材料研究学报(中文版) 2018 , 32 (6): 401-408 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.466

研究论文

低温对ER8车轮钢力学性能的影响

王少杰¹, 韩靖¹^,, 曾伟¹, 张雪梅², 赵君文¹, 戴光泽¹

1 西南交通大学材料科学与工程学院成都 610031
2 中车长春轨道客车股份有限公司长春 130062

Effect of Low Temperature on Mechanical Properties of ER8 Steel for Wheel Rim

WANG Shaojie¹, HAN Jing¹^,, ZENG Wei¹, ZHANG Xuemei², ZHAO Junwen¹, DAI Guangze¹

1 School of Material Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
2 CRRC Chang Chun Railway Vehicles Co. Ltd., Changchun 130062, China

中图分类号: TG142.1

文章编号: 1005-3093(2018)06-0401-08

通讯作者: 通讯作者韩靖,副教授,hanjing@swjtu.edu.cn,研究方向为高速列车关键零部件材料

收稿日期: 2017-07-31

网络出版日期: 2018-06-20

基金资助: 国家重点研发计划(2016YFB1200505-006)和中国铁路总公司科技研究开发计划(2016J007-H)

作者简介:

作者简介王少杰,男,1990年生,硕士生

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摘要

对ER8车轮钢轮辋材料在-40℃、-20℃、0℃、25℃(室温)下,分别进行力学性能研究,利用激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜对其组织和断口进行表征。结果表明：-40℃时,轮辋材料的抗拉强度和屈服强度分别提高了5.8%和7.1%,强度指标(抗拉强度和屈服强度)与温度几乎呈线性关系,塑性指标(延伸率与断面收缩率)均下降约2%;轮辋材料冲击韧性对温度非常敏感,随温度下降,其冲击韧性迅速降低,-40℃冲击功降幅达60%;轮辋材料-40℃时的疲劳寿命高于室温的疲劳寿命,-40℃时疲劳源和裂纹扩展区二次裂纹都较室温时的细小,室温时a_c(疲劳裂纹临界尺寸)约为3.2 mm,-40℃时,a_c约为4 mm。

关键词： 金属材料 ; ER8车轮钢 ; 力学性能 ; 冲击韧性 ; 疲劳寿命

Abstract

The mechanical properties of ER8 steel for wheel rim were studied at -40℃, -20℃, 0℃ and 25℃ (room temperature) respectively, while the microstructure and fractured surface of the steel were characterized by means of laser confocal microscopy, field emission scanning electron microscopy (SEM). Results show that the tensile- and yield-strength increase linearly with the decreasing temperature, i.e. the increments of which reach 5.8% and 7.1% respectively at -40℃, in comparison to those at room temperature, correspondingly the plasticity index (elongation and cross section shrinkage) decreases by about 2%; The impact toughness of the steel for wheel rim is very sensitive to temperature, the impact toughness of the steel reduces rapidly with the decreasing temperature, and the impact energy reduces by 60% at -40℃ in comparison to that at ambient temperature; The fatigue life of the steel at -40 is higher than that at room temperature. At -40℃, the size of secondary cracks in the fatigue source and crack propagation zone is smaller than those at room temperature, the fatigue crack critical size a_c is about 3.2 mm at room temperature, while it is about 4 mm at -40℃。

Keywords： metallic materials ; ER8 wheel steel ; mechanical properties ; impact toughness ; fatigue life

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王少杰, 韩靖, 曾伟, 张雪梅, 赵君文, 戴光泽. 低温对ER8车轮钢力学性能的影响[J]. 材料研究学报(中文版), 2018, 32(6): 401-408 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.466

WANG Shaojie, HAN Jing, ZENG Wei, ZHANG Xuemei, ZHAO Junwen, DAI Guangze. Effect of Low Temperature on Mechanical Properties of ER8 Steel for Wheel Rim[J]. Chinese Journal of Material Research, 2018, 32(6): 401-408 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.466

车轮是铁路运输设备的关键零部件,随着铁路高速、重载化的发展对车轮的性能提出了越来越高的要求^[1],轮轨磨损和疲劳现象^[2]受到人们的关注。高速车轮在服役过程中经常要经受一些特殊的环境,如：低温、冲击载荷等。目前,对于低温服役条件下高速动车组列车运行安全性和可靠性的相关研究相当缺乏,有些方面甚至尚属空白^[3]。如对于低温服役环境下,车轮材料的疲劳行为、结构响应和损伤机理尚不清楚,值得深入研究^[4]。因此,对车轮钢在低温下力学性能的研究显得尤为重要。李伟等^[5]通过对GOST-2车轮钢低温冲击韧性的研究,得出冲击韧性差的主要原因是磷含量高、MnS夹杂多、存在带状组织及晶粒组织粗大,并通过低氧钢、低磷钢及超低硫钢冶炼工艺和钙化处理等措施改善了车轮低温韧性。任学冲等^[6]通过裂纹试样研究温度对高速车轮钢断裂韧性影响规律及对断裂机理的影响,得出断裂韧性随温度变化的线性拟合关系式,为利用室温断裂韧性预测低温断裂韧性提供了依据。疲劳作为车轮损伤的主要形式^[7],它是循环载荷作用的结果,往往会引发裂纹的萌生与瞬断,且其难以探测。低温疲劳是低温工程结构设计中必须考虑并且十分重要的问题,材料在低温服役环境中的,第二阶段疲劳裂纹扩展速率试验数据是损伤容限设计的基本依据^[8]。Fang等^[9]研究了-60~60℃系列温度轮辋疲劳寿命及极限,讨论了疲劳破坏机理,得出随着温度的升高,疲劳寿命下降,在低温观察到珠光体晶粒的脆断及珠光体铁素体的二次断裂。随着实验温度降低,材料内部的非金属夹杂^[10]、相变^[11]、晶粒尺寸^[12]等对疲劳断裂的影响会越发显著。由于高速车轮的疲劳损伤主要发生在轮辋区域,磨损发生在踏面近表层,因此本文主要研究轮辋区域的低温性能。

本文主要对车轮材料的低温力学性能进行研究,得出其影响规律及断裂机理,为低温服役下的车轮材料的性能预测及车轮的检修、预防失效和报废提供理论依据,为高速车轮的有效利用提供必要的技术指导。

1 实验材料与方法

实验所用材料为ER8高速车轮轮辋区域,其化学成分如表1所示。

表1 ER8高速车轮轮辋化学成分(%,质量分数)

Table 1 Chemical compositions of ER8 high speed wheel rim (%, mass fraction)

C	Si	Mn	P	S	Mo	Cu	Ti	Fe
0.528	0.346	0.733	0.004	0.001	0.021	0.148	0.004	Bal.

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在车轮轮辋区域沿周向于踏面以下15 mm处取拉伸、冲击试样,于踏面以下30 mm处取疲劳试样,取样位置如图1所示。拉伸试验和冲击试验分别在-40℃、-20℃、0℃、25℃下进行,拉伸试样尺寸参照GBT 228.1-2010《金属材拉伸试验第1部分：室温试验方法》、GB13239-2006-T《金属材料低温拉伸试验方法》加工成标距直径为10 mm的标准圆棒状试样,并按以上标准在CMT5305型微机控制电子万能试验机上以2 mm/min拉伸速率进行试验;冲击试样尺寸参照GBT229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB 4159-1984《金属低温夏比冲击试验方法》加工成标准Charpy-V型缺口冲击试样,并按标准在JBW-300型示波冲击试验机上进行试验,拉伸和冲击试样均每个温度取3个平行样,低温拉伸环境通过可程式恒温恒湿试验箱(JA-1260-D)实现,低温冲击环境通过冲击试验低温槽(DWC-80)实现。

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图1 轮辋部位取样位置示意图

Fig.1 Position of specimens sampled from high speed wheel rim

疲劳试验在-40℃和25℃下进行,低温疲劳试验通过可程式恒温恒湿试验箱(JA-1260-D)实现。疲劳试样尺寸参照GBT3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》加工成直径为6 mm的漏斗形圆棒状标准试样,每个温度下取20根平行样。对于钢而言,整个S-N曲线由有限寿命S-N直线和长寿命的水平线两部分组成^[11],故本次试验在GPS-100高频疲劳试验机上进行,采用成组法测有限寿命区,用升降法测长寿命区。

利用VK-9710型激光共聚焦显微镜对车轮钢轮辋显微组织进行观察,用软件Image-Pro Plus 6.0对其铁素体面积占比进行统计,对不同温度下的断口利用JSM-7001F型场发射扫描电子显微镜(SEM)进行表征。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

图2为车轮轮辋区域显微组织,其主要由先共析铁素体和珠光体组成,先共析铁素体为亮白色,呈不连续网状分布,分布较为均匀,铁素体面积占比约为6%。铁素体与渗碳体团聚为片层间距十分细小的层片状珠光体,且晶粒较为细小,参照ASTM E112-12中直线截点法对其平均晶粒度进行统计分析,其平均晶粒度大于8级。

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图2 车轮轮辋显微组织

Fig.2 Microstructure of high speed wheel rim

2.2 拉伸试验

图3为不同温度下车轮轮辋材料拉伸性能试验结果。由图3a可知,材料的抗拉强度和屈服强度随温度降低而升高,抗拉强度的变化几乎呈线性关系,屈服强度从室温降到-20℃几乎也呈线性变化,再继续降温时,屈服强度迅速增加。室温(25℃)时,车轮钢抗拉强度为881.8 MPa,降温至-40℃时,抗拉强度达到932.8 MPa,抗拉强度提高了5.8%,屈服强度由室温时的537.1 MPa提高到-40℃时的575 MPa,增加了7.1%。由图3b可知,延伸率和断面收缩率随着温度的降低均有所减小。室温时,延伸率为18.8%,降温至-40℃时,延伸率降低到16.76%,减少了2%左右,其中室温到0℃延伸率下降幅度较大,达到了1.5%,断面收缩率由室温时的44.15%下降到-40℃时的41.9%,可近似成线性变化。

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图3 不同试验温度拉伸性能试验结果

Fig.3 Test results of different test temperatures (a) tensile strength and yield strength; (b) elongation and reduction of area

图4为不同温度下拉伸断口的SEM形貌,由图4a、c、e、g可知,拉伸断口为典型的杯锥状断口,由纤维区(A)、放射区(B)、剪切唇三部分组成。在试样受拉力时,内部首先有微孔形成,这时主要发生形变强化^[13],试样受力均匀,受力进一步增大时,进入颈缩阶段,应力集中,微孔长大连结,由图4b可看出明显韧窝,这就是微孔开裂后继续长大和连结的结果。在图4c、e、g中,同样可观察到韧窝的存在。微孔聚集长大形成微裂纹,在拉力作用下,裂纹迅速扩展,形成放射区。对比图4a、c、e、g可知,放射区(B)面积占比：常温<0℃<-20℃<-40℃,常温下,放射区(B)约占整个断口的20%,-40℃时,纤维区约占断口面积的90%。综上,材料和加载速率确定时,随试验温度降低,纤维区面积占比减小,放射区面积占比增大,材料有韧转脆的趋势。由图4d、f、h局部放大图可知,低温下断口主要为解理断口,以撕裂棱为主,撕裂棱上存在大量较为平整的解理刻面,且短裂纹数量也较室温时的多,几乎看不到韧窝,为典型的脆性断裂。放射区较光亮平坦,呈放射状花样,放射线沿裂纹扩展方向直指裂纹源。裂纹继续扩展,受平面应力状态,试样沿拉伸轴45°方向剪切脱开^[14],形成了与轴线呈45°表面光滑的剪切唇。

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图4 不同试验温度拉伸断口SEM形貌

Fig.4 Tensile fracture SEM morphology of different test temperatures: (a, b) 25℃; (c, d) 0℃; (e, f) -20℃; (g, h) -40℃

2.3 冲击试验

试验采用刀锤半径为2 mm的冲击摆锤,冲击能量为150 J,冲击速度为5.2 m/s^-1。对试样不同温度下冲击韧性进行测量,结果如图5为所示。由图可知,随温度的降低,冲击功值逐渐减小。室温(25℃)时,冲击功值达到了23.4 J,温度降到-40℃时,冲击功只有9.4 J,减小了14 J,降幅达60%,说明冲击韧性对温度十分敏感。图6a为常温下的冲击断口,图6b、c分别为扩展区和起裂区的局部放大图,图6d为-40℃时,起裂区的局部放大图。冲击断口主要为“舌状花样”的解理断口(图6b、d),室温缺口起裂处存在少量韧性带(图6c),说明试样经历塑性变形和形变强化阶段,由于缺口的存在,发生短暂塑性变形之后就进入脆断阶段。对比图6c、d知,当温度降低时,材料塑性变形阶段变短或消失,试样由韧转脆,韧性带逐渐变窄直至消失,冲击韧性减小。

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图5 不同温度冲击试验性能

Fig.5 Impact test performance of different test temperatures

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图6 车轮轮辋冲击断口形貌

Fig.6 Impact fracture morphology of high speed wheel rim: (a) macro overview at 25℃; (b) 25℃ notch front zone; (c) 25℃ propagation zone; (d) -40℃ propagation zone

2.4 疲劳试验

本试验在GPS-100型高频疲劳试验机上进行,选择应力比为0.1的正弦应力载荷曲线,频率在120 Hz,利用小样本量法,分有限寿命区和长寿命区两段分别去测疲劳寿命。长寿命区主要利用升降法测疲劳极限,如图7为室温和-40℃下车轮钢升降图。参照标准GB/T 24176-2009,对室温下未失效的试样进行统计,如表2所示。将应力水平按升序排列,S₀≤S₁≤S_2...≤S_n,n为应力水平数,f_i为指定事件数。

$\hat{S} y = S 0 + d (\frac{A}{C} + \frac{1}{2})$ (1)

$\hat{σ} y = 1.62 d (D + 0.029)$ (2)

$\hat{η} = \frac{\hat{σ} y}{\hat{S} y}$ (3)

其中, $A = \overset{n}{\sum_{i}} ifi$ , $B = \overset{n}{\sum_{i}} i^{2} fi$ , $C = \sum^{} fi$ , $D = \frac{BC - A^{2}}{C^{2}}$ ,S₀为发生失效的最低应力水平,d为应力台阶

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图7 疲劳升降图

Fig.7 Up-and-down diagram: (a) 25℃; (b) -40℃

表2 室温(25℃)疲劳数据统计分析

Table 2 Statistical analysis of fatigue data at room temperature

Stress/MPa	i	f_i	if_i	i²fi
590	2	1	2	4
580	1	2	2	2
570	0	1	0	0
∑	3	4	4	6

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由表2可分别计算A=4,B=6,C=4,D=0.5,中值疲劳极限和标准差通过公式(1)和(2)进行计算,中值疲劳极限： $\hat{S} y$ =585 MPa,标准差： $\hat{σ} y$ =8.5698 MPa,为了描述疲劳数据分散程度,利用公式(3)计算其变动系数 $\hat{η}$ =0.01465。

$σ_{R} (N) = (\frac{1}{m}) \overset{n}{\sum_{i = 1}} V_{i} σ_{i}$ (4)

公式(4)为条件疲劳极限计算公式,由(4)可得,条件疲劳极限： $σ_{0.1}$ = 585 MPa,与标准GB/T 24176-2009计算结果相同。

同理,-40℃下的中值疲劳强度： $\hat{S} y$ =656.6667 MPa,标准差： $\hat{σ} y$ =22.5396 MPa,变动系数： $\hat{η}$ =0.03432,条件疲劳极限： $σ_{0.1}$ =654.2857 MPa,两种计算方法得到疲劳极限几乎一致。

对比两种环境的疲劳极限可知,低温时材料的疲劳极限显著提高,由室温的585 MPa提高到-40℃时的654 MPa,提高了约70 MPa。其原因可能是低温有效抑制循环应变诱发的热效应,促进疲劳裂纹前沿形成板条马氏体,马氏体的形成进一步阻碍裂纹的扩展,从而使材料低温下的疲劳性能显著提高^[15]。

有限寿命区的疲劳数据用成组法测得,如图8a, b所示。由标准GB/T 24176-2009定义： $y_{i} = S_{i}$ , $x_{i} = \lg N_{i}$ ,利用线性模型 $x = b - ay$ 和半对数坐标对室温下,有限寿命区数据进行统计分析。

$\hat{a} = - \frac{\overset{m}{\sum_{i = 1}} (x_{i} - \overset{̅}{x}) (y_{i} - \overset{̅}{y})}{\overset{m}{\sum_{i = 1}} (y_{i} - \overset{̅}{y}) \overset{2}{}}$ (5)

$\hat{b} = \overset{̅}{x} + \hat{a} \overset{̅}{y}$ (6)

其中, $\overset{̅}{x} = \frac{1}{m} \overset{m}{\sum_{i = 1}} x_{i}$ , $\overset{̅}{y} = \frac{1}{m} \overset{m}{\sum_{i = 1}} y_{i}$

由公式(5)和(6)可得, $\hat{a}$ =0.00859028, $\hat{b}$ =11.00430723,故可得存活率为50%时,有限寿命区S-N关系式为： $x = 11.04430723 - 0.00859028 y$ ,同理,-40℃时, $\hat{a}$ =0.00755701, $\hat{b}$ =10.60039416,故可得存活率为50%时,其有限寿命区S-N关系式为:

$x = 10.60039416 - 0.00755701 y$

综上,对有效数据进行拟合,如图9a、b分别为室温和-40℃车轮轮辋材料疲劳S-N曲线。由图9可以清楚地看出低温疲劳寿命明显高于室温疲劳寿命。

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图8 疲劳有限寿命区试验结果

Fig.8 Test results of fatigue finite life zone: (a) 25℃; (b) -40℃

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图9 疲劳S-N曲线

Fig.9 Fatigue S-N curve: (a) 25℃; (b) -40℃

由以上试验数据可知,随温度的降低疲劳寿命有所提高。为了更好的理解温度对疲劳性能的影响,分别对室温和-40℃的疲劳断口进行观察,如图10、图11所示。每组试验均在平均应力衰减3 kN时停止试验,断口均选取条件疲劳极限以上的第一级应力水平(室温条件疲劳极限约为585 MPa,选590 MPa时的断口,-40℃时条件疲劳极限约654 MPa,选660 MPa)的断口。疲劳断口分裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区三个区(图10a、11a),疲劳裂纹源于试样表面,且为单裂纹源起裂,经循环载荷作用,裂纹呈放射状以穿晶解理方式向里扩展(图10c、11c),直至试样断裂。

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图10 25℃疲劳断口形貌

Fig.10 Fatigue fracture morphology at 25℃; (a) macro overview (b) A-fatigue propagation zone (c) B-fatigue source zone

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图11 -40℃疲劳断口形貌

Fig.11 Fatigue fracture morphology at -40℃; (a) macro overview (b) A-fatigue propagation zone (c) B-fatigue source zone

由图10b、10c、11a和11c疲劳源局部放大图可清晰观察到细小的二次裂纹和较为规则的疲劳辉纹,且疲劳辉纹一般较浅,呈平行带状排列,附近一般有与之延伸方向垂直的二次裂纹存在(图10c和图11b),每一条疲劳条带相当于载荷或应变的一次循环。由图10c可发现,室温疲劳的二次裂纹和疲劳辉纹分布方向较乱,对比图11c,-40℃时,二次裂纹和疲劳辉纹的分布较为规则。裂纹扩展区同样也分布着少量裂纹,其深度比裂纹源区域的深,对比图10b与图11b可以发现,室温疲劳断口的二次裂纹明显比-40℃时疲劳断口的二次裂纹深。

瞬断区是表征疲劳裂纹达到临界尺寸后发生快速断裂形成的区域。因此,疲劳断口可以在一定程度上反映疲劳裂纹临界尺寸,如图12所示。由此可估算,室温时a_c(疲劳裂纹临界尺寸)约为3.2 mm左右,-40℃时,a_c约为4 mm,这也在一定程度上说明低温疲劳寿命高于室温疲劳寿命。

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图12 临界裂纹长度与疲劳断口分区示意图^[16]

Fig.12 Critical crack length and fatigue fracture partition^[16]

3 结论

(1) 与室温相比,低温时轮辋材料的强度指标均有所提高,且与温度几乎呈线性关系,-40℃时,抗拉强度提高了5.8%、屈服强度提高了7.1%,延伸率和断面收缩率均下降了约2%。

(2) 轮辋材料冲击韧性对温度十分敏感,随温度下降,其冲击韧性迅速降低(冲击功由室温的23.4 J下降到-40℃时的9.4 J),降幅达60%,冲击断口主要为解理断口。

(3) 轮辋材料-40℃时的疲劳寿命高于室温的疲劳寿命,-40℃时疲劳源和裂纹扩展区二次裂纹都较室温时的细小,室温时疲劳裂纹临界尺寸约为3.2 mm左右,-40℃时,疲劳裂纹临界尺寸约为4 mm。

The authors have declared that no competing interests exist.

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