轨道车辆车体用Q460ME 钢板疲劳性能研究

2022-05-20何永强金希红陈道云

华东交通大学学报 2022年2期

何永强，金希红，朱卫，肖乾，陈道云

（1. 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001；2. 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲 412001；3. 华东交通大学机电与车辆工程学院，江西南昌 330013；4. 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西南昌 330013；5. 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌 330013）

随着铁路运营里程的逐年增加，轨道车辆结构运行的安全性得到越来越多的关注[1-4]，如何从材料的角度根本性掌握其疲劳可靠性成为各大车辆主机厂面临的现实问题。与其它破坏形式不同，疲劳破坏具有较强的隐蔽性和突发性，因而获取具有足够可靠度的材料疲劳性能数据将对最终的车辆结构定型生产制造起到决定性的作用[5-15]。郭宏超等[16]对Q690D 高强钢的疲劳性能进行试验研究，拟合了母材的S-N 设计曲线并与现行规范进行比较，结果表明：Q690D 母材与普通钢材相比表现出较高的疲劳抗力，利用扫描电镜分析了不同阶段断口的微观形貌特征，基于零塑性累积应变率假设得到疲劳损伤公式，断口形貌反映了试件的疲劳损伤发展过程，损伤曲线又很好地解释了断口的形成机理。李浩哲等[17]采用成组法和升降法,对板厚0.8 mm 的SUS301L-DLT 与板厚2 mm 的EN1.4318+2G 轨道车辆用不锈钢激光搭接焊接头分别在室温空气环境、低温空气环境和腐蚀环境中进行疲劳试验，结果表明：在循环寿命为1×107次条件下，低温环境的疲劳强度比室温空气环境提高57.8%，而在盐溶液腐蚀环境中接头疲劳强度降低25.5%。康澜等[18]开展了Q690D 高强钢的高周疲劳试验，拟合出Q690D 高强钢的疲劳曲线，结果表明：Q690D 高强钢的疲劳性能远高于普通钢，且比美国钢结构规范（ANSI/AISC 360-10）和欧洲钢结构规范（BSEN 1993-1-9）的计算值要大，说明规范计算值偏保守，钢材的疲劳曲线与其屈服强度高度相关且离散性很强。田长亮等[19]采用INSTRON 材料疲劳试验机对车钩E 级铸钢进行了低周疲劳试验，得到了E 级铸钢材料的疲劳过渡寿命，在应变幅控制下材料随着循环次数增加出现了循环软化现象。经数据拟合，得到了Manson-Coffin 方程、应变-循环周次关系、循环应力-应变曲线、塑性应变-寿命双对数曲线。

当前，诸多型号钢种的疲劳数据都是通过查阅诸如DVS1612-2014 等国外标准得到的，然而即使对于同一屈服强度标号的钢材而言，国外和国内生产的钢材在疲劳性能的表现上仍有不小差异。当前我国生产的轨道车辆结构钢材已实现了国产化，因而有必要对各规格的轨道车辆用国产钢材进行系统性的疲劳试验，获取材料疲劳性能的“第一手”数据，用于指导轨道车辆结构的抗疲劳设计。

为此，本文对轨道车辆车体结构常用的Q460ME高强钢进行了不同板厚的疲劳性能测试，获取关键疲劳性能参数，对疲劳试样的断口进行宏观和微观层面的断口分析，所得结果可为今后轨道车辆车体结构强度设计提供重要的参考。

1 试验材料与设备

本次试验以某型轨道车辆车体结构的Q460ME钢板为试验材料，选取2 种常用板厚（5，8 mm）的钢板加工成疲劳试样，试样的尺寸依据ISO 1099-2017标准设计，如图1 所示。试验设备为MTS Landmark电液伺服疲劳试验机，最大加载载荷为100 kN，最高加载频率100 Hz，本次试验采用轴向加载的方式，应力比为-0.1，频率为60 Hz。

2 试验方法

2.1 条件疲劳极限测试

对于钢材母材而言，条件疲劳极限对应的循环次数通常选1×107次[20]，采用“升降法”[21]进行测试，第一根试样选用较高的应力水平，随后试样的应力水平取决于前一根试样的试验结果，凡前一根试样未达到指定寿命发生破坏，则随后的一次试验在低一级的应力水平下进行；凡前一根试样越出，则随后的一次试验在高一级的应力水平下进行，直至升降图“闭合”，闭合的条件是：根据有效数据点的终点为越出或破坏，可设想依次试验的某一应力水平还应存在一待定数据点，若该点与有效数据的起点位于同一应力水平上，则表示闭合，相邻两个应力级间的应力增量通常选为预计疲劳极限的5%以内，经计算，本次升降法试验的应力增量取10 MPa。

中值疲劳强度可由子样平均值来估计，中值疲劳强度估计量为

式中：p 为存活率；up为与存活率相关的标准正态偏量，可通过查表获得；β 为标准差修正因数，可通过查表获得。

2.2 应力集中修正

本文研究所用的钢板试样具有明显的过渡圆弧，由于截面变化不均匀，在过渡圆弧的根部存在应力集中现象，导致疲劳试样的断裂位置均位于存在应力集中的过渡圆弧根部，实际试验时断裂位置处的应力比数据记录的应力值要大，这就需要用应力集中系数进行修正，以确保最终测试得到的P-S-N 曲线能够真实反映材料的疲劳性能。对于常见的缺口型结构，通过查阅《应力集中系数手册》便可得到相对应的应力集中系数，而对于本文研究的带台肩圆角的板形零件而言，《应力集中系数手册》并未直接给出相应的应力集中系数，因而需要通过仿真手段加以确定。

为了验证仿真的准确性，现以《应力集中系数手册》中标准的两侧各有一半圆缺口试件为例进行有限元仿真（如图2 所示），半圆弧半径为20 mm，夹持端宽度为60 mm，板材厚度为5 mm，试件一端约束，另一端施加轴向拉伸静载荷10 kN，理论计算可得试件中间处的名义应力为100 MPa，而仿真后该位置处的最大应力为131.8 MPa，因而仿真得到的应力集中系数为1.318，而通过查询《应力集中系数手册》可得该试件的应力集中系数为1.30，与仿真结果基本一致，从疲劳强度的角度而言，《应力集中系数手册》中的应力集中系数值偏保守。

进一步以本文的5 mm 板状试样为例，进行静态拉伸仿真分析。由有限元仿真基本理论可知，网格密度大小将对仿真结果产生一定影响，通常来说，网格密度越大，仿真结果越准确，但由此导致的仿真计算时间也将变长。选取1 mm 和0.5 mm 网格尺寸对试样模型进行网格划分，划分后的局部细节如图3 所示。

图3 2 种网格尺寸的试样有限元模型Fig.3 Finite element models of specimens with two mesh sizes

施加轴向载荷10 kN，计算得到1 mm 和2 mm网格尺寸模型过渡圆弧根部的最大应力分别为126.7 MPa 和129.4 MPa，如图4 所示。不考虑应力集中时的该位置名义应力为100 MPa，因而仿真计算得到的试样应力集中系数分别为1.267 和1.294，由此可见，网格大小在1 mm 以下时的应力集中系数仿真结果相差不大。按照偏保守的设计思想，结合上一根试件的仿真和手册数据等比例换算，本文试件的应力集中系数确定为1.25。除特殊说明，本文后续图表中的应力值均为应力集中修正后的应力值。

图4 试验用试件的静拉伸应力响应Fig.4 Static tensile stress response of test specimen

3 条件疲劳极限试验结果

因数据保密要求，文中部分应力结果以符号形式给出，数据处理所用的方法可供读者参考借鉴。

对2 种规格试样的升降法测试数据绘制升降图，如图5 所示（“X”表示“断裂”，“O”表示“未断裂”）。由图5 可见，2 张升降图均闭合且子样对的数量均为7，结合式(1)～式(3)可计算得到不同存活率及置信度下的条件疲劳极限。 DVS1612 标准中的疲劳极限值给出的是循环应力中的最大值，而本文研究过程中的应力值选取的是应力半幅值，为了将试验结果与DVS1612 标准进行比较，需要将循环应力的应力半幅值转化为应力最大值，转换关系按照循环应力比公式及应力半幅值计算公式推导而来，如下

图5 条件疲劳极限升降图Fig.5 Lifting diagram of conditional fatigue limit

式中：σmax为应力最大值；σa为应力幅值；Rσ为循环应力比。 DVS1612 标准中的疲劳极限值是以MKJ图的形式给出的，MKJ 图的横坐标为循环应力比，纵坐标为循环应力最大值，各曲线计算如下

式中：x 为MKJ 曲线的指数值。

不同规格试样的MKJ 曲线指数值是不同的，可以通过试验结果反推得到。例如，本文试验的循环应力比为-0.1，将指定存活率及置信度的疲劳极限值及循环应力比代入式（5），可反求出MKJ 曲线的指数值，如表1 所示。

表1 DVS1612 标准中MKJ 曲线的指数值xTab.1 Index value x of MKJ curve in DVS1612 standard

选取全范围内的应力比（-1～1）并代入式(5)，可求得MKJ 曲线上的各点纵坐标值，进而可绘制出整条MKJ 曲线。 DVS1612 标准中只给出了2 种材料的MKJ 曲线（存活率为99.5%），即S355 钢及S235钢，本文选取S355 钢的母材MKJ 曲线作为参照，将5，8 mm 厚度钢板在不同存活率及不同置信度下的MKJ 曲线绘制在一张图中，如图6 所示。

图6 试验值与DVS1612 标准的MKJ 曲线对比Fig.6 Comparison between test value and MKJ curve of DVS1612 standard

由图6 可见，各规格试样在不同存活率及置信度下的疲劳强度均随着循环应力比的增加而增大，其中：在相同的存活率及置信度下，疲劳强度值随着板厚的增加而降低，这与疲劳强度的“尺寸效应”[22]相吻合；同一板厚的疲劳强度值随着存活率的增加而降低，这与疲劳可靠性的统计学原理相吻合。

4 断口分析

对2 种板厚的疲劳试样进行断口分析，其中：宏观断口由光学相机拍摄，裂纹扩展区及韧窝瞬断区由扫描电镜拍摄，如图7 所示。

由图7 可见，各板厚规格的疲劳试样断口均可见明显的裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区，疲劳裂纹源发生于矩形截面表面拐角处且为单裂纹源，裂纹扩展区有明显的“海滩状”疲劳辉纹，疲劳辉纹基本上是一系列分布均匀的条纹，整体呈扇形分布，与裂纹局部扩展方向垂直，每条疲劳辉纹均代表一次载荷循环。图中的韧窝瞬断区电镜观察结果表明瞬断区为韧性断裂，反映了试样良好的韧性特征。