预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响*

2019-10-23

润滑与密封 2019年10期

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都 610031)

表面缺陷是引发车轮滚动接触疲劳重要因素。ZHAO等[1]通过现场调查发现，我国高速列车车轮出现的局部接触疲劳裂纹由车轮磕伤引起，该裂纹可能引起深度为2.5～8.5 mm的车轮踏面剥离，严重危害高速列车的安全运行。

目前学者已经对含表面缺陷高强度钢(如轴承钢、齿轮钢)的滚动接触疲劳性能进行了较深入的研究。MATSUNAGA、MAKINO等[2-3]研究了圆孔状缺陷的尺寸对高强度钢接触疲劳裂纹萌生和扩展的影响。FUJIMATSU等[4]发现缺陷的位置对轴承滚动接触疲劳寿命有一定影响，接触斑中心的缺陷的危害程度大于接触斑边缘的缺陷。上述研究均发现，含缺陷的高强度钢一般从缺陷内部发生疲劳裂纹萌生。但是，强度较低、延展性较好的轮轨材料在滚滑条件下都会发生显著塑性变形，缺陷对滚动接触疲劳损伤的影响机制与高强度钢有明显区别。研究者通过各种试验手段和现场调查研究了含缺陷车轮和钢轨的滚动接触疲劳性能[5-7]。GAO等[5]通过圆盘对滚试验发现，塑性作用使压痕后侧出现突出，增加了局部接触应力，因此裂纹会从凸起处萌生并扩展；另外，钻孔引起的表面缺陷不会降低车轮材料的滚动接触疲劳性能。通过圆盘对滚试验，赵相吉等[6]和SEO等[7]都发现，压痕的出现减小了轮轨试样的接触面积，使靠近压痕中部材料的接触应力上升，因此疲劳裂纹从该区域萌生；压痕尺寸的增加会加剧轮轨试样的滚动接触疲劳损伤。CANTINI 和CERVELLO[8]通过全尺寸车轮的滚滑试验发现，疲劳裂纹会从钻孔的底部萌生。ZHAO等[1]通过有限元计算发现，当压痕大于某一尺寸时，疲劳裂纹将萌生于缺陷底部。可见，目前学者对含缺陷轮轨材料的滚动接触疲劳损伤机制的认知尚未统一。

此外，车轮表面缺陷一般在运营过程中出现，即出现表面缺陷时，车轮已经承受了一定次数的预滚压。研究表明，预滚压对材料的滚动接触疲劳性能有显著影响[9]。但是，目前研究者尚未考虑该因素对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。

本文作者首先对未预滚压的试样进行了滚动接触疲劳试验，观察表面缺陷的形貌变化规律和疲劳裂纹的萌生行为。在此基础上，确定车轮试样预滚次数为60 000周次，并在预滚的试样上制备不同尺寸的缺陷，然后进行疲劳试验。通过上述试验及有限元仿真，分析预滚压和缺陷尺寸对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

研究所用车轮和钢轨分别取自ER8车轮轮辋和U71Mn热轧钢轨轨头，试验材料的化学成分和显微硬度如表1所示。使用线切割机从接近车轮踏面和轨头表面位置获取车轮和钢轨坯料，参照图1所示的试样形状和尺寸进行加工。加工完成后，试样的表面粗糙度Ra约为0.2 μm。

表1 材料化学成分和显微硬度Table 1 Chemical composition and micro-hardness of test materials

图1 试样示意图Fig 1 Schematic illustration of test method

1.2 试验条件

在GPM-30滚动接触疲劳试验机上，对具有不同预滚次数和不同尺寸表面缺陷的车轮试样进行试验，试验示意图如图1所示。车轮和钢轨试样转速均为800 r/s，直径分别为59.82和60 mm，因此轮轨试样间的滑差为-0.3%。车轮试样和钢轨试样间的接触应力设定为1 200 MPa，试验过程中在轮轨试样接触面喷射润滑油。所有预滚试样均在预滚压一定循环数之后，在接触面预制缺陷，然后进行滚动接触疲劳试验。预制缺陷的直径分别为200和400 μm，缺陷的深度均为200 μm，缺陷形貌如图2所示。试验条件汇总于表2中，分别进行不间断试验和中断试验，其中，中断试验停机次数设为平均疲劳寿命的70%。A组试验没有进行预滚压处理，用于分析表面缺陷尺寸在滚滑条件下的变化规律。B组试验的预滚压次数为60 000，缺陷直径为200 μm，用于分析预滚压的影响。C组试验的预滚压次数为60 000，缺陷直径为400 μm，用于分析缺陷尺寸的影响。试验后，使用激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察试样的损伤形貌。

图2 预制缺陷形貌Fig 2 Morphology of prefabricated defect with diameter of 200 μm(a)and 400 μm(b)表2 试验条件和结果Table 2 Test conditions and results

试验编号试样编号预滚次数缺陷直径d/μm是否中断疲劳寿命损伤特征A10200否228 069表面剥离20200否164 037表面剥离30200是未失效40200是未失效B560 000200否159 317表面剥离660 000200否168 042表面剥离760 000200是缺陷底部萌生裂纹860 000200是缺陷底部萌生裂纹C960 000400否137 129表面剥离1060 000400否125 843表面剥离1160 000400是缺陷中部萌生裂纹

2 结果及讨论

2.1 摩擦磨损性能

不同试验条件下各取一组车轮-钢轨试样，观察其摩擦因数变化情况，结果如图3所示。可以看出，在刚启动试验机时，轮轨摩擦因数急剧增大，这是由于试验机启动时车轮-钢轨试样之间还没有形成有效润滑的油膜；而后随着试验的进行，在5 000～40 000周次之间，润滑油逐渐形成稳定厚度的油膜，轮轨摩擦逐步减小；在40 000周次之后，轮轨摩擦因数变化较小，基本保持平稳。由此可见，不同组别的车轮-钢轨摩擦副试样区别不大。

由于预制缺陷的存在导致试样最终在不同的循环周次下发生失效，为方便对比，在3组试样中分别选取一个经过100 000周次循环后的车轮试样，通过高精度天平测量得到试验前后车轮试样的质量。通过对结果的分析得知，车轮磨损量较小，无法看出车轮磨损性能的差异。

图3 轮轨摩擦因数随循环周次变化Fig 3 Variation of wheel-rail friction coefficient with the increasing cycles

可见，在油润滑条件小，预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。

2.2 未预滚试样表面缺陷的变化

图4和图5分别示出了未预滚车轮试样表面缺陷的尺寸及形貌随循环周次的变化情况。可见，表层材料在滚动接触载荷作用下会发生显著塑性变形，缺陷尺寸随循环次数的增加而逐渐减小。其中在0～60 000次循环，缺陷尺寸逐渐变小且变化速度逐渐减小；当循环周次大于60 000，缺陷尺寸基本不发生变化。这是因为，在试验初始阶段，表层材料受到的剪应力明显超过材料剪切屈服强度，表层材料塑性变形迅速累积，这导致缺陷尺寸迅速变小；另外表层材料在发生塑性变形的同时，也发生应变硬化现象。因此，随着循环次数的进一步增加，塑性变形的累积速度逐渐减小，缺陷尺寸的变化速率也随之降低。当循环周次大于60 000时，表层材料屈服极限与所受的剪应力基本相当，塑性变形难以进一步累积，因此缺陷尺寸基本不再进一步变化。图6所示为发生剥离失效位置的形貌，可见，剥离失效的位置远离预制缺陷的位置，表明缺陷未对该车轮试样的滚动接触疲劳性能产生影响。

图4 缺陷尺寸随循环周次的变化Fig 4 Variation of size of defect with the increasing cycles

图5 未预滚试样的缺陷演化过程Fig 5 Evolution of non-pre-rolled specimen with defect

图6 未预滚试样的失效形貌Fig 6 Failure surface of non-pre-rolled specimens(a)surface crack;(b)surface peeling

2.3 预滚压的影响

B组试样均预滚压60 000周次后，再进行表面缺陷预制。从3.1节分析可知，这些试样的表层材料在后续试验中基本不再发生进一步的塑性变形。因此，这些试样用于模仿实际运营过程中出现的表面缺陷对车轮材料滚动接触疲劳性能的影响。

图7所示为通过中断试验观察到的B组预滚试样的缺陷形貌。由于缺陷边缘存在较大应力集中，该位置材料在试验中仍然会产生部分塑性变形。因此，虽然预制缺陷前的试样已进行了预滚压处理，其缺陷尺寸在试验中仍然有所减小。与未预滚试样不同，预滚试样在缺陷底部发生裂纹萌生，如图7所示。这些裂纹在滚动接触载荷作用下沿滚动方向扩展，最后导致试样发生剥离失效，如图8所示。在缺陷尺寸均为200 μm的条件下，未预滚试样和预滚试样的滚动接触疲劳寿命分别为196 053和163 680。可见，预滚压处理通过使裂纹萌生位置转移至缺陷底部，减小了含缺陷车轮试样的滚动接触疲劳性能。

图7 预滚试样200 μm缺陷孔底部的裂纹形貌Fig 7 Crack morphology at the bottom of the pre-rolled specimen with 200 μm defect

图8 含200 μm缺陷预滚试样的失效形貌Fig 8 Failure morphology of the pre-rolled specimen with 200 μm defect

2.4 缺陷尺寸的影响

从表2可见，当缺陷尺寸从200 μm增加至400 μm时，试样的接触疲劳寿命从163 680减小至131 486。图9所示为缺陷尺寸为400 μm的预滚试样的失效形貌。通过中断试验可见，当循环周次达到总寿命70%时，缺陷中部附近的表层材料出现疲劳裂纹，如图9(a)、(b)所示。此时，缺陷底部没有观察到疲劳裂纹萌生。疲劳裂纹沿着试样滚动方向扩展(如图9(c)所示)，并最终导致试样发生表面剥离(如图9(d)所示)。可见，当缺陷尺寸从200 μm增加至400 μm，裂纹萌生位置从缺陷底部转移至缺陷中部附近的表层材料，且试样的滚动接触疲劳性能进一步下降。

图9 含400 μm缺陷预滚试样的失效形貌Fig 9 Failure morphology of the pre-rolled specimen with 400 μm defect(a)fatigue crack in the middle of defect;(b)crack local magnification map;(c)crack propagation;(d)peeling failure

3 有限元分析与疲劳寿命评估

为了确定缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响，首先通过有限元分析获得缺陷附近材料的应力状态，然后通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生位置和萌生寿命的影响。

3.1 有限元模型

参照上述试验条件，建立如图10所示的轮轨试样接触三维有限元模型，车轮试样上圆孔状缺陷的直径分别为200和400 μm，深度均为200 μm。为了在提高计算速度的前提下兼顾计算效率，缺陷附近区域采用较细网格，其他区域则采用较为粗糙的网格。由于预滚试样在后续试验中的塑性变形较小，有限元分析使用弹性模型进行计算。车轮和钢轨材料的弹性模量设定为206 GPa，泊松比设定为0.28。根据试验中获取的数据，车轮试样和钢轨试样之间的摩擦因数设定为0.1。准静态仿真过程共分为3个载荷步：(1)首先对车轮模型施加一个微小位移使车轮与钢轨模型相互接触；(2)对车轮-钢轨模型施加1 200 MPa的接触压力；(3)车轮和钢轨模型均滚动20°。

图10 有限元模型Fig 10 Finite element model

3.2 应力分析

图11给出了不同位置处的剪应力τxy变化历程。可见，在接触应力相同的条件下，试样表面剪应力同时受到分析位置和缺陷尺寸的影响。图12给出了不同位置材料在一个周期内受到的剪应力幅值(Δτxy=τxy, max-τxy, min)。缺陷尺寸为200 μm时，最大剪应力位于缺陷底部(点B)；缺陷尺寸为400 μm时，最大剪应力位于中部(点M)。车轮试样表层受到的剪应力是引起疲劳裂纹萌生的主要因素，因此，最大剪应力的位置与试验得到的滚动接触疲劳裂纹萌生位置一致。

图11 不同位置的剪应力变化历程Fig 11 Shear stress history at different locations

图12 不同位置的剪应力幅值Fig 12 Shear stress amplitude at different locations

缺陷通过减小轮轨试样接触面积增加接触应力。当接触中心到达缺陷中心时，点M的接触应力随着缺陷尺寸的增加而增加，剪应力也随之增加。因此，400 μm缺陷的点M处剪应力大于200 μm缺陷的点M处剪应力。随着缺陷尺寸的增加，缺陷底部的应力集中逐渐缓解。因此，当缺陷尺寸从200 μm增加至400 μm，最大剪应力幅值出现的位置从缺陷底部(点B)转移至缺陷中部附近的材料上(点M)，滚动接触疲劳裂纹的萌生位置也随之转移。

3.3 疲劳分析方法

基于有限元分析结果，根据多轴疲劳准则对车轮试样可能发生疲劳失效的危险点进行疲劳评估[10-12]。由于剪切应变是衡量轮轨接触疲劳损伤的主要参量，因此使用下式[13-14]评估各危险点的疲劳寿命：

(1)

表3所示为由低周疲劳试验获取的车轮钢材料参数。

表3 材料参数Table 3 Material parameters

图13所示为各个点以200 μm缺陷底部(点B)为基准计算的寿命。从计算结果来看，含200 μm缺陷试样的危险点(即疲劳寿命最短点)位于缺陷底部(点B)，而含400 μm缺陷试样的危险点位于缺陷中部附近(点M)，该计算结果与试验结果相符。此外，200 μm缺陷点B接触疲劳寿命低于400 μm缺陷点M的寿命，这与试验结果矛盾。从图7可见，虽然200 μm试样经过了预滚压处理，但是缺陷边缘材料由于缺少约束仍然会发生塑性变形，从而使孔状缺陷侧面与底面的夹角由直角变为圆角。因此，缺陷底部的应力集中程度将得到大幅度缓解，疲劳寿命也将随之增加。在仿真计算中考虑上述影响，需要建立圆角过渡的三维有限元模型，并进一步细化网格尺寸。文中由于计算能力的限制，未能考虑该影响因素，因此得到的含200 μm缺陷试样的疲劳寿命偏短。