LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展试验研究Word格式文档下载.docx
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Keywords:
LZ50axlesteels;
continuouscasting;
mouldcasting;
fatiguecrackpropagation;
thresholdvalue
CLCnumber:
97Documentcode:
AArticleID:
收稿日期:
2007-05-10
作者简介:
包陈（1982-,男,硕士研究生。
LZ50车轴钢目前广泛用于制造铁路车辆的车轴。
车轴是铁道车辆走行的重要部件,其质量直接关系到车轴的承载能力和运输安全。
我国正在实施高速、重载铁路运输战略,LZ50车轴钢的疲劳断裂性能关系到运输安全。
因此,研究LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展规律具有极其重要的意义。
本文对两种不同铸造工艺（连铸和模铸的LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展规律进行对比试验研究,揭示二者的疲劳裂纹扩展规律及相互之间的关系。
1试验条件与方法
1.1材料与试样
试验材料为连铸和模铸LZ50车轴钢,其化学成分如表1所示。
表1对比试验材料化学成分（熔炼分析/%
工艺编号CSiMnPSAls连铸10.530.300.730.0160.0090.030模铸
2
0.50
0.26
0.70
0.014
0.004
0.033
试验材料经过两次独立的正火（温度均为870e及一次回火（温度510e。
经热处理后,试验材料的
常规力学性能如表2所示。
表2试验材料的常规力学性能
工艺编号ReL/MPaRm/MPaA/%Z/%常温AKu/J
连铸135568523.550.536模铸
345
620
30.0
50.5
50
试样采用标准紧凑拉伸试样（FFCT试样,两种铸造工艺下的试样各5个,规格为:
W=50mm,B=10mm,初始切口长度a0=10mm。
1.2试验方法
试验所用设备为:
MTS80925kN电液伺服试验机、TestStarÒ
控制系统、COD引伸计（MTS632102F-20,用于测量CT试样加载线一侧端面的裂纹嘴张开位移,其标距为5mm。
测试软件采用MTS790110/SX。
首先根据GB/T63982000[1]
推荐的方法预制疲
劳裂纹到约12mm,加载频率为20Hz,加载比为011,各试样的最大载荷工况如表3所示。
表3试验加载的最大载荷Pmax
工艺
编号Pmax/kN
1-1#
51-2#
5.5连铸
1-3#5.8
1-4
#
71-5#6.4
工艺编号
Pmax/kN
2-1#
62-2
#6模铸
2-3
#72-4
6.82-5
#6.8
2试验结果与讨论
连铸和模铸LZ50车轴钢各CT试样在疲劳裂纹扩展过程中的a-N曲线如图1所示.结果表明,在长达数十万至百万次疲劳循环加载中,各试样的a-N曲线都很稳定,载荷越小裂纹扩展速率越小。
图1LZ50车轴钢a-N曲线
根据GB/T63982000[1]
推荐,da/dN是增量aj-aj-1的平均速率,可简单采用割线法获得裂纹长度aj=（aj+aj-1/2下的平均速率:
dadNj=aj-aj-1Nj-Nj-1
（1
式中,j为计算序号;
aj和Nj分别为某计算序号下的即
时裂纹长度和循环次数。
令$Kj=$Kj|a=aj,则在载荷控制下循环次数为Nj的CT试样即时$Kj的求解式为:
Pminj=R#Pmaxj
（$Kj=（1-R#Kmaxj$Kj=$Pj
BW12
#f
ajW（2
式中,f为由式（3给出的几何因子;
R为加载比;
$Pj
（3
由式（1和式（2计算得到材料的da/dN~$K试验数据。
图2给出了连铸和模铸LZ50车轴钢CT试样的da/dN~$K双对数试验关系曲线。
图2表明,各试样的da/dN~$K双对数试验数据均集中在一个相
对狭小的分散带中,故在此试验基础上可以获得相对稳定的、代表材料裂纹扩展特性的da/dN~$K关系曲线和裂纹扩展门槛值。
为了描述疲劳裂纹扩展速率的规律,Paris于1963年率先提出了Paris公式
[2]
:
dadN
=C（$Kn
（4
采用Paris公式对图2中疲劳裂纹稳定扩展阶段
的da/dN~$K试验数据进行拟合,如图3所示。
从而得到连铸和模铸LZ50车轴钢疲劳裂纹稳定扩展阶段的Paris公式:
连铸:
da
dN
=21047#10-15（$K31645（相关系数R=01992
模铸:
=81189#10-15（$K31453（相关系数R=01986
256
实验室研究与探索
第26卷
图2LZ50车轴钢da/dN~$K关系曲线
由图3可看出,当连铸CT试样的最大载荷Pmax介于5kN和515kN之间,以及模铸CT试样的最大载荷
Pmax介于6kN和7kN之间时,da/dN值均在10-7
mm/Cycle量级,且裂纹扩展的门槛值较为集中,为安
全计可取最小者为最终裂纹扩展门槛值。
即,对连铸钢:
$Kth=340MPa/mm-1/2
对模铸钢:
$Kth=370
MPa/mm
-1/2
。
图3LZ50车轴钢疲劳裂纹稳定扩展曲线
上述Paris公式仅能描述疲劳裂纹的稳定扩展阶段和应力比R较小的情况,而后人们在Paris公式的
基础上提出了多种外推公式,如Forman公式[3]
、Walker[4]
公式、Cbsure公式
[5]
等等,这些公式各有特
点。
其中文献[6]提出的四参数全范围Forman公式
可以较好地表征全范围的疲劳裂纹扩展规律,但是该公式比较复杂,且需要预先测定的疲劳门槛值$Kth和断裂韧性Kc等参数。
文献[7,8]提出了一个适用性广泛且相对简洁的表达式:
dadN=C（$Kn[1-（$
Kth/$Kp
]s
[（Kc/Kmaxq-1]
t（5
其中,[（Kc/Kmaxq
-1]t
项主要反映疲劳裂纹在接近断裂韧度Kc的第三阶段中的扩展特性。
因此,对于试验数据点分布在第一、二阶段范围的情况,可令t=0。
则（5式简化为
=C（$Kn[1-（$Kth/$Kp]s（6此时,待定参数仅为C、n、p、s和$Kth五个。
该式不仅可
以较好地描述疲劳裂纹扩展第一、二阶段的规律,而且还可以较为准确地确定疲劳裂纹扩展门槛值。
根据公式（6采用非线性阻尼最小二乘法对da/
dN~$K试验数据进行拟合,结果如表4所示。
由表4可以看到,采用式（6拟合da/dN~$K试
验数据取得了较好的效果,且各试样的拟合相关系数都在0199以上。
图4为两种铸造工艺下LZ50车轴钢CT试样的全范围疲劳裂纹扩展拟合曲线。
为了安全起见,可取曲线簇的外包络线为车轴钢的疲劳裂纹扩展曲线。
由此可得连铸和模铸LZ50车轴钢的全范围疲劳裂纹扩展表达式:
=1.82@10
-8
$K
21178
1-
330
3165@10-4
01750
（相关系数R=019948模铸:
=1119@10
-2
2.178
360$K
116@10-8
01842
（相关系数R=019907
从上述表达式中很容易得到连铸和模铸LZ50车
轴钢的疲劳裂纹扩展门槛值。
$Kth=330MPa/mm
$Kth=360MPa/mm
可以看到,由式（6得到的疲劳裂纹扩展门槛值
与由试验曲线直接得到的门槛值非常接近,其相对误
257
第11期
包陈,等:
表4da/dN-$K曲线拟合参数
Cnps$Kth/MPa/mm
相关系数R1-1#
0.1171.0881.64@10-61.095330.0050.99711-2
#8.70@10-52.0459.77@10-110.595378.0010.9954连铸1-3#
8.17@10-31.6144.56@10-100.718370.0050.99511-4#1.27@10-41.7191.09@10-80.635454.0050.99771-5#4.30@10-102.8151.09@10-80.355405.0010.98852-1#4.97@10-50.4403.64@10-11.723372.3700.99232-2
#1.19@10-21.5421.60@10-80.8423600.9907模铸2-3#6.93@10-71.7833.69@10-50.672410.0050.99662-4#2.11@10-31.6737.17@10-100.673408.0050.99322-5
#1.33@10-9
1.941
2.75@10-2
0.507
438.001
0.994
9
图4LZ50车轴钢全范围疲劳裂纹扩展拟合曲线
差均小于3%。
因此,式（6可以合理地描述连铸和模铸LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展规律。
图5为两种铸造工艺LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展曲线比较。
可以看到,连铸LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展速率高于模铸LZ50车轴钢,疲劳裂纹扩展门槛值明显低于模铸LZ50车轴钢。
由此表明,连铸LZ50车轴钢的疲劳扩展性能不如模铸LZ50
车轴钢。
图5不同铸造工艺下LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展曲线比较
3结论
（1Paris公式可以较好地描述连铸和模铸LZ50车轴钢疲劳裂纹稳定扩展阶段的规律,其拟合相关系
数都在01986以上。
（2公式（6可以合理地描述连铸和模铸LZ50车轴钢全范围的疲劳裂纹扩展规律,拟合相关系数都在0199以上;
同时,由式（6得到的疲劳裂纹扩展门槛值与由试验曲线直接得到的门槛值接近,相对误差均小于3%。
（3连铸LZ50车轴钢的疲劳裂纹扩展门槛值低于模铸LZ50车轴钢,其疲劳裂纹扩展性能不如模铸LZ50车轴钢。
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1-14
（下转第272页
起裂阶段CTOA值较大,裂纹扩展长度与韧带厚度比值4~25之间,CTOA值基本恒定为716b,裂纹扩展即止裂前CTOA
值又逐渐增大。
图94mm试件的CTOA测量值Fig.9MeasuredCTOAof4mmspecimen
2.3.2韧带厚8mm试件的CTOA值
图10中可以看到裂纹起始时,CTOA值比较分散,裂纹扩展长度与韧带厚度比值4~10之间,CTOA
值基本恒定为1113b,裂纹扩展即将止裂前CTOA值
又逐渐增大。
图108mm试件的CTOA测量值Fig.10MeasuredCTOAof8mmspecimen
韧带厚度为4mm和8mm试件的CTOA值分布规律:
裂纹起裂阶段CTOA值较大,随后裂纹进入较为平稳的扩展阶段,CTOA值趋于恒定,止裂前阶段,CTOA的值又逐渐增大。
裂纹起裂阶段CTOA值较大,可能是由平面撕裂及裂尖钝化引起的;
止裂前阶段CTOA值较大,则可能是由于裂尖已接近试件边缘。
（1本试验采用了准静态的撕裂过程以及试件有足够的裂纹扩展长度,更接近输气管道上的裂纹动态扩展过程,有利于获得稳定的裂纹扩展。
（2韧带厚度为4mm、8mm试件的稳态的裂纹
扩展阶段分别为:
裂纹扩展长度与韧带厚度比值4~25、4~10之间;
其稳态扩展CTOA值分别为7.6b、11.3b。
（3试件的韧带厚度越小,裂纹尖端越接近于平面应力状态,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大。
（4厚的试件不易获得稳定的裂纹尖端张开角的原因是容易在试件的悬臂端产生塑性铰而使裂纹改变方向。
（5所有获得稳态裂纹扩展的试验,均是从线切割加工的钝形缺口直接起裂,因此,没必要预制疲劳裂纹和加工尖角缺口。
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（上接第258页
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