摘 要:對不同工藝車削加工的 EA４T 車軸鋼進行旋轉彎曲疲勞試驗,研究了車削加工工藝對該鋼疲勞性能的影響.結果表明:在不同車削加工工藝下,試驗鋼軸向殘余壓應力的最大值與最小值相差５０MPa,周向殘余拉應力的最大值與最小值相差２５MPa,車削加工工藝對殘余應力的影響不大;不同車削加工工藝下試驗鋼表面粗糙度均小于０．８μm,且表面粗糙度的最大值與最小值相差０．１５μm,車削加工工藝對表面粗糙度的影響不大;當表面粗糙度小于０．８μm 時,車削加工工藝對疲勞壽命的影響不大;疲勞斷口均分為裂紋源區、裂紋穩態擴展區和瞬斷區,且均只有一個裂紋源,疲勞裂紋都是在表面較深車痕的根部萌生并向內擴展.
關鍵詞:EA４T 車軸鋼;車削加工工藝;疲勞裂紋源;粗糙度
中圖分類號:TG１７８ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０４Ｇ００６２Ｇ０６
０ 引 言
車軸是列車行走機構的核心部件之一,在行駛過程中承受著軌道和轉向架列車懸掛系統的復雜隨機旋轉、彎曲、扭轉載荷.車軸損傷是列車發生重大事故的重要原因,特別是高速機車車輛,這是因為車輪轉速的提高會增大車軸承受的水平和垂直動載荷,因而高速列車的發展對車軸的性能提出了更高的要求[１Ｇ４].通過對車軸損傷原因進行分析后可知,
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[５Ｇ６].目前,有關車軸疲勞性能的研究報道較多,研究內容主要包括車軸的疲勞設計、疲勞壽命的試驗與機理研究、疲勞壽命的影響因素、疲勞裂紋的萌生與擴展及疲勞壽命的預測等[７Ｇ１０],但有關車削加工工藝對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 對象,對不同工藝車削加工的車軸鋼試樣進行了四點旋轉彎曲疲勞試驗,探討了車削加工工藝對其疲勞性能的影響.
１ 試樣制備與試驗方法
試驗用鋼為 EA４T 車軸鋼,其化學成分(質量分數/％)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.試驗鋼的熱處理狀態為淬火＋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械混合物,如圖１所示.車軸的表面性能對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０．８μm 的前提下,采用４種車削加工工藝對試樣表面進行處理,工藝參數如表１所示,加工結束后試樣的形狀和尺寸如圖３所示.
采用 ProtoiXRD型 X射線應力儀測不同工藝參數下試樣表面的殘余應力,采用銅靶,Kα 射線,管電壓２０kV,管電流４mA,在試樣截面上每隔９０°測其 軸 向 、周 向 的 殘 余 應 力 ,每 種 工 藝 參 數 下 測５個試樣,取平均值.采用便攜式SURTRONIC２５
型粗糙度測量儀測不同工藝參數下試樣的表面粗糙度,每種工 藝 參 數 下 測 ５ 個 試 樣 取 平 均 值.按 照GB/T４３３７—２０１５,在 國 產 PQＧ６ 型 旋 轉 彎 曲 疲 勞試驗機上進行旋轉彎曲疲勞試驗,采用四點加力方法,旋轉速度３００r??min－１,應力比為－１,采用升降法測不同工藝車削加工試樣的疲勞極限;隨后以１５MPa作為應力增量,選取５個應力水平,在每一應力水平下測得４個有效試樣的疲勞壽命,取中間２個疲勞壽命,采用最小二乘法擬合得 到 SＧN 曲線,該曲線平臺對應的應力水平即為疲勞極限.采用ZeissSupra５５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.
２ 試驗結果與討論
２．１ 表面殘余應力及表面粗糙度
車削加工表面殘余應力的產生既與機械應力所造成的塑性變形有關,也與熱應力所造成的塑性變形有關[１１],這是由于隨著車削加工轉速的增加,材料既存在應變強化、應變速率強化效應,同時又存在溫度軟化效應,因此車削加工后材料的表面應力狀態是機械應力和熱應力綜合作用的結果.由圖４可知,當車削深度與進給速度相同時,轉速越大,周向殘余拉應力越大,軸向殘余壓應力越小,此時熱應力起主導作用;當轉速與進給速度相同時,切削深度越深,周向殘余拉應力越小,軸向殘余壓應力越大;不同工藝車削軸向殘余壓應力的最大值與最小值相差５０ MPa,周向殘余拉應力的最大值與最小值相差２５MPa,因此車削加工工藝對試樣殘余應力的影響不大.
圖４ 不同車削工藝參數下試樣的殘余應力
Fig．４ Residualstressesofsamplesunderdifferentturningprocesses
由表２可知:當切削深度和進給速度相同時,轉速越大,試樣表面粗糙度越小,這是因為提高轉速可以減小切屑變形,降低毛刺、鱗刺產生的可能性,從而減小表面粗糙度;當轉速和進給速度一定時,減小切 削深度可以降低表面粗糙度,這是因為減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０．８μm,且表面粗糙度的最大值與最小值相差０．１５μm,因此車削加工工藝對試樣表面粗糙度的影響不大.
２．２ SＧN 曲線
由圖５可以看出:不同車削加工工藝下,SＧN 曲線的變化趨勢基本一致,隨著循環應力水平的降低,試樣的疲勞壽命逐漸升高,并且在拐點前SＧN 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３８２．５,３７４．５,３８５．５,３８４．０MPa.由此可以得出,當表面粗糙度小于０．８μm 時,車削加工工藝對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、裂紋穩態擴展區和瞬斷區,疲勞斷口中均只有一個裂紋源,并且裂紋都起源于試樣表面附近;裂紋源區存在放射性的河流花樣,表面比較光滑且呈月牙形,這是因為在旋轉彎曲過程中,試樣承受著拉壓應力的循環作用,當裂紋向內部擴展時,該區域被磨平,同時裂紋萌生后開始緩慢向內部擴展,并且試樣所受拉應力從表面到中心逐漸減小,裂紋向外擴展比向內擴展更加容易,因此該區域呈月牙形.
由圖７可知:４種車削工藝下試樣斷口上均只發現一個裂紋源,裂紋源區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凹坑中.
２．４ 表面形貌
由圖８可以看出:遠離疲勞斷口處,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４０μm,其間分布著間距約１μm的較淺車痕,局部區域存在黏著剝落形貌特征和極少數沿車痕開裂的裂 紋;近 斷 口 處,試 樣 表 面 較 深 車 痕 間 距 約４０μm,在較深車痕處發生了開裂,這是由于試樣表面深車痕處的應力集中最大,最易萌生裂紋,且開裂寬度隨距斷口距離的增大而減小.由圖 ９ 可 知:試 樣 表 面 最 深 車 痕 的 間 距 約 為４０μm,這和圖８的分析結果一致;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了裂紋,裂紋的長度約２μm.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擴展的.
３ 結 論
(１)在不同切削加工工藝下,EA４T 車軸鋼軸向殘余壓應力的最大值與最小值相差５０MPa,周向殘余拉應力的最大值與最小值相差２５MPa,車削加工工藝對殘余應力的影響不大;不同車削加工工藝下試驗鋼的表面粗糙度均小于０．８μm,且表面粗糙度的最大值與最小值相差０．１５μm,車削加工工藝對表面粗糙度的影響不大.
(２)當試驗鋼表面粗糙度小于０．８μm 時,車削加工工藝對疲勞壽命的影響不大;疲勞斷口均分為裂紋源區、裂紋穩態擴展區和瞬斷區,疲勞斷口中均只有一個裂紋源,疲勞裂紋都是在表面較深車痕的根部萌生并向內擴展.