温度对高速车轮钢断裂韧性的影响

温度对高速车轮钢断裂韧性的影响

服务期间，车轮上的木材温度必须变化，尤其是中国北方的低温气温下降到-40c。因此车轮钢在低温下的性能,特别是断裂韧性不仅关系到高速列车运行的安全,还对高速铁道车辆车轮的设计及材料的选择产生重要影响。金属材料尤其是体心立方金属材料的力学性能对温度具有较高的敏感性,目前关于温度对金属材料韧性影响的研究更多集中在缺口冲击韧性方面,并建立了韧脆转变理论;但关于温度对金属材料断裂韧性的影响还未建立起可供广泛工程应用的理论。大量的研究表明,材料的断裂韧性一般随温度的降低而降低,而且温度会导致不同材料的断裂机制发生不同的变化,因此温度与材料的断裂韧性之间存在一定的复杂性关系。工程上,既需要对高速车轮钢的低温断裂韧性进行评价,从而为高速车轮钢材料的设计提供指导;另一方面又迫切需要掌握高速车轮钢的断裂韧性随温度变化的规律,为预测高速车轮钢的低温断裂韧性提供理论基础。近年来,在Weibull分布基础上发展起来的MasterCurve方法被逐渐应用于描述和预测材料断裂韧性随温度的变化并取得了良好的效果。该方法主要适用于屈服应力在275~825MPa内具有铁素体体心立方结构的碳钢和合金钢,这类钢的典型微观组织包括铁素体、珠光体、回火马氏体和回火贝氏体,具有断裂韧性随温度呈韧脆转变的特性。但目前关于MasterCurve方法对车轮钢断裂韧性随温度变化的预测效果,以及温度对高速车轮钢断裂韧性的影响尚未见报道,还不能通过常温断裂韧性试验合理预测高速车轮钢的低温断裂性能。本文通过裂纹试样研究温度对高速车轮钢断裂韧性影响的规律及其对断裂机理的影响,为预测高速车轮钢的低温性能及服役安全评价提供依据。1拉伸试验测试试验所用的材料为按照《CA250EMU动车组整体车轮技术规范》生产的国产轧制高速车轮钢,其中C,Si,Mn,P,S,Cr,Ni和Als(酸溶铝)元素的质量百分数分别为0.54%,0.25%,0.73%,0.005%,0.003%,0.24%,0.17%和0.024%,其余为Fe元素。进行拉伸、断裂韧性及冲击韧性试验时,试验温度为20,0,-20,-40,-60和-80℃。从车轮轮辋上沿其厚度方向切取直径为8mm的标准圆棒拉伸试样,按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸实验方法》和GB/T13239—2006《金属材料低温拉伸试验方法》,每个试验温度下用3个标准拉伸试样进行拉伸试验,结果取平均值。从车轮轮辋上截取厚度为30mm的断裂韧性紧凑拉伸(CT)试样,CT试样的裂纹面法向与车轮踏面切线平行。将试样置于不同试验温度下在MTS810液压伺服疲劳试验机上按照GB/T4161—2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》进行断裂韧性测试,参考ASTME1921—2005《StandardTestMethodforDeterminationofReferenceTemperature,T0,forFerriticSteelsintheTransitionTemperature》中的单温度测试方法,拟合得到高速车轮钢断裂韧性Master曲线。在车轮轮辋部位取标准Charpy-V型缺口冲击试样,试样长度沿轮辋周向,在不同试验温度下按照GB/T229—2007《金属夏比缺口冲击试验方法》测量高速车轮钢的冲击韧性AKV2。试验用摆锤刀刃半径为2mm,冲击能量为150J,冲击速度为5.2m·s-1,每个试验温度下用3个标准Charpy-V型缺口冲击试样进行试验,结果取平均值。对不同温度下的断裂韧性试样断口在ZeissEVO18扫描电子显微镜(SEM)下进行断口形貌观察。2试验结果和分析2.1温度对屈服应力和强度的影响拉伸试验得到高速车轮钢的屈服应力σp0.2、抗拉强度σm、延伸率A和断面收缩率Z随温度变化曲线,如图1所示。由图1(a)可以看出:屈服应力和抗拉强度随温度的降低而升高,屈服应力由20℃时的595MPa增加到-80℃时的675MPa,增幅约为80MPa;抗拉强度由20℃时的949MPa增加到-80℃时的1070MPa,增幅约120MPa。由图1(b)可以看出:延伸率随温度没有明显的变化,在19%~21%之间;而断面收缩率随温度的降低略有下降,从20℃时的55.5%下降到-80℃时的47.5%。2.2高速车轮钢的断裂韧性试验若试验测得的条件断裂韧性KQ满足平面应变断裂韧性的条件d≥2.5(KQ/σp0.2)2(其中d为试样厚度,KQ为条件断裂韧性),记此时的条件断裂韧性为断裂韧性KIC;否则,则记此时的条件断裂韧性为解理起裂断裂韧性KJC,它由J积分值JC换算得到,为式中:E为弹性模量;ν为泊松比。得到的不同试验温度下高速车轮钢的断裂韧性试验结果,见表1。在不同试验温度下得到的KJC或KIC的平均值及AKV2的平均值如图2所示。由图2可以看出:断裂韧性和冲击韧性的平均值均随温度的降低而降低,断裂韧性平均值由20℃时的86.5MPa·m1/2降低到-80℃时的47.7MPa·m1/2,降幅约为45%;冲击韧性的平均值由20℃时的29.6J降低到-80℃时的8.7J,降幅约为71%。2.3拉拔试验温度和温度对试验材在不同温度下CT试样的断口形貌如图3所示。由图3(a)可以看出:断裂韧性为93.3MPa·m1/2的1-7试样,其断口在疲劳裂纹尖端存在宽度约100μm的延性撕裂区(A区)和解理断裂区(B区)。由图3(b)可以看出:断裂韧性为76.9MPa·m1/2的1-9试样,其断口在疲劳裂纹与解理断裂区之间存在一宽度约20μm的延性撕裂区。由此可见,在相同温度下,断裂韧性不同的CT试样,其延性撕裂区的宽度也不同;断裂韧性越高,延性撕裂区越宽。由图3(c)和(d)可以看出:随着温度的降低,延性撕裂区逐渐变窄,当温度为-40℃时,4-1试样的疲劳裂纹尖端延性撕裂区已经不连续,仅在个别位置存在,且宽度较窄,不超过10μm;在-80℃时,疲劳裂纹尖端没有发现延性撕裂区,试样由疲劳扩展裂纹直接变为解理断裂裂纹。由此可见,随着试验温度不断降低,断口上的延性撕裂区逐渐变窄直至消失,表明在此温度范围内高速车轮钢的断裂处于韧—脆转变区。对解理断裂的研究表明,在一定的断裂模式下,解理断裂的必要条件是裂纹尖端一定范围内的正应力达到断裂应力σf。而σf是一个稳定的材料参数,不随温度、加载速率等外界条件的变化而变化。有限元计算表明,裂纹尖端最大正应力σyy(max)≈3.5σp0.2,可见由于裂纹尖端的应力约束,使最大正应力的变化随屈服应力的3.5倍变化,即Δσyy(max)≈3.5Δσp0.2。当温度较低时,由于屈服应力较高,裂纹尖端的最大正应力容易满足σyy(max)=σf的条件。随着温度的上升,材料的屈服应力下降,使得裂纹尖端满足σyy(max)=σf的条件变得困难,裂纹尖端需要通过塑性变形使材料发生应变强化,从而使裂纹尖端满足σyy(max)=σf的条件,这种塑性变形增加了试样的断裂载荷。因此在较高的试验温度下,裂纹尖端出现由塑性变形引起的延性伸张区较宽。由以上分析可以看出,高速车轮钢的屈服应力随温度的降低而升高,尽管升高幅度不大,但这在高速车轮钢韧脆转变区对于诱发解理起裂却起到至关重要的作用。2.4试验结果的数据处理由于材料在微观组织结构上的不均匀性,以及断裂过程的随机性,使得同一试验条件下不同试样之间的试验结果存在一定的差异。对于断裂韧性试验结果的分散性,可以利用三参数Weibull分布模型建立断裂韧性KJC与累积失效概率Pf之间的关系为式中:为累积失效概率为Pf时对应的断裂韧性;K0为Weibull分布的尺度参数,对应于累积失效概率为63.2%时的断裂韧性;Kmin为Weibull分布的门槛值,通常取20MPa·m1/2;N为有效试样的个数。为保证试样满足弹塑性断裂条件,试样的有效上限值KJC(limit)可以通过下式检验。式中:b0为试样初始韧带的尺寸(即试样宽度b与初始裂纹长度l0之差);M为约束系数,取30。由式(3)可以得出20℃下的KJC(limit)=331MPa·m1/2,远高于试验测量得到的断裂韧性值。由于σp0.2随温度的降低而升高,低温下的有效上限值KJC(limit)更高,而实际测量得到的断裂韧性值则均低于20℃下的断裂韧性值,因此,本试验结果中的数据均为有效数据。由式(2)计算得到K0=88.1MPa·m1/2,并且可得20℃下断裂韧性KJC和累积失效概率Pf之间的关系曲线和失效概率密度曲线如图4所示。由图4可知:试验得到的数据点主要集中在累积失效概率为50%~80%之间;由试验数据绘制的失效概率密度曲线符合以平均值为最大值的正态分布。在不同的累积失效概率Pf下,采用MasterCurve方法预测得到的断裂韧性与温度T的关系为式中:T0为参考温度,℃,一般取50%累积失效概率下的断裂韧性(约等于断裂韧性平均值)为100MPa·m1/2时对应的温度。由式(4)可见,一定累积失效概率下断裂韧性值的预测值只与参考温度T0有关,因此,准确求得T0是MasterCurve方法的关键。由表1可见,在所有温度下的试验数据中,20℃时的断裂韧性平均值最接近100MPa·m1/2,因此选取该温度下的试验数据用于估计参考温度T0。参考温度T0与试验温度T的关系为因K0=88.1MPa·m1/2,则由式(6)可得20℃时50%累积失效概率下的中值断裂韧性KJC(0.5)=82.1MPa·m1/2,由式(5)可得T0=35.6℃。因此式(4)可以表示为则在50%累积失效概率下,采用MasterCurve方法预测得到的断裂韧性与温度T的关系曲线(MasterCurve曲线)为累积失效概率为95%时断裂韧性的上边界KJC(上)为累积失效概率为5%时断裂韧性的下边界KJC(下)为由式(8)—式(10)得到的断裂韧性随温度变化曲线及其上下边界曲线如图5所示。由于MasterCurve方法的有效窗口范围为T0±50℃,因此采用该方法进行预测的最低温度即有效边界仅为-14.4℃,不能满足实际温度(-40℃)的需要。由图5可见:在有效窗口范围内,试验数据落在上下边界范围内;在0℃时,试验数据的最小值与MasterCurve曲线值相当;在较低的试验温度下,采用MasterCurve方法预测得到的断裂韧性过低,与试验值的下限接近。因此,采用MasterCurve方法预测高速车轮钢的低温断裂韧性方面过于保守。综合图2和图5可以看出,高速车轮钢断裂韧性随温度的降低基本呈线性下降,对其进行线性拟合得式(11)为利用已知温度下的断裂韧性预测未知温度下的断裂韧性提供了依据,因此由其可将不同温度下车轮钢的断裂韧性用室温(取25℃)下的断裂韧性值来表征,为式(11)的95%置信度区间所对应的上下边界K′JC(上)和K′JC(下)分别为将式(11)、式(13)和式(14)所表示的线性拟合曲线及其上下边界也绘在图5中。则由图5可见:线性拟合与试验数据吻合很好,83.3%的数据落在拟合曲线的95%置信度区间预测范围内;由于试验温度越高断裂韧性试验值的分散性越大,而且在20℃下的分散性最大,但此温度下66.7%的试验数据也落在预测范围内。3断裂韧性随试验温度的变化(1)20~-80℃下高速车轮钢的断裂韧性和冲击韧性处于韧—脆转变区,且随温度的降低而降低,并且断裂韧性的分散性随温度的降低而减小。(2)温度由20变化至-80℃时,高速车轮钢CT试样的裂纹尖端由裂纹塑性形变强化而导致解理起裂逐渐变为直接解理起裂,这是由于材料的屈服应力随温度的降低而升高,裂纹尖端局部应力更容易达