压痕对车轴钢疲劳极限的影响

工程科学学报，第38卷，第6期：827833,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.6:827-833,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.012:http:/journals.ustb.edu.cn 压痕对车轴钢疲劳极限的影响 高杰维”，戴光泽)区，赵君文”，李恒奎》，徐磊》 1)西南交通大学材料科学与工程学院，成都6100312)南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛266111 3)西华大学材料科学与工程学院，成都610039 ☒通信作者，E-mail:g.dai@163.com 摘要利用硬度计在光滑沙漏状车轴钢疲劳试样上制造压痕，同时利用电火花在试样上加工缺陷，通过疲劳试验研究两种 缺陷尺寸与试样疲劳极限之间的关系.将两类试样的测试结果和基于材料硬度、缺陷投影面积的Murakami模型计算结果进 行对比.利用扫描电镜观察试样疲劳断口.结果表明，与计算结果相比较，压痕局部塑性变形导致的加工硬化和残余应力对 试样的疲劳强度没有影响，裂纹依然从应力集中最大的压痕底部起裂.电火花缺陷表面粗糙度较大引起二次缺口效应，表面 硬脆的重铸白层上还有微孔和微裂纹存在，导致此类试样疲劳强度低于模型计算结果，裂纹从电火花缺口底部多处萌生 关键词车轴钢：疲劳性能：压痕：缺口：应力集中 分类号TH140.1 Indentation effect on the fatigue limit of axle steel GAO Jie-wei,DAI Guang-e,ZHAO Jun-wen,UI Hengku,XU Lei 1)School of Materials Science and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China 2)CSR Qingdao Sifang Co.,Ltd.Qingdao 266111,China 3)School of Materials Science and Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China Corresponding author,E-mail:g.dai@163.com ABSTRACT A hardness tester was used to make indentations on the hourglass fatigue specimens of axle steel,and notches were machined by electronic discharge machining (EDM).The fatigue limits of both indentation specimens and notched ones were exam- ined and compared with the theoretical values according to the Murakami formula based on material hardness and defect projected area. The fracture surface was observed by scanning electron microscopy.It is found that local work hardening and residual stress caused by plastic deformation of indentations have no significant effect on the fatigue limits in comparison with the predicted values by the Murakami equation.Fatigue cracks originate from the bottom of indentations due to stress concentration effect.The fatigue limits of notched specimens are lower than the calculated values because of secondary notches caused by the high roughness of notch surfaces and the existence of microcracks and micropores within the re-cast layers.Cracks initiate from multiple sites on the bottom of electronic discharge machining notches. KEY WORDS axle steel;fatigue behavior:indentation;notches:stress concentration 车轴是列车最关键的零部件之一，车轴的疲劳性寿命设计方法在车轴设计上并不适用，现在往往采用 能直接关系到列车的运行安全.车轴的断裂将导致列 损伤容限的方法.疲劳断裂包括裂纹萌生、裂纹扩展 车脱轨事故，造成人员伤亡和经济损失.从火车发明 和断裂三个阶段，裂纹萌生阶段占疲劳断裂寿命的 初期，车轴疲劳断裂研究就已经开始-).可是，安全 80%以上.对以往的车轴断裂事故研究发现，车轴疲 收稿日期：2015-06-16 基金项目：材料成型与模具技术国家重点实验室开放课题(P2015H0)

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期: 827--833，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 6: 827--833，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 06． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 压痕对车轴钢疲劳极限的影响 高杰维1) ，戴光泽1) ，赵君文1) ，李恒奎2) ，徐 磊3) 1) 西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031 2) 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111 3) 西华大学材料科学与工程学院，成都 610039  通信作者，E-mail: g． dai@ 163． com 摘 要 利用硬度计在光滑沙漏状车轴钢疲劳试样上制造压痕，同时利用电火花在试样上加工缺陷，通过疲劳试验研究两种 缺陷尺寸与试样疲劳极限之间的关系． 将两类试样的测试结果和基于材料硬度、缺陷投影面积的 Murakami 模型计算结果进 行对比． 利用扫描电镜观察试样疲劳断口． 结果表明，与计算结果相比较，压痕局部塑性变形导致的加工硬化和残余应力对 试样的疲劳强度没有影响，裂纹依然从应力集中最大的压痕底部起裂． 电火花缺陷表面粗糙度较大引起二次缺口效应，表面 硬脆的重铸白层上还有微孔和微裂纹存在，导致此类试样疲劳强度低于模型计算结果，裂纹从电火花缺口底部多处萌生． 关键词 车轴钢; 疲劳性能; 压痕; 缺口; 应力集中 分类号 TH140. 1 Indentation effect on the fatigue limit of axle steel GAO Jie-wei1) ，DAI Guang-ze1)  ，ZHAO Jun-wen1) ，LI Heng-kui2) ，XU Lei3) 1) School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China 2) CSＲ Qingdao Sifang Co． ，Ltd． ，Qingdao 266111，China 3) School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China  Corresponding author，E-mail: g． dai@ 163． com ABSTＲACT A hardness tester was used to make indentations on the hourglass fatigue specimens of axle steel，and notches were machined by electronic discharge machining ( EDM) ． The fatigue limits of both indentation specimens and notched ones were exam￾ined and compared with the theoretical values according to the Murakami formula based on material hardness and defect projected area． The fracture surface was observed by scanning electron microscopy． It is found that local work hardening and residual stress caused by plastic deformation of indentations have no significant effect on the fatigue limits in comparison with the predicted values by the Murakami equation． Fatigue cracks originate from the bottom of indentations due to stress concentration effect． The fatigue limits of notched specimens are lower than the calculated values because of secondary notches caused by the high roughness of notch surfaces and the existence of microcracks and micropores within the re-cast layers． Cracks initiate from multiple sites on the bottom of electronic discharge machining notches． KEY WOＲDS axle steel; fatigue behavior; indentation; notches; stress concentration 收稿日期: 2015--06--16 基金项目: 材料成型与模具技术国家重点实验室开放课题( P2015-10) 车轴是列车最关键的零部件之一，车轴的疲劳性 能直接关系到列车的运行安全． 车轴的断裂将导致列 车脱轨事故，造成人员伤亡和经济损失． 从火车发明 初期，车轴疲劳断裂研究就已经开始［1--3］． 可是，安全 寿命设计方法在车轴设计上并不适用，现在往往采用 损伤容限的方法． 疲劳断裂包括裂纹萌生、裂纹扩展 和断裂三个阶段，裂纹萌生阶段占疲劳断裂寿命的 80% 以上． 对以往的车轴断裂事故研究发现，车轴疲

·828 工程科学学报，第38卷，第6期 劳裂纹萌生源主要包括三种类型P.首先，车轴表面 痕.冲击痕破坏车轴的几何连续性，造成应力集中. 在大气环境中发生腐蚀，最常见的是点蚀。点蚀造成 同时，由于冲击痕处塑性变形，冲击痕附近引入残余应 车轴表面局部应力集中，加速腐蚀。同时，在腐蚀环境 力.道砟冲击痕破坏车轴表面的防腐层，引发车轴表 中，车轴材料的裂纹扩展门槛值降低，缩减车轴疲劳寿 面局部应力腐蚀.本文以车轴冲击痕疲劳断裂为背 命P..Beretta等o-0对欧系EAlN车轴做了系统的 景，将冲击痕进行简化.利用硬度计压头在沙漏状车 腐蚀疲劳研究，提出腐蚀裂纹扩展模型，并对车轴寿命 轴钢试样表面制造压痕.通过疲劳试验研究压痕大小 进行预测.第2类常见车轴疲劳裂纹萌生源为车轴材 和疲劳极限之间的关系，并研究它和含有电火花加工 料中夹杂物.夹杂物往往与基体材料强度、刚度和 缺陷的试样的实验结果的区别.以上两种试样的实验 热膨胀系数不同，造成夹杂物和基体脱离，此时可以把 结果均和Murakami计算结果进行比较，利用扫描电镜 夹杂物看作缺陷或者裂纹.Murakami等2-习提出夹 对疲劳断口进行观察分析，给实际车轴检修提供参考. 杂物尺寸和材料疲劳强度之间的关系的半经验公式并 1实验材料和方法 通过小试样和极值的方法对构件疲劳寿命进行预测. Beretta等o.基于车轴材料夹杂物疲劳的研究对以 本实验所用材料为日本新干线铁路车轴钢S38C, 上方法进行验证.另一类车轴疲劳裂纹萌生源为道砟 化学成分见表1，力学强度见表2.它的力学强度和我 冲击痕，如图1.道砟冲击痕导致车轴失效在20世纪 国LZ50车轴钢类似.本实验根据《GB/T3075一2008 末就有报道，张俊清和刘淑华等5-分别研究表面刻 金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行设计，试样 槽和缺口对车轴钢疲劳强度的影响，但至今没有文献 设计图纸如图2(a),试样坯料沿着车轴轴向切取，然 对这一问题给予系统的研究 后车削、抛光，最终形状如图2(b).利用HBE3000型 布氏硬度计在试样中心制造压痕，压头直径为 1.5875mm,然后利用激光共聚焦显微镜(VK9710K) 观测压痕几何尺寸，如图2(c),不同压力下获得的四 表1S38C钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of S38C steel % Mn P S Cr Mo Ni Al 0.390.290.810.0080.0060.0970.0240.0390.013 图1车轴疲劳裂纹从道砟冲击痕处萌生回 表2S38C钢力学性能 Fig.I Ballast impact indentation as a crack initiation site Table 2 Mechanical properties of S38C steel 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%显微硬度，HV 在空气动力学作用下，道砟以不同的角度和速度 635 330 23 200 撞击在车轴上，车轴表面局部发生塑性变形形成冲击 b 120 (d) 200m 100m 图2试样和缺陷.(a试样图纸(mm):(b)试样：(c)压痕：(d)电火花缺陷 Fig.2 Specimens and defects:(a)drawing of specimens (unit mm);(b)specimen:(c)indentation;(d)EDM notch

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 劳裂纹萌生源主要包括三种类型［2，4］． 首先，车轴表面 在大气环境中发生腐蚀，最常见的是点蚀． 点蚀造成 车轴表面局部应力集中，加速腐蚀． 同时，在腐蚀环境 中，车轴材料的裂纹扩展门槛值降低，缩减车轴疲劳寿 命［2，5--8］． Beretta 等［9--10］对欧系 EA1N 车轴做了系统的 腐蚀疲劳研究，提出腐蚀裂纹扩展模型，并对车轴寿命 进行预测． 第 2 类常见车轴疲劳裂纹萌生源为车轴材 料中夹杂物［11］． 夹杂物往往与基体材料强度、刚度和 热膨胀系数不同，造成夹杂物和基体脱离，此时可以把 夹杂物看作缺陷或者裂纹． Murakami 等［12--13］ 提出夹 杂物尺寸和材料疲劳强度之间的关系的半经验公式并 通过小试样和极值的方法对构件疲劳寿命进行预测． Beretta 等［10，14］基于车轴材料夹杂物疲劳的研究对以 上方法进行验证． 另一类车轴疲劳裂纹萌生源为道砟 冲击痕，如图 1． 道砟冲击痕导致车轴失效在 20 世纪 末就有报道，张俊清和刘淑华等［15--16］分别研究表面刻 槽和缺口对车轴钢疲劳强度的影响，但至今没有文献 对这一问题给予系统的研究． 图 1 车轴疲劳裂纹从道砟冲击痕处萌生［2］ Fig． 1 Ballast impact indentation as a crack initiation site［2］ 图 2 试样和缺陷 . ( a) 试样图纸( mm) ; ( b) 试样; ( c) 压痕; ( d) 电火花缺陷 Fig． 2 Specimens and defects: ( a) drawing of specimens ( unit mm) ; ( b) specimen; ( c) indentation; ( d) EDM notch 在空气动力学作用下，道砟以不同的角度和速度 撞击在车轴上，车轴表面局部发生塑性变形形成冲击 痕． 冲击痕破坏车轴的几何连续性，造成应力集中． 同时，由于冲击痕处塑性变形，冲击痕附近引入残余应 力． 道砟冲击痕破坏车轴表面的防腐层，引发车轴表 面局部应力腐蚀． 本文以车轴冲击痕疲劳断裂为背 景，将冲击痕进行简化． 利用硬度计压头在沙漏状车 轴钢试样表面制造压痕． 通过疲劳试验研究压痕大小 和疲劳极限之间的关系，并研究它和含有电火花加工 缺陷的试样的实验结果的区别． 以上两种试样的实验 结果均和 Murakami 计算结果进行比较，利用扫描电镜 对疲劳断口进行观察分析，给实际车轴检修提供参考． 1 实验材料和方法 本实验所用材料为日本新干线铁路车轴钢 S38C， 化学成分见表 1，力学强度见表 2． 它的力学强度和我 国 LZ50 车轴钢类似． 本实验根据《GB / T 3075—2008 金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行设计，试样 设计图纸如图 2( a) ，试样坯料沿着车轴轴向切取，然 后车削、抛光，最终形状如图 2( b) ． 利用 HBE-3000 型 布氏硬度计在试样中心制造压痕，压 头 直 径 为 1. 5875 mm，然后利用激光共聚焦显微镜( VK-9710K) 观测压痕几何尺寸，如图2( c) ，不同压力下获得的四 表 1 S38C 钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of S38C steel % C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 0. 39 0. 29 0. 81 0. 008 0. 006 0. 097 0. 024 0. 039 0. 013 表 2 S38C 钢力学性能 Table 2 Mechanical properties of S38C steel 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/% 显微硬度，HV 635 330 23 200 · 828 ·

高杰维等：压痕对车轴钢疲劳极限的影响 829· 类压痕试样分别用ID1、D2、ID3和D4表示.利用电 约为10μm,同时还可以看到一些二次缺口，如图4 火花加工与压痕几何形状类似的缺陷，如图2()，三 所示 类电火花加工缺口试样分别用ENI、EN2和EN3 表3试样压痕和电火花缺口几何尺寸 表示 Table 3 Indentation and notch size of specimens 疲劳试验在电磁谐振式高频疲劳试验机(GPS- 缺陷轴向投影 100)上进行，拉压载荷比R=-1,加载波形为正弦波， 缺陷 缺陷 缺路球面 编号 深度/μm 直径/μm 面积/mm2 频率约为140Hz,实验周次5×10.本实验采用阶梯 IDI 115 1590 0.0628 法测试试样疲劳极限，计算方法如公式(1)，σ。为疲劳 ID2 170 1590 0.1051 极限，o:为n/2组试样疲劳极限和，i=1~n/2.本实验 压痕 ID3 225 中每组试样为14~18件.利用超景深显微镜(VKH- 1590 0.1587 1000)观察压痕试样疲劳裂纹扩展过程.疲劳断口采 ID4 280 1590 0.2185 用场发射扫描电镜(JE0L7001)观察. ENI 100 500 0.0272 0=1∑0 (1) 缺口 EN2 200 1600 0.1339 n EN3 400 1600 0.3673 2实验结果 2.2疲劳试验结果 2.1压痕和缺口截面形貌 图5是光滑试样、压痕试样(D)和电火花缺口试 表3给出压痕和缺口几何参数.可以看出，压痕 样(EN)阶梯法疲劳极限测试的结果.由图可知，光滑 深度随着压力的增大而增大.当压力较低时，压痕周 试样疲劳极限为250MPa,压痕试样疲劳极限随着压痕 围晶粒变形并不明显（图3(a,b).当压痕逐渐增大 尺寸的增大逐渐降低。如果将压痕看作表面夹杂物， 时，压痕表面的晶粒被压成扁平状（图3(c,d)).由于 根据Murakami公式（式(2）)可以算出不同压痕试样 压痕自身尺寸较小，压痕周围受影响区域仍限于表层. 的疲劳极限2-国.从图5可以看出，模型计算结果略 硬度计压头为光滑的球形，压痕表面也比较光滑.电 高于实验结果，事实上最大的差值也只有5MPa 火花加工缺口表面粗糙度很大，并且还可以看到不规 (D1).再者，实验结果也有一定的误差，所以这一微 则的微裂纹（图2(d)).硝酸乙醇溶液腐蚀后的截面 小差距不能说明压痕试样疲劳极限高于等尺寸缺陷的 图可以看出压痕表面覆盖着一层白色的化合物，厚度 模型计算结果 a 300m 300μm 图3压痕截面形貌.(a)D1:(b)D2:(c)ID3:(d)D4 Fig.3 Cross-sectional microstructures around indentations:(a)IDI:(b)ID2:(e)ID3:(d)ID4

高杰维等: 压痕对车轴钢疲劳极限的影响 类压痕试样分别用 ID1、ID2、ID3 和 ID4 表示． 利用电 火花加工与压痕几何形状类似的缺陷，如图 2( d) ，三 类电 火 花 加 工 缺 口 试 样 分 别 用 EN1、EN2 和 EN3 表示． 疲劳试验在 电 磁 谐 振 式 高 频 疲 劳 试 验 机( GPS- 100) 上进行，拉压载荷比 Ｒ = － 1，加载波形为正弦波， 频率约为 140 Hz，实验周次 5 × 106 ． 本实验采用阶梯 法测试试样疲劳极限，计算方法如公式( 1) ，σw0为疲劳 极限，σi为 n /2 组试样疲劳极限和，i = 1 ～ n /2． 本实验 中每组试样为 14 ～ 18 件． 利用超景深显微镜( VKH- 1000) 观察压痕试样疲劳裂纹扩展过程． 疲劳断口采 用场发射扫描电镜( JEOL-7001) 观察． σw0 = 1 n ∑ σi ． ( 1) 2 实验结果 图 3 压痕截面形貌． ( a) ID1; ( b) ID2; ( c) ID3; ( d) ID4 Fig． 3 Cross-sectional microstructures around indentations: ( a) ID1; ( b) ID2; ( c) ID3; ( d) ID4 2. 1 压痕和缺口截面形貌 表 3 给出压痕和缺口几何参数． 可以看出，压痕 深度随着压力的增大而增大． 当压力较低时，压痕周 围晶粒变形并不明显( 图 3( a，b) ) ． 当压痕逐渐增大 时，压痕表面的晶粒被压成扁平状( 图 3( c，d) ) ． 由于 压痕自身尺寸较小，压痕周围受影响区域仍限于表层． 硬度计压头为光滑的球形，压痕表面也比较光滑． 电 火花加工缺口表面粗糙度很大，并且还可以看到不规 则的微裂纹( 图 2( d) ) ． 硝酸乙醇溶液腐蚀后的截面 图可以看出压痕表面覆盖着一层白色的化合物，厚度 约为 10 μm，同时还可以看到一些二次缺口，如图 4 所示． 表 3 试样压痕和电火花缺口几何尺寸 Table 3 Indentation and notch size of specimens 缺陷 编号 缺陷 深度/μm 缺陷球面 直径/μm 缺陷轴向投影 面积/mm2 ID1 115 1590 0. 0628 压痕 ID2 170 1590 0. 1051 ID3 225 1590 0. 1587 ID4 280 1590 0. 2185 EN1 100 500 0. 0272 缺口 EN2 200 1600 0. 1339 EN3 400 1600 0. 3673 2. 2 疲劳试验结果 图 5 是光滑试样、压痕试样( ID) 和电火花缺口试 样( EN) 阶梯法疲劳极限测试的结果． 由图可知，光滑 试样疲劳极限为250 MPa，压痕试样疲劳极限随着压痕 尺寸的增大逐渐降低． 如果将压痕看作表面夹杂物， 根据 Murakami 公式( 式( 2) ) 可以算出不同压痕试样 的疲劳极限［12--13］． 从图 5 可以看出，模型计算结果略 高于 实 验 结 果，事 实 上 最 大 的 差 值 也 只 有 5 MPa ( ID1) ． 再者，实验结果也有一定的误差，所以这一微 小差距不能说明压痕试样疲劳极限高于等尺寸缺陷的 模型计算结果． · 928 ·

·830· 工程科学学报，第38卷，第6期 300μm 100μm 图4缺口EN1典型截面形貌(a)及局部放大图(b) Fig.4 Typical cross-section of notch ENI (a)and magnification of the zone in ENI (b) 。=143(HW+120) (2) 性变形引入的残余压应力阻碍裂纹的萌生并降低裂纹 (A6 扩展速率.从这一方面讲，压痕不同于普通的表面缺 式中：o为缺陷试样疲劳极限，MPa:HV是缺陷周围材 陷.但是，压痕试样的疲劳极限与以基体材料硬度和 料显微硬度值；A为缺陷在轴向上的投影面积.疲劳 缺陷投影面积为参数Murakami模型计算结果并没有 极限随着缺口尺寸的增大而减小.但是缺口试样疲劳 明显的差异.压痕形成过程中导致的材料硬化不可否 极限低于等尺寸缺陷的压痕试样疲劳极限 认，但是其影响区域的深度和广度很小，不足以对疲劳 260 裂纹萌生和扩展产生影响，如图3.引入残余应力提高 。光滑试样 ·压痕试样 240 DI ·电火花缺口试样 材料疲劳强度的方法很多，比如喷丸、滚压、激光冲击、 吧四g 棋型计算结果 表面感应淬火和表面碳氨共渗8四.但是，以上提到 220 ENI 的方法均是对试样整个表面进行处理，而压痕引入残 EN2 余应力只局限于一个很小的区域，残余应力传递给基 体，效果变得非常的微弱.再者，残余应力的释放是表 160 EN3 面处理材料在循环载荷作用下不可避免的问题，特别 是高应力疲劳工况，释放更快”-0.在本文疲劳测试 140 0100200300400500600700800 条件下，压痕底部微弱的材料硬化和残余压应力的作 缺陷投影面积的平方根/m 用效果几乎完全失去.压痕疲劳极限与模型计算结果 图5压痕试样和缺口试样疲劳极限与模型计算结果对比 的差异可以忽略不计，基体材料上的压痕对车轴钢疲 Fig.5 Comparison of the fatigue limits of indentation specimens and 劳极限的影响和等尺寸表面夹杂物缺陷等效 notched specimens with the calculated values 3.2电火花缺口试样 疲劳试样人工缺陷常常钻孔获得，通过压痕和电 3讨论 火花加工引入缺陷的研究并不多4.切.电火花缺口 试样疲劳裂纹从缺口表面多处萌生，呈放射状扩展，如 3.1压痕试样 图9(a).电火花缺口试样疲劳极限小于压痕试样和 对于光滑试样，疲劳裂纹萌生于试样表面，如 Murakami模型计算结果，如图5.这一差距可以归结 图6(a).试样断口形貌可以清晰看出裂纹源、裂纹扩 为以下原因.电火花加工是在放电效应下金属基体融 展区和最终瞬断区.扩展区的辉纹和瞬断区的韧窝均 化-气化形成与电极形状类似的缺口m四.大部分烧 可判定此断口为典型韧性材料疲劳断口.当引入压痕 蚀残渣随着工作液流出，仍有少部分残渣在缺口表面 后，压痕的存在破坏了试样的几何连续性导致应力集 冷却凝固下来，就是所说的白层或者说再铸层.在 中，这将降低试样的疲劳极限切.图7和图8可以看 烧蚀过程中，工作液高温分解，游离的碳原子迁移到加 出裂纹从压痕底部萌生，向压痕两边扩展，最终导致试 工面造成再铸层碳元素富集.电火花缺口表面存在 样断裂.大量的研究已经证实试样的疲劳极限随着缺 10um左右厚度的白层，如图4所示，白层硬度较高而 陷尺寸的增大而降低，实验结果符合这一规律2， 且很脆，它主要由马氏体、残余奥氏体和难溶碳化物组 如图5.在压痕形成过程中，受压区域发生塑性变形， 成.在加工过程中，快速的加热和冷却带来的残余拉 变形区位错密度增加，晶粒发生变形，在一定程度上此 应力导致再铸层中出现微孔和微裂纹，如图9(b). 部分材料得到强化，裂纹萌生阻力提高.与此同时，塑 在计算缺陷投影面积时，如果将白层考虑在内，缺陷的

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 图 4 缺口 EN1 典型截面形貌( a) 及局部放大图( b) Fig． 4 Typical cross-section of notch EN1 ( a) and magnification of the zone in EN1 ( b) σ = 1. 43·( HV + 120) ( 槡A) 1 /6 ． ( 2) 式中: σ 为缺陷试样疲劳极限，MPa; HV 是缺陷周围材 料显微硬度值; A 为缺陷在轴向上的投影面积． 疲劳 极限随着缺口尺寸的增大而减小． 但是缺口试样疲劳 极限低于等尺寸缺陷的压痕试样疲劳极限． 图 5 压痕试样和缺口试样疲劳极限与模型计算结果对比 Fig． 5 Comparison of the fatigue limits of indentation specimens and notched specimens with the calculated values 3 讨论 3. 1 压痕试样 对于 光 滑 试 样，疲 劳 裂 纹 萌 生 于 试 样 表 面，如 图 6( a) ． 试样断口形貌可以清晰看出裂纹源、裂纹扩 展区和最终瞬断区． 扩展区的辉纹和瞬断区的韧窝均 可判定此断口为典型韧性材料疲劳断口． 当引入压痕 后，压痕的存在破坏了试样的几何连续性导致应力集 中，这将降低试样的疲劳极限［17］． 图 7 和图 8 可以看 出裂纹从压痕底部萌生，向压痕两边扩展，最终导致试 样断裂． 大量的研究已经证实试样的疲劳极限随着缺 陷尺寸的增大而降低，实验结果符合这一规律［12--14］， 如图 5． 在压痕形成过程中，受压区域发生塑性变形， 变形区位错密度增加，晶粒发生变形，在一定程度上此 部分材料得到强化，裂纹萌生阻力提高． 与此同时，塑 性变形引入的残余压应力阻碍裂纹的萌生并降低裂纹 扩展速率． 从这一方面讲，压痕不同于普通的表面缺 陷． 但是，压痕试样的疲劳极限与以基体材料硬度和 缺陷投影面积为参数 Murakami 模型计算结果并没有 明显的差异． 压痕形成过程中导致的材料硬化不可否 认，但是其影响区域的深度和广度很小，不足以对疲劳 裂纹萌生和扩展产生影响，如图 3． 引入残余应力提高 材料疲劳强度的方法很多，比如喷丸、滚压、激光冲击、 表面感应淬火和表面碳氮共渗［18--19］． 但是，以上提到 的方法均是对试样整个表面进行处理，而压痕引入残 余应力只局限于一个很小的区域，残余应力传递给基 体，效果变得非常的微弱． 再者，残余应力的释放是表 面处理材料在循环载荷作用下不可避免的问题，特别 是高应力疲劳工况，释放更快［20--21］． 在本文疲劳测试 条件下，压痕底部微弱的材料硬化和残余压应力的作 用效果几乎完全失去． 压痕疲劳极限与模型计算结果 的差异可以忽略不计，基体材料上的压痕对车轴钢疲 劳极限的影响和等尺寸表面夹杂物缺陷等效． 3. 2 电火花缺口试样 疲劳试样人工缺陷常常钻孔获得，通过压痕和电 火花加工引入缺陷的研究并不多［14，17］． 电火花缺口 试样疲劳裂纹从缺口表面多处萌生，呈放射状扩展，如 图 9( a) ． 电火花缺口试样疲劳极限小于压痕试样和 Murakami 模型计算结果，如图 5． 这一差距可以归结 为以下原因． 电火花加工是在放电效应下金属基体融 化!气化形成与电极形状类似的缺口［22--23］． 大部分烧 蚀残渣随着工作液流出，仍有少部分残渣在缺口表面 冷却凝固下来，就是所说的白层或者说再铸层［24］． 在 烧蚀过程中，工作液高温分解，游离的碳原子迁移到加 工面造成再铸层碳元素富集． 电火花缺口表面存在 10 μm左右厚度的白层，如图 4 所示，白层硬度较高而 且很脆，它主要由马氏体、残余奥氏体和难溶碳化物组 成． 在加工过程中，快速的加热和冷却带来的残余拉 应力导致再铸层中出现微孔和微裂纹［25］，如图 9( b) ． 在计算缺陷投影面积时，如果将白层考虑在内，缺陷的 · 038 ·

高杰维等：压痕对车轴钢疲劳极限的影响 831 a 纹源 1427 N x 3 18 DWU SET o16 图6典型光滑试样断口形貌.(a)断口形貌：(b)裂纹源：()裂纹扩展区：()瞬断区 Fig.6 Typical fracture surface of a smooth specimen:(a)fracture surface:(b)crack initiation site:(c)crack propagation zone;(d)fracture zone a 纹源 图7压痕试样典型断口形貌.(a)断口形貌：(b)压痕底部裂纹萌生点：()压痕附近裂纹扩展形貌 Fig.7 Typical fracture surface of an indentation specimen:(a)fracture surface:(b)crack initiation site:(e)crack propagation around the indenta- tion 65 c 100m 100μm 400四 图8压痕试样典型裂纹扩展过程.(a)裂纹萌生：(b)裂纹穿过压痕：(c)断裂 Fig.8 Typical crack propagation process of an indentation specimen:(a)crack initiation:(b)crack growth;(c)fracture 有效投影面积将会高于测量值，由此计算的疲劳极限 均可以看出缺口表面粗糙度远大于压痕试样（图4）. 也会低于模型计算结果.另外一个影响电火花缺口疲 缺口表面的凹陷可以看作二次缺口（图9（©）)，它将引 劳极限的因素是缺口表面粗糙度，表面粗糙度越大，试 起严重的应力集中而导致裂纹多处萌生，恶化材料疲 样疲劳极限越低4，.缺口表面图和缺口试样断面图 劳性能

高杰维等: 压痕对车轴钢疲劳极限的影响 图 6 典型光滑试样断口形貌． ( a) 断口形貌; ( b) 裂纹源; ( c) 裂纹扩展区; ( d) 瞬断区 Fig． 6 Typical fracture surface of a smooth specimen: ( a) fracture surface; ( b) crack initiation site; ( c) crack propagation zone; ( d) fracture zone 图 7 压痕试样典型断口形貌． ( a) 断口形貌; ( b) 压痕底部裂纹萌生点; ( c) 压痕附近裂纹扩展形貌 Fig． 7 Typical fracture surface of an indentation specimen: ( a) fracture surface; ( b) crack initiation site; ( c) crack propagation around the indenta￾tion 图 8 压痕试样典型裂纹扩展过程． ( a) 裂纹萌生; ( b) 裂纹穿过压痕; ( c) 断裂 Fig． 8 Typical crack propagation process of an indentation specimen: ( a) crack initiation; ( b) crack growth; ( c) fracture 有效投影面积将会高于测量值，由此计算的疲劳极限 也会低于模型计算结果． 另外一个影响电火花缺口疲 劳极限的因素是缺口表面粗糙度，表面粗糙度越大，试 样疲劳极限越低［24，26］． 缺口表面图和缺口试样断面图 均可以看出缺口表面粗糙度远大于压痕试样( 图 4) ． 缺口表面的凹陷可以看作二次缺口( 图 9( c) ) ，它将引 起严重的应力集中而导致裂纹多处萌生，恶化材料疲 劳性能． · 138 ·

·832· 工程科学学报，第38卷，第6期 图9电火花缺口试样断口形貌.(a)断口形貌：(c)缺口底部裂纹萌生点：(d)二次缺口 Fig.9 Typical fracture surface of a notched specimen:(a)fracture surface:(b)crack initiation sites at the bottom of the notch;(c)secondary notch [10]Beretta S,Carboni M,Conte A L,et al.Crack growth studies in 4结论 railway axles under corrosion fatigue:full-scale experiments and (1)随着压痕和电火花缺口投影面积的增加，车 model validation.Procedia Eng,2011,10(7):3650 轴钢试样疲劳极限均降低. [11]Lu L T,Zhang J W.Zhang Y B,et al.Rotary bending fatigue property of 1750 axle steel in gigacyele regime.J China Rail (2)压痕使周围材料发生塑性变形并且引入残余 Sac,2009,31(5):37 压应力，但是由于应力集中效应，裂纹仍然萌生于压痕 (鲁连涛，张继旺，张艳斌，等.1Z50车轴钢超长寿命旋转 底部，压痕试样的疲劳极限和Murakami模型计算结果 弯曲疲劳性能.铁道学报，2009,31(5)：37) 没有差异. 02] Murakami Y,Kodama S,Konuma S.Quantitative evaluation of (3)缺口表面较大的粗糙度，二次缺口的存在以 effects of non-metallic inclusions on fatigue strength of high strength steels:I.Basic fatigue mechanism and evaluation of 及再铸层的微孔和微裂纹导致疲劳裂纹在缺口底部多 correlation between the fatigue fracture stress and the size and lo- 处萌生.缺口试样的疲劳极限低于Murakami模型计 cation of non-metallic inclusions.Int Fatigue,1989,11 (5): 算结果 291 13】 Murakami Y,Usuki H.Quantitative evaluation of effects of non- metallic inclusions on fatigue strength of high strength steels:II. 参考文献 Fatigue limit evaluation based on statistics for extreme values of Smith R A,Hillmansen S.A brief historical overview of the fa- inclusion size.Int J Fatigue,1989,11(5):299 [14]Beretta S,Ghidini A,Lombardo F.Fracture mechanics and tigue of railway axles.Proc Inst Mech Eng Part F,2004,218 (4):267 scale effects in the fatigue of railway axles.Eng Fract Mech, 2005,72(2):195 2]Zerbst U,Beretta S,Kohler C,et al.Safe life and damage toler- 05] Zhang J Q,Zhou S X,Xie J L.Experimental research on the ance aspects of railway axles:a review.Eng Fract Mech,2013, effects of notches on the fatigue behavior of axle steel.I Beijing 98(2):214 Jiaotong Unir,2010,34(4):132 Smith R A.Railway fatigue failures:an overview of a long stand- (张俊清，周素霞，谢基龙.缺口对车轴钢疲劳性能的影响 ing problem.Materialeiss Werkstoffiech,2005,36(11):697 北京交通大学学报，2010,34(4)：132) 4]Luke M,Varfolomeev I,Litkepohl K,et al.Fatigue crack growth [16]Liu S H,Song Z L,Guo L Y,et al.Effect of surface notches on in railway axles:Assessment concept and validation tests.Eng fatigue fracture of shaft steel.China Rail Sci,1990,11(1):78 Fract Mech,2011,78(5):714 (刘淑华，宋子濂，郭灵彦，等。表面刻槽对车轴钢疲劳断裂 5]Beretta S,Carboni M,Conte A L,et al.An investigation of the 的影响.中国铁道科学，1990,11(1)：78) effects of corrosion on the fatigue strength of AlN axle steel.Proc 07] Murakami Y,Matsunaga H,Abyazi A,et al.Defect size de- Inst Mech Eng Part F,2008,222(2)129 pendence on threshold stress intensity for high-strength steel with Pidaparti R M,Patel R K.Investigation of a single pit/defect evo- internal hydrogen.Fatigue Fract Eng Mater Struct,2013,36 lution during the corrosion process.Corros Sci,2010,52(9): (9):836 3150 h8] Yang B,Zhao Y X.Comparative study on short fatigue crack 7]Cerit M,Genel K,Eksi S.Numerical investigation on stress con- growth behavior of axle steel 1250 with two final processing meth- centration of corrosion pit.Eng Fail Anal,2009,16(7):2467 ods.J China Rail Soc,2013,35(5):34 [8]Cerit M.Numerical investigation on torsional stress concentration (杨冰，赵永翔.两种终加工工艺下I☑50车轴钢疲劳短裂纹 factor at the semi elliptical corrosion pit.Corros Sci,2013,67 扩展行为对比研究.铁道学报，2013,35(5)：34) (1):225 [19]Lu L T,Zhang J W,Cui G D,et al.Effect of gas nitriding on 9]Beretta S,Carboni M,Fiore G,et al.Corrosion-fatigue of AlN the fatigue properties of medium carbon railway axle steel in a railway axle steel exposed to rainwater.Int J Fatigue,2010,32 very high eycle regime.I Unie Sci Technol Beijing,2011,33 (6):952 (6):709

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 图 9 电火花缺口试样断口形貌． ( a) 断口形貌; ( c) 缺口底部裂纹萌生点; ( d) 二次缺口 Fig． 9 Typical fracture surface of a notched specimen: ( a) fracture surface; ( b) crack initiation sites at the bottom of the notch; ( c) secondary notch 4 结论 ( 1) 随着压痕和电火花缺口投影面积的增加，车 轴钢试样疲劳极限均降低． ( 2) 压痕使周围材料发生塑性变形并且引入残余 压应力，但是由于应力集中效应，裂纹仍然萌生于压痕 底部，压痕试样的疲劳极限和 Murakami 模型计算结果 没有差异． ( 3) 缺口表面较大的粗糙度，二次缺口的存在以 及再铸层的微孔和微裂纹导致疲劳裂纹在缺口底部多 处萌生． 缺口试样的疲劳极限低于 Murakami 模型计 算结果． 参 考 文 献 ［1］ Smith Ｒ A，Hillmansen S． A brief historical overview of the fa￾tigue of railway axles． Proc Inst Mech Eng Part F，2004，218 ( 4) : 267 ［2］ Zerbst U，Beretta S，Khler G，et al． Safe life and damage toler￾ance aspects of railway axles: a review． Eng Fract Mech，2013， 98( 2) : 214 ［3］ Smith Ｒ A． Ｒailway fatigue failures: an overview of a long stand￾ing problem． Materialwiss Werkstofftech，2005，36( 11) : 697 ［4］ Luke M，Varfolomeev I，Lütkepohl K，et al． Fatigue crack growth in railway axles: Assessment concept and validation tests． Eng Fract Mech，2011，78( 5) : 714 ［5］ Beretta S，Carboni M，Conte A L，et al． An investigation of the effects of corrosion on the fatigue strength of AlN axle steel． Proc Inst Mech Eng Part F，2008，222( 2) : 129 ［6］ Pidaparti Ｒ M，Patel Ｒ K． Investigation of a single pit / defect evo￾lution during the corrosion process． Corros Sci，2010，52 ( 9 ) : 3150 ［7］ Cerit M，Genel K，Eksi S． Numerical investigation on stress con￾centration of corrosion pit． Eng Fail Anal，2009，16( 7) : 2467 ［8］ Cerit M． Numerical investigation on torsional stress concentration factor at the semi elliptical corrosion pit． Corros Sci，2013，67 ( 1) : 225 ［9］ Beretta S，Carboni M，Fiore G，et al． Corrosion--fatigue of AlN railway axle steel exposed to rainwater． Int J Fatigue，2010，32 ( 6) : 952 ［10］ Beretta S，Carboni M，Conte A L，et al． Crack growth studies in railway axles under corrosion fatigue: full-scale experiments and model validation． Procedia Eng，2011，10( 7) : 3650 ［11］ Lu L T，Zhang J W，Zhang Y B，et al． Ｒotary bending fatigue property of LZ50 axle steel in gigacycle regime． J China Ｒail Soc，2009，31( 5) : 37 ( 鲁连涛，张继旺，张艳斌，等． LZ50 车轴钢超长寿命旋转 弯曲疲劳性能． 铁道学报，2009，31( 5) : 37) ［12］ Murakami Y，Kodama S，Konuma S． Quantitative evaluation of effects of non-metallic inclusions on fatigue strength of high strength steels: Ⅰ． Basic fatigue mechanism and evaluation of correlation between the fatigue fracture stress and the size and lo￾cation of non-metallic inclusions． Int J Fatigue，1989，11( 5) : 291 ［13］ Murakami Y，Usuki H． Quantitative evaluation of effects of non￾metallic inclusions on fatigue strength of high strength steels: Ⅱ． Fatigue limit evaluation based on statistics for extreme values of inclusion size． Int J Fatigue，1989，11( 5) : 299 ［14］ Beretta S，Ghidini A，Lombardo F． Fracture mechanics and scale effects in the fatigue of railway axles． Eng Fract Mech， 2005，72( 2) : 195 ［15］ Zhang J Q，Zhou S X，Xie J L． Experimental research on the effects of notches on the fatigue behavior of axle steel． J Beijing Jiaotong Univ，2010，34( 4) : 132 ( 张俊清，周素霞，谢基龙． 缺口对车轴钢疲劳性能的影响． 北京交通大学学报，2010，34( 4) : 132) ［16］ Liu S H，Song Z L，Guo L Y，et al． Effect of surface notches on fatigue fracture of shaft steel． China Ｒail Sci，1990，11( 1) : 78 ( 刘淑华，宋子濂，郭灵彦，等． 表面刻槽对车轴钢疲劳断裂 的影响． 中国铁道科学，1990，11( 1) : 78) ［17］ Murakami Y，Matsunaga H，Abyazi A，et al． Defect size de￾pendence on threshold stress intensity for high-strength steel with internal hydrogen． Fatigue Fract Eng Mater Struct，2013，36 ( 9) : 836 ［18］ Yang B，Zhao Y X． Comparative study on short fatigue crack growth behavior of axle steel LZ50 with two final processing meth￾ods． J China Ｒail Soc，2013，35( 5) : 34 ( 杨冰，赵永翔． 两种终加工工艺下 LZ50 车轴钢疲劳短裂纹 扩展行为对比研究． 铁道学报，2013，35( 5) : 34) ［19］ Lu L T，Zhang J W，Cui G D，et al． Effect of gas nitriding on the fatigue properties of medium carbon railway axle steel in a very high cycle regime． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33 ( 6) : 709 · 238 ·

高杰维等：压痕对车轴钢疲劳极限的影响 ·833· (鲁连涛，张继旺，崔国栋，等.气体渗氮对中碳车轴钢超长 electrical discharge machining:a review.J Mater Process 寿命疲劳性能的影响.北京科技大学学报，2011,33(6)： Technol,2009,209(8):3675 709) 24]Navas V G,Ferreres I,Maranon J A,et al.Electro-discharge 20]Benedetti M,Fontanari V,Santus C,et al.Notch fatigue behav- machining (EDM)versus hard turning and grinding:comparison iour of shot peened high-strength aluminium alloys:experiments of residual stresses and surface integrity generated in AlSIOl tool and predictions using a critical distance method.Int Fatigue, steel.J Mater Process Technol,2008,195 (1-3):186 2010,32(10):1600 25]Ramasawmy H,Blunt L,Rajurkar K P.Investigation of the rela- 1]Benedetti M.Fontanari V,Bandini M,et al.Multiaxial fatigue tionship between the white layer thickness and 3D surface texture resistance of shot peened high-strength aluminum alloys.Int parameters in the die sinking EDM process.Precis Eng,2005, Fatigue,2014,61(2):271 29(4):479 2]Ho K H,Newman S T.State of the art eleetrical discharge ma- 26] Mylonas G I,Labeas G.Numerical modelling of shot peening chining (EDM).Int J Mach Tools Manuf,2003,43 (13): process and corresponding products:residual stress,surface 1287 roughness and cold work prediction.Surf Coat Technol,2011, 23]Kumar S,Singh R,Singh T P,et al.Surface modification by 205(19):4480

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