CL60車輪材料多軸疲勞壽命與損傷行為研究

摘 要：

為研究車輪材料拉－扭多軸疲勞壽命及損傷行為，利用MTS拉扭疲勞實驗機開展拉－扭多軸疲勞試驗，分析疲勞試樣斷口宏觀和微觀形貌、表面和剖面損傷等，探究載荷幅值對拉－扭多軸疲勞壽命及損傷的影響。結果表明：多軸疲勞壽命與載荷幅值成反比。疲勞試樣斷口由裂紋擴展區和瞬斷區兩個部分組成，裂紋擴展區呈現大量放射性裂紋，微觀形貌為解理扇形河流花樣，為典型脆性斷裂；瞬斷區微觀下觀察到大量韌窩，載荷幅值越小韌窩越大，且其邊界越不明顯，由韌性斷裂特征向韌脆準解理混合斷裂特征過渡。表面疲勞微裂紋平均寬度隨著載荷幅值的增大而減小，平均擴展角度整體也呈減小趨勢。

1 試樣制備與試驗方法

本試驗選用材料為CL60車輪，化學成分如表1所示，顯微組織由均勻分布的鐵素體和珠光體混合組成。試樣設計遵循GB/T 3075－2021及GB/T 12443－2017標準，試樣長度為125 mm，直徑為15 mm，測試段長度為10 mm，直徑為8.5 mm，表面粗糙度約為0.2 μm，實測硬度為320 HV0.5。

試驗在室溫下進行，使用MTS拉扭疲勞實驗機，加載頻率為5 Hz，采用正弦波等幅加載，軸向力控制，切向扭矩控制。試驗參數模擬不同軸重（21 t、23.5 t、25 t、30 t）下的最大接觸應力，軸向載荷分別為44.1 kN、46.7 kN、48.1 kN、52.7 kN，切向載荷分別為37.5 N·m、39.7 N·m、40.9 N·m、44.8 N·m，應力比為0.4，相位差為0。

2 試驗結果與討論

2.1 載荷幅值對多軸疲勞壽命的影響

試驗結果表明，拉-扭多軸疲勞壽命隨載荷幅值的增大而減小。軸向載荷從44.1 kN增大到52.7 kN時，平均疲勞壽命從約194360循環周次減少到約43360循環周次。這是由于正應力主導裂紋擴展，載荷越大，裂紋擴展越快，壽命越短。

2.2 多軸疲勞損傷分析

2.2.1 斷口損傷宏觀分析

疲勞試樣斷口由裂紋擴展區和瞬斷區組成。裂紋擴展區顏色較亮，呈放射性裂紋；瞬斷區顏色較深，呈扇形。隨著載荷幅值增大，瞬斷區面積逐漸減小（從9.2 mm2降至4.5 mm2），裂紋擴展區與瞬斷區高度差也減小（從2900 μm降至2000 μm）。

2.2.2 斷口損傷微觀分析

裂紋擴展區微觀形貌為典型的解理扇形河流花樣，屬脆性斷裂；瞬斷區存在大量韌窩，隨載荷幅值減小，韌窩變大、變淺，邊界模糊，斷裂形式由韌性向韌脆混合過渡。

2.2.3 表面損傷

表面疲勞微裂紋數量隨載荷幅值增大而增多，平均寬度和擴展角度逐漸減小。44.1 kN時平均寬度為1164.5 μm，擴展角度為38.5°；52.7 kN時分別降至252.2 μm和22.2°。

2.2.4 剖面損傷

剖面觀察顯示，微裂紋多呈大角度向試樣中心擴展，深度普遍小于20 μm，僅少數裂紋擴展較深。擴展角度隨載荷幅值增大而增大。

3 結論

（1）載荷幅值越大，多軸疲勞壽命越短，最大載荷52.7 kN時壽命降至約43360次。

（2）斷口由裂紋擴展區（脆性斷裂）和瞬斷區（韌性向韌脆混合過渡）組成；瞬斷區面積隨載荷增大而減小。

（3）表面微裂紋數量隨載荷增大而增多，平均寬度和擴展角度均減小。

（4）剖面裂紋擴展角度呈大角度，隨載荷增大角度增大，裂紋深度普遍小于20 μm。

文章來源：doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.007