摘 要:對(duì)不同工藝車削加工的 EA４T 車軸鋼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),研究了車削加工工藝對(duì)該鋼疲勞性能的影響.結(jié)果表明:在不同車削加工工藝下,試驗(yàn)鋼軸向殘余壓應(yīng)力的最大值與最小值相差５０MPa,周向殘余拉應(yīng)力的最大值與最小值相差２５MPa,車削加工工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響不大;不同車削加工工藝下試驗(yàn)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(duì)表面粗糙度的影響不大;當(dāng)表面粗糙度小于０．８μm 時(shí),車削加工工藝對(duì)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),且均只有一個(gè)裂紋源,疲勞裂紋都是在表面較深車痕的根部萌生并向內(nèi)擴(kuò)展.

關(guān)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(hào):TG１７８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０４Ｇ００６２Ｇ０６

０ 引 言

車軸是列車行走機(jī)構(gòu)的核心部件之一,在行駛過程中承受著軌道和轉(zhuǎn)向架列車懸掛系統(tǒng)的復(fù)雜隨機(jī)旋轉(zhuǎn)、彎曲、扭轉(zhuǎn)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(jī)車車輛,這是因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)速的提高會(huì)增大車軸承受的水平和垂直動(dòng)載荷,因而高速列車的發(fā)展對(duì)車軸的性能提出了更高的要求[１Ｇ４].通過對(duì)車軸損傷原因進(jìn)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(guān)車軸疲勞性能的研究報(bào)道較多,研究?jī)?nèi)容主要包括車軸的疲勞設(shè)計(jì)、疲勞壽命的試驗(yàn)與機(jī)理研究、疲勞壽命的影響因素、疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展及疲勞壽命的預(yù)測(cè)等[７Ｇ１０],但有關(guān)車削加工工藝對(duì)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(duì)象,對(duì)不同工藝車削加工的車軸鋼試樣進(jìn)行了四點(diǎn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),探討了車削加工工藝對(duì)其疲勞性能的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼為 EA４T 車軸鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)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(jī)械混合物,如圖１所示.車軸的表面性能對(duì)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(duì)試樣表面進(jìn)行處理,工藝參數(shù)如表１所示,加工結(jié)束后試樣的形狀和尺寸如圖３所示.

采用 ProtoiXRD型 X射線應(yīng)力儀測(cè)不同工藝參數(shù)下試樣表面的殘余應(yīng)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(cè)其 軸 向 、周 向 的 殘 余 應(yīng) 力 ,每 種 工 藝 參 數(shù) 下 測(cè)５個(gè)試樣,取平均值.采用便攜式SURTRONIC２５

型粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)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(cè) ５ 個(gè) 試 樣 取 平 均 值.按 照GB/T４３３７—２０１５,在 國(guó) 產(chǎn) PQＧ６ 型 旋 轉(zhuǎn) 彎 曲 疲 勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),采用四點(diǎn)加力方法,旋轉(zhuǎn)速度３００r??min－１,應(yīng)力比為－１,采用升降法測(cè)不同工藝車削加工試樣的疲勞極限;隨后以１５MPa作為應(yīng)力增量,選取５個(gè)應(yīng)力水平,在每一應(yīng)力水平下測(cè)得４個(gè)有效試樣的疲勞壽命,取中間２個(gè)疲勞壽命,采用最小二乘法擬合得 到 SＧN 曲線,該曲線平臺(tái)對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 表面殘余應(yīng)力及表面粗糙度

車削加工表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機(jī)械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān),也與熱應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)[１１],這是由于隨著車削加工轉(zhuǎn)速的增加,材料既存在應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng),同時(shí)又存在溫度軟化效應(yīng),因此車削加工后材料的表面應(yīng)力狀態(tài)是機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用的結(jié)果.由圖４可知,當(dāng)車削深度與進(jìn)給速度相同時(shí),轉(zhuǎn)速越大,周向殘余拉應(yīng)力越大,軸向殘余壓應(yīng)力越小,此時(shí)熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用;當(dāng)轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度相同時(shí),切削深度越深,周向殘余拉應(yīng)力越小,軸向殘余壓應(yīng)力越大;不同工藝車削軸向殘余壓應(yīng)力的最大值與最小值相差５０ MPa,周向殘余拉應(yīng)力的最大值與最小值相差２５MPa,因此車削加工工藝對(duì)試樣殘余應(yīng)力的影響不大.

圖４ 不同車削工藝參數(shù)下試樣的殘余應(yīng)力

Fig．４ Residualstressesofsamplesunderdifferentturningprocesses

由表２可知:當(dāng)切削深度和進(jìn)給速度相同時(shí),轉(zhuǎn)速越大,試樣表面粗糙度越小,這是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度一定時(shí),減小切 削深度可以降低表面粗糙度,這是因?yàn)闇p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(duì)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(shì)基本一致,隨著循環(huán)應(yīng)力水平的降低,試樣的疲勞壽命逐漸升高,并且在拐點(diǎn)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(dāng)表面粗糙度小于０．８μm 時(shí),車削加工工藝對(duì)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),疲勞斷口中均只有一個(gè)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?yàn)樵谛D(zhuǎn)彎曲過程中,試樣承受著拉壓應(yīng)力的循環(huán)作用,當(dāng)裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時(shí),該區(qū)域被磨平,同時(shí)裂紋萌生后開始緩慢向內(nèi)部擴(kuò)展,并且試樣所受拉應(yīng)力從表面到中心逐漸減小,裂紋向外擴(kuò)展比向內(nèi)擴(kuò)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(gè)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(gè)凹坑中.

２．４ 表面形貌

由圖８可以看出:遠(yuǎn)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(yīng)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(jié)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(zhǎng)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(nèi)擴(kuò)展的.

３ 結(jié) 論

(１)在不同切削加工工藝下,EA４T 車軸鋼軸向殘余壓應(yīng)力的最大值與最小值相差５０MPa,周向殘余拉應(yīng)力的最大值與最小值相差２５MPa,車削加工工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響不大;不同車削加工工藝下試驗(yàn)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(duì)表面粗糙度的影響不大.

(２)當(dāng)試驗(yàn)鋼表面粗糙度小于０．８μm 時(shí),車削加工工藝對(duì)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),疲勞斷口中均只有一個(gè)裂紋源,疲勞裂紋都是在表面較深車痕的根部萌生并向內(nèi)擴(kuò)展.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2018年 > 4期 > pp.62）