi)平行排列，斷口表面大部分晶粒斷面傾向晶粒的密排面。Zhu［16］在研究高速列車(chē)輪輻材料低溫疲勞性能時(shí)也通過(guò)研究斷口表面晶粒取向發(fā)現(xiàn)，溫度從60 ℃降低至-60 ℃時(shí)，斷面晶粒取向?yàn)榫Ц窕泼妫?10｝ 和｛112｝ 的比例逐漸升高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是塞積在相界或晶界處的位錯(cuò)主要以滑移帶二次滑移和交滑移釋放塞積應(yīng)力，但由于溫度的降低，位錯(cuò)向非密排位交滑移困難，導(dǎo)致裂紋在晶界處的萌生與擴(kuò)展。然而裂紋難以穿過(guò)取向不同晶粒間晶界，所以位錯(cuò)被嚴(yán)格限制在晶粒內(nèi)部，且隨著應(yīng)力的增大，傾向發(fā)生相鄰晶粒整體扭轉(zhuǎn)到相同取向，以便于裂紋穿過(guò)晶粒進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖7 -80 ℃下EA4T 車(chē)軸鋼斷口附近位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（Nf =2.20×106次，σ=550 MPa）

而當(dāng)溫度較高時(shí)，屈服應(yīng)力較低，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的產(chǎn)生和移動(dòng)并非被嚴(yán)格局限于密排位相內(nèi)，直觀表現(xiàn)為晶粒內(nèi)部出現(xiàn)取向不同的自由位錯(cuò)。隨著位錯(cuò)的移動(dòng)，不同取向的位錯(cuò)塞積在界面處，產(chǎn)生相互間的纏繞與釘扎并逐漸形成了跨越界面的位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞內(nèi)的應(yīng)力集中誘發(fā)了小裂紋的萌生。

2.4 疲勞損傷機(jī)理

在近斷裂門(mén)檻值的低應(yīng)力強(qiáng)度因子區(qū)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率與溫度的關(guān)系主要由塑性變形熱激活過(guò)程控制。溫度與位錯(cuò)克服短程障礙的熱激活自由能成反比，導(dǎo)致溫度降低時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的晶格間摩擦阻力增加，摩擦阻力、溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系為

式中：σf為摩擦阻力；ΔG0為熱激活自由能；V為熱激活體積；k為玻爾茲曼常數(shù)；為塑性應(yīng)變速率；為塑性應(yīng)變速率參數(shù)。

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，必須克服晶格間摩擦阻力σf與晶體內(nèi)其他位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的阻力σa，這2 個(gè)應(yīng)力的關(guān)系可近似看作簡(jiǎn)單的加和關(guān)系，即材料的局部屈服應(yīng)力σy為

1983年，Johnson G R 和Cook W H 提出John?son-Cook 本構(gòu)模型，用來(lái)描述韌性材料高應(yīng)變率、大應(yīng)變對(duì)屈服應(yīng)力的影響，為

式中：A，B，C，m和n均為與材料本身有關(guān)的常數(shù)；ε為應(yīng)變；為應(yīng)變率；ε0為與應(yīng)變率有關(guān)參數(shù)；T?為與環(huán)境溫度成正比的無(wú)量綱溫度。

根據(jù)式（2）、式（3）均可以得出材料屈服應(yīng)力反比于環(huán)境溫度，即溫度降低屈服強(qiáng)度升高。位錯(cuò)只能在受到應(yīng)力大于材料的局部屈服應(yīng)力時(shí)夠發(fā)生移動(dòng)，所以位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力閾值隨溫度的降低而升高，直接表現(xiàn)為疲勞極限隨溫度的降低而升高。

哈爾濱至大連客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)是目前世界上速度最快的高寒地區(qū)運(yùn)營(yíng)高鐵，冬季最低溫度為-36.5 ℃。事故分析表明，高寒地區(qū)車(chē)軸的疲勞損傷并不比溫度較高地區(qū)增加。這是由于光滑車(chē)軸在低溫條件下，疲勞強(qiáng)度升高，但沒(méi)有發(fā)生所謂的疲勞脆性。

3 結(jié) 論

（1）EA4T 車(chē)軸鋼應(yīng)力敏感性和溫度成反比。溫度降低，疲勞強(qiáng)度升高；在高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力一定時(shí)，溫度越低，疲勞壽命越長(zhǎng)。高于-80 ℃條件下，EA4T 車(chē)軸材料低溫服役的疲勞性能優(yōu)良，不會(huì)出現(xiàn)延—脆轉(zhuǎn)變溫度，安全可靠。

（2）不同溫度下疲勞斷口典型特征相同，均分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)3 個(gè)不同的區(qū)域。裂紋源區(qū)表現(xiàn)為高應(yīng)力多源萌生，低應(yīng)力單源萌生。不同溫度下裂紋擴(kuò)展機(jī)制均為滑移機(jī)制。

（3）隨著溫度的降低，典型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。晶界處位錯(cuò)由位錯(cuò)墻向位錯(cuò)胞轉(zhuǎn)變，晶內(nèi)位錯(cuò)由自由位錯(cuò)→駐留滑移帶→位錯(cuò)扭折轉(zhuǎn)變。位錯(cuò)取向被嚴(yán)格限制在密排位相內(nèi)，晶粒內(nèi)部自由位錯(cuò)數(shù)目減少。

（4）材料微觀和宏觀屈服應(yīng)力均反比于環(huán)境溫度，即溫度降低時(shí)，位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力閾值升高，直接表現(xiàn)為疲勞極限的升高。