铸钢车轮冷热疲劳损伤行为研究

铸钢车轮冷热疲劳损伤行为研究

孔博文吴林晓李晓锋

中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段山东青岛266000

摘要：对铸钢车轮材料进行400℃-20℃循环温度下的冷热疲劳试验。试验结束后，分析结果数据，发现循环上限温度为400℃时材料的抗热疲劳性能良好，得到裂纹长度和裂纹增长速度与循环周次的关系曲线。对材料断口进行电镜扫描分析，观察到典型解理断面特征，断面上的夹杂物有可能作为裂纹源存在，还有韧窝和气泡的存在。

关键词：冷热疲劳试验；循环上限温度；电镜扫描；夹杂物

近年来，随着技术的不断发展，我国铁路运输不断向高速重载发展。铁路运输条件的发展使车轮的服役状况也在恶化，其中车轮踏面失效是最主要的失效形式之一[1]，而热裂纹损伤是踏面失效的重要形式。有时我们会在车轮踏面上看到分布于踏面中部，平行于车轴，沿周向分布的较为均匀的横向刻度裂纹，并伴有局部剥离掉块，成为制动热裂纹[2]。热裂纹主要是由于车轮踏面循环往复的制动作用所引起的周期性热负荷产生的。所以本文章选择铸钢车轮材料为研究对象，设置循环上限温度400℃进行冷热疲劳试验。

1试验材料和试验方案

试验选用铸钢车轮材料，其化学成分包括C、Mn、P、S、Si等。试样毛坯从铸钢车轮踏面下10mm处切取，后经切割加工成试样尺寸。

按照行业标准，试验设备采用钢铁研究总院的合金与板材冷热疲劳试验机。加热方式为硅碳棒辐射加热，上限温度可达1200℃，误差小于±7%，冷却介质为循环流动水。测温和控温是通过0.1级UJ35型携带式直流电位差计和JWT702电子表来进行。裂纹的测量是用精度为0.01mm30倍工具显微镜和精度为0.000001mm的高倍显微镜来观测。加热冷却时间用时间继电器来控制，冷热循环次数用机械计数器自动记录。

考虑列车实际制动工况以及便于横向评定铸钢轮试样的热疲劳强度，确定热疲劳试验循环上限温度：400℃。加热时间为55秒，冷却介质为20℃的循环流动水，冷却时间为15秒。加热冷却时间由时间继电器自动控制。

2实验结果分析和电镜扫描分析

2.1试验结果分析

试验完成后得到裂纹长度与循环次数对应关系数据，经分析得出当循环次数小于540时，材料的抗热疲劳性能良好，一直未产生裂纹。当循环次数近1000次时，疲劳裂纹的长度也仅为0.1mm左右。裂纹增长呈台阶形变化，裂纹长度在某一段时间会保持不变。总体来说，循环上限温度为400℃时的材料抗热疲劳性能良好。

2.2电镜扫描

对试样表面进行观察，可发现试样缺口处存在细小裂纹，裂纹根部存在许多氧化物，主要化学元素有C、O、Ca、Fe。

将试样沿裂纹掰开，通常是沿裂纹扩展方向受力，使裂纹张开形成断口，而避免在打开裂纹的过程中造成断裂面损伤[3]。对断口进行电镜扫描。

电镜扫描河流花样。所谓“河流花样”是指解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的条纹，其形状类似地图上的河流。河流花样是在扫描电镜下观察解理断口最典型的微观行貌特征。所谓“河流”实际上是一些台阶，他们把不同裂纹连接起来。由于形成台阶会消耗能量，所以“河流花样”会趋于合并，由“支流”汇成“主流”，从而减慢裂纹前沿的扩展，所以相反方向为河流裂源的位置[4]。

断面上存在解理台阶。金属及合金的解理断裂，很少是沿一个晶面发生开裂的。多数情况下，解理裂纹跨越若干个相互平行的解理面，并以不连续的方式开裂。如果解理裂纹是沿着两个相互平行的解理面扩展，那么在两个相互平行的解理面之间可能产生解理台阶[6]。另外，当解理裂纹由一个晶粒向另一个晶粒扩展时，在两个晶粒的交界处也将形成台阶。形成解理台阶的另一个机理，是由于两个在不在同一个晶面上的解理裂纹，产生二次解理所形成的解理台阶。

断口上会出现韧窝，可以看出此韧窝为无第二相质点的韧窝结构。韧窝的形成机理为微孔聚缩。首先材料内部分离形成微孔，在滑移作用下显微空穴在塑性变形过程中不断长大或者聚集，显微空穴与显微空穴之间自由表面的厚度逐渐减薄，当塑性变形达到一定程度，和其他显微孔洞连接在一起形成韧窝断口，随后导致破裂分离。扫描电镜中观察到的韧窝，实际上是显微空穴的一半。根据韧窝形貌可以判断应力方向。如果韧窝是等轴的，说明基本是在垂直于断面正应力作用下断裂的。如果韧窝有一定方向性，说明有平行于断裂面的应力作用于工件。韧窝深浅程度代表材料强度差别，材料强度高，韧窝浅[7]。

材料铸造加工过程中会产生内部缺陷-气孔。所谓气孔是在砂型铸造时，砂中的水分与液态金属发生作用，可能产生气泡。此外，液态金属在浇注过程中和在铸型腔内流动的过程中，空气或铸型内的特殊气氛可能被机械的卷入而引起气泡。气孔常呈大小不等的圆形、椭圆形及少数不规则形状（如喇叭形），气孔的断口形貌为光滑、干净的内壁[8]。气泡存在有如下危害：一，减少了金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料强度；二，如果铸锭表面存在气泡，在热铸加热时可能被氧化，以致在随后的锻压中不能焊合而形成细纹或者裂缝；三，在沸腾钢及某些合金中，气泡可能产生偏析，导致裂缝。所以金属组织中还是应该尽量避免产生气泡。

3结论

（1）在循环上限温度为400℃的冷热疲劳试验中，材料的热疲劳抗性较好，循环近千次产生的裂纹长度较短约0.1mm。

（2）对断口扫描电镜分析存在河流花样，明显为解理断口特征。

（3）断口扫描电镜分析可以看到有夹杂物的存在，此夹杂物有可能是裂纹源。

参考文献

[1]陶功权,王衡禹.基于轮轨关系的车轮踏面损伤机理研究[J].机械工程学报,2013,49(18):23-29.

[2]习年生,李晓宇.提速重载车轮踏面制动热裂纹的断裂力学安全评估[J].金属热处理,2011,36:457-460.

[3]刘新灵,张铮,陶春虎.疲劳断口定量分析[M].北京:国防工业出版社,2010.

[4]江强,周细应,施蓓倩.40Cr钢的冲击疲劳性能及疲劳断口分析[J].热加工工艺.2012,41(22):63-65.

[5]刘瑞堂.机械零件失效分析与实例[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2015.

[6]姜锡山.钢铁显微断口速查手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[7]杨川,高国庆.金属零部件失效分析基础[M].北京:国防工业出版社,2014.

[8]孙智,江利.失效分析基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2011.