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(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬斷區(qū),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(tǒng)的復雜隨機旋轉、彎曲、扭轉載荷.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(fā)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(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(shù)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(shù)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(shù) 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(shù)下試樣的表面粗糙度,每種工 藝 參 數(shù) 下 測 ５ 個 試 樣 取 平 均 值.按 照GB/T４３３７—２０１５,在 國 產(chǎn) 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(chǎn)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(tài)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(shù)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(chǎn)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(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０．８μm,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(huán)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(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬斷區(qū),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(qū)存在放射性的河流花樣,表面比較光滑且呈月牙形,這是因為在旋轉彎曲過程中,試樣承受著拉壓應力的循環(huán)作用,當裂紋向內部擴展時,該區(qū)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(qū)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(fā)現(xiàn)一個裂紋源,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(qū)域存在黏著剝落形貌特征和極少數(shù)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(fā)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(xiàn)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(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬斷區(qū),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.