車削加工工藝對(duì)EA4T車軸鋼疲勞性能的影響

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(大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116028)

0 引 言

車軸是列車行走機(jī)構(gòu)的核心部件之一，在行駛過(guò)程中承受著軌道和轉(zhuǎn)向架列車懸掛系統(tǒng)的復(fù)雜隨機(jī)旋轉(zhuǎn)、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷。車軸損傷是列車發(fā)生重大事故的重要原因，特別是高速機(jī)車車輛，這是因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)速的提高會(huì)增大車軸承受的水平和垂直動(dòng)載荷，因而高速列車的發(fā)展對(duì)車軸的性能提出了更高的要求[1-4]。通過(guò)對(duì)車軸損傷原因進(jìn)行分析后可知，除了磨耗損傷外，約有2/3的車軸損傷是由疲勞失效引起的[5-6]。

目前，有關(guān)車軸疲勞性能的研究報(bào)道較多，研究?jī)?nèi)容主要包括車軸的疲勞設(shè)計(jì)、疲勞壽命的試驗(yàn)與機(jī)理研究、疲勞壽命的影響因素、疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展及疲勞壽命的預(yù)測(cè)等[7-10]，但有關(guān)車削加工工藝對(duì)車軸疲勞性能影響的研究很少。

為此，作者以常用的EA4T車軸鋼為研究對(duì)象，對(duì)不同工藝車削加工的車軸鋼試樣進(jìn)行了四點(diǎn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，探討了車削加工工藝對(duì)其疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼為EA4T車軸鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.22～0.29C，0.15～0.40Si，0.50～0.80Mn，0.90～1.20Cr，0.15～ 0.30Mo，≤0.30Cu，≤0.012P，≤0.015S，0.30Ni, 0.06V,余Fe。試驗(yàn)鋼的熱處理狀態(tài)為淬火+高溫回火，顯微組織為回火索氏體，即鐵素體基體與粒狀滲碳體的機(jī)械混合物，如圖1所示。車軸的表面性能對(duì)其疲勞壽命的影響最大，因此在車軸近表面處截取試樣，試樣的取樣位置如圖2所示。在保證試樣表面粗糙度小于0.8 μm的前提下，采用4種車削加工工藝對(duì)試樣表面進(jìn)行處理，工藝參數(shù)如表1所示，加工結(jié)束后試樣的形狀和尺寸如圖3所示。

圖1 EA4T車軸鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of EA4T axle steel

圖2 取樣位置Fig.2 Sampling location: (a) cross section and (b) longitudinal section

圖3 試樣的形狀與尺寸Fig.3 Shape and dimension of specimen

采用Proto iXRD型X射線應(yīng)力儀測(cè)不同工藝參數(shù)下試樣表面的殘余應(yīng)力，采用銅靶，Kα射線，管電壓20 kV，管電流4 mA，在試樣截面上每隔90°測(cè)其軸向、周向的殘余應(yīng)力，每種工藝參數(shù)下測(cè)5個(gè)試樣，取平均值。采用便攜式SURTRONIC 25型粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)不同工藝參數(shù)下試樣的表面粗糙度，每種工藝參數(shù)下測(cè)5個(gè)試樣取平均值。按照GB/T 4337—2015，在國(guó)產(chǎn)PQ-6型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，采用四點(diǎn)加力方法，旋轉(zhuǎn)速度3 000 r·min-1，應(yīng)力比為-1，采用升降法測(cè)不同工藝車削加工試樣的疲勞極限；隨后以15 MPa作為應(yīng)力增量，選取5個(gè)應(yīng)力水平，在每一應(yīng)力水平下測(cè)得4個(gè)有效試樣的疲勞壽命，取中間2個(gè)疲勞壽命，采用最小二乘法擬合得到S-N曲線，該曲線平臺(tái)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平即為疲勞極限。采用Zeiss Supra 55型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的斷口形貌、表面紋理和近斷口處車痕橫截面形貌。

表1 不同車削加工工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of different turning processes

圖4 不同車削工藝參數(shù)下試樣的殘余應(yīng)力Fig.4 Residual stresses of samples under different turning processes

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面殘余應(yīng)力及表面粗糙度

車削加工表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機(jī)械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)，也與熱應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)[11]，這是由于隨著車削加工轉(zhuǎn)速的增加，材料既存在應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)，同時(shí)又存在溫度軟化效應(yīng)，因此車削加工后材料的表面應(yīng)力狀態(tài)是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。由圖4可知，當(dāng)車削深度與進(jìn)給速度相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，周向殘余拉應(yīng)力越大，軸向殘余壓應(yīng)力越小，此時(shí)熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度相同時(shí)，切削深度越深，周向殘余拉應(yīng)力越小，軸向殘余壓應(yīng)力越大；不同工藝車削軸向殘余壓應(yīng)力的最大值與最小值相差50 MPa，周向殘余拉應(yīng)力的最大值與最小值相差25 MPa，因此車削加工工藝對(duì)試樣殘余應(yīng)力的影響不大。

由表2可知：當(dāng)切削深度和進(jìn)給速度相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，試樣表面粗糙度越小，這是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速可以減小切屑變形，降低毛刺、鱗刺產(chǎn)生的可能性，從而減小表面粗糙度；當(dāng)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度一定時(shí)，減小切削深度可以降低表面粗糙度，這是因?yàn)闇p小切削深度可降低切削力，減小塑性變形程度，抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，從而降低表面粗糙度；不同車削加工工藝下試樣的表面粗糙度均小于0.8 μm，且表面粗糙度的最大值與最小值相差0.15 μm，因此車削加工工藝對(duì)試樣表面粗糙度的影響不大。

表2 不同車削加工工藝下試樣的表面粗糙度Tab.2 Surface roughness of samples under differentturning processes μm

2.2 S-N曲線

由圖5可以看出：不同車削加工工藝下，S-N曲線的變化趨勢(shì)基本一致，隨著循環(huán)應(yīng)力水平的降低，試樣的疲勞壽命逐漸升高，并且在拐點(diǎn)前S-N曲線的斜率基本一致；工藝1、工藝2、工藝3、工藝4下試樣的疲勞極限分別為382.5，374.5，385.5，384.0 MPa。由此可以得出，當(dāng)表面粗糙度小于0.8 μm時(shí)，車削加工工藝對(duì)試樣疲勞壽命的影響不大。

2.3 斷口形貌

由圖6可知：不同車削加工工藝下試樣的疲勞斷口形貌基本相似，均可分為裂紋源區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，疲勞斷口中均只有一個(gè)裂紋源，并且裂紋都起源于試樣表面附近；裂紋源區(qū)存在放射性的河流花樣，表面比較光滑且呈月牙形，這是因?yàn)樵谛D(zhuǎn)彎曲過(guò)程中，試樣承受著拉壓應(yīng)力的循環(huán)作用，當(dāng)裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，該區(qū)域被磨平，同時(shí)裂紋萌生后開(kāi)始緩慢向內(nèi)部擴(kuò)展，并且試樣所受拉應(yīng)力從表面到中心逐漸減小，裂紋向外擴(kuò)展比向內(nèi)擴(kuò)展更加容易，因此該區(qū)域呈月牙形。

圖5 不同車削加工工藝下試樣的S-N曲線Fig.5 S-N curves of samples under different turning processes:(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3 and (d) process 4

圖6 不同車削加工工藝下試樣的疲勞斷口宏觀形貌Fig.6 Fatigue fracture macroscopic morphology of samples under different turning processes:(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3 and (d) process 4

由圖7可知：4種車削工藝下試樣斷口上均只發(fā)現(xiàn)一個(gè)裂紋源，裂紋源區(qū)可看到放射性的河流花樣，且河流花樣都匯聚于表面的一個(gè)凹坑中。

圖7 不同車削加工工藝下試樣疲勞裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of fatigue crack source region of samples under different turning processes: (a) process 1, at low magnification; (b) process 1, at high magnification; (c) process 2, at low magnification; (d) process 2, at high magnification; (e) process 3, at low magnification; (f) process 3, at high magnification; (g) process 4, at low magnification and (h) process 4, at high magnification

2.4 表面形貌

由圖8可以看出：遠(yuǎn)離疲勞斷口處，不同工藝切削加工試樣的表面車痕分布較均勻，較深車痕間距約為40 μm，其間分布著間距約1 μm的較淺車痕，局部區(qū)域存在黏著剝落形貌特征和極少數(shù)沿車痕開(kāi)裂的裂紋；近斷口處，試樣表面較深車痕間距約40 μm，在較深車痕處發(fā)生了開(kāi)裂，這是由于試樣表面深車痕處的應(yīng)力集中最大，最易萌生裂紋，且開(kāi)裂寬度隨距斷口距離的增大而減小。

圖8 不同車削加工工藝下試樣表面SEM形貌Fig.8 SEM morphology of surface of samples under different turning processes: (a) process 1, away from fracture; (b) process 1, near fracture; (c) process 2, away from fracture; (d) process 2, near fracture; (e) process 3, away from fracture; (f) process 3, near fracture; (g) process 4, away from fracture and (h) process 4, near fracture

由圖9可知：試樣表面最深車痕的間距約為40 μm，這和圖8的分析結(jié)果一致；越靠近斷口，較深車痕的寬度越寬，深度越深，且在距斷口最近的較深車痕底部出現(xiàn)了裂紋，裂紋的長(zhǎng)度約2 μm。由此可判斷出，疲勞裂紋是在表面較深車痕的根部萌生并向內(nèi)擴(kuò)展的。

3 結(jié) 論

(1) 在不同切削加工工藝下，EA4T車軸鋼軸向殘余壓應(yīng)力的最大值與最小值相差50 MPa，周向殘余拉應(yīng)力的最大值與最小值相差25 MPa，車削加工工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響不大；不同車削加工工藝下試驗(yàn)鋼的表面粗糙度均小于0.8 μm，且表面粗糙度的最大值與最小值相差0.15 μm，車削加工工藝對(duì)表面粗糙度的影響不大。

圖9 車削工藝2下試樣近斷口處橫截面形貌Fig.9 Cross section morphology near fracture of sample under the turning process 2: (a) overall morphology;(b) amplification of position 1 and (c) amplification of position 2

(2) 當(dāng)試驗(yàn)鋼表面粗糙度小于0.8 μm時(shí)，車削加工工藝對(duì)疲勞壽命的影響不大；疲勞斷口均分為裂紋源區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，疲勞斷口中均只有一個(gè)裂紋源，疲勞裂紋都是在表面較深車痕的根部萌生并向內(nèi)擴(kuò)展。

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