CL60车轮材料多轴疲劳寿命与损伤行为研究

摘 要：

为研究车轮材料拉－扭多轴疲劳寿命及损伤行为，利用MTS拉扭疲劳实验机开展拉－扭多轴疲劳试验，分析疲劳试样断口宏观和微观形貌、表面和剖面损伤等，探究载荷幅值对拉－扭多轴疲劳寿命及损伤的影响。结果表明：多轴疲劳寿命与载荷幅值成反比。疲劳试样断口由裂纹扩展区和瞬断区两个部分组成，裂纹扩展区呈现大量放射性裂纹，微观形貌为解理扇形河流花样，为典型脆性断裂；瞬断区微观下观察到大量韧窝，载荷幅值越小韧窝越大，且其边界越不明显，由韧性断裂特征向韧脆准解理混合断裂特征过渡。表面疲劳微裂纹平均宽度随着载荷幅值的增大而减小，平均扩展角度整体也呈减小趋势。

1 试样制备与试验方法

本试验选用材料为CL60车轮，化学成分如表1所示，显微组织由均匀分布的铁素体和珠光体混合组成。试样设计遵循GB/T 3075－2021及GB/T 12443－2017标准，试样长度为125 mm，直径为15 mm，测试段长度为10 mm，直径为8.5 mm，表面粗糙度约为0.2 μm，实测硬度为320 HV0.5。

试验在室温下进行，使用MTS拉扭疲劳实验机，加载频率为5 Hz，采用正弦波等幅加载，轴向力控制，切向扭矩控制。试验参数模拟不同轴重（21 t、23.5 t、25 t、30 t）下的最大接触应力，轴向载荷分别为44.1 kN、46.7 kN、48.1 kN、52.7 kN，切向载荷分别为37.5 N·m、39.7 N·m、40.9 N·m、44.8 N·m，应力比为0.4，相位差为0。

2 试验结果与讨论

2.1 载荷幅值对多轴疲劳寿命的影响

试验结果表明，拉-扭多轴疲劳寿命随载荷幅值的增大而减小。轴向载荷从44.1 kN增大到52.7 kN时，平均疲劳寿命从约194360循环周次减少到约43360循环周次。这是由于正应力主导裂纹扩展，载荷越大，裂纹扩展越快，寿命越短。

2.2 多轴疲劳损伤分析

2.2.1 断口损伤宏观分析

疲劳试样断口由裂纹扩展区和瞬断区组成。裂纹扩展区颜色较亮，呈放射性裂纹；瞬断区颜色较深，呈扇形。随着载荷幅值增大，瞬断区面积逐渐减小（从9.2 mm²降至4.5 mm²），裂纹扩展区与瞬断区高度差也减小（从2900 μm降至2000 μm）。

2.2.2 断口损伤微观分析

裂纹扩展区微观形貌为典型的解理扇形河流花样，属脆性断裂；瞬断区存在大量韧窝，随载荷幅值减小，韧窝变大、变浅，边界模糊，断裂形式由韧性向韧脆混合过渡。

2.2.3 表面损伤

表面疲劳微裂纹数量随载荷幅值增大而增多，平均宽度和扩展角度逐渐减小。44.1 kN时平均宽度为1164.5 μm，扩展角度为38.5°；52.7 kN时分别降至252.2 μm和22.2°。

2.2.4 剖面损伤

剖面观察显示，微裂纹多呈大角度向试样中心扩展，深度普遍小于20 μm，仅少数裂纹扩展较深。扩展角度随载荷幅值增大而增大。

3 结论

（1）载荷幅值越大，多轴疲劳寿命越短，最大载荷52.7 kN时寿命降至约43360次。

（2）断口由裂纹扩展区（脆性断裂）和瞬断区（韧性向韧脆混合过渡）组成；瞬断区面积随载荷增大而减小。

（3）表面微裂纹数量随载荷增大而增多，平均宽度和扩展角度均减小。

（4）剖面裂纹扩展角度呈大角度，随载荷增大角度增大，裂纹深度普遍小于20 μm。

文章来源：doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.007