45#车轴钢疲劳性能试验研究
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（ ） ２ — １ ｉ ｉｅ ｅ ２ ： ７３ ． ｎＣｈ ｎ ｓ ）
［２ 习年生 ，刘 鑫 贵．ＴＴ Ｉ ］ Ｃ 数据 概率 评估 ８ ０ ４ Ｄ车 轮辐板 孔裂纹 扩展 速率 的研究 ［］ Ｊ 。金属 热处理． ２ ０ ，３ （ ０ ７ ２ 增
１ ）：４ ２ ４ ５ ６ －６．
（ Ｉ ａｓ ｅｇ Ｉ ｉｇ ｉ ｒｂ ｂｌｙＥ ｔ ｔ ｎｏ ｒｃ ｒｗ ｈＲ ｔ ｏ ４ Ｄ Ｗｈｅ Ｗｅ ｔ ｌ Ｅ ］ Ｘ ｎｈ ｎ ，Ｌ Ｕ Ｘ ｎ ｕ．Ｐ ｏ ａ ｉｔ ｓｉ ｉ ｎＣ ａｋ Ｇ ｏ ｔ ａｅ ｆ ０ ｅｌ ｂｗｉ ａＨｏｅ Ｊ． Ｎｉ ｉ ｍａ ｏ ８ ｈ
性能进行了研究＿］ ６ ，但是研究关于表面缺损或者 缺 陷对 ４ 车 轴 钢疲 劳性 能 的影 响 还 很 少 见 报 道 。 ５
本文 针 对某生 产批 次 ４ 车轴 钢 开展 非金 属 夹杂 物 ５ 检 验 、室温 拉伸 试验 和旋 转弯 曲疲 劳试 验 ，对 发生 疲 劳破 坏 的试 件 断 口进 行 扫描 电 子 显 微 观 察 和 分
产生疲 劳裂 纹的启裂源 。
关键词 ：车轴钢 ；性 能试验 ；疲劳极限 ；ｓ Ｎ 曲线 ；断 口分析 —
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ２ ７ ：Ｕ２ ０ ３ １ １ ７ ． ３ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
车 轴是 各种 车辆 中涉 及安 全 的重要 运 动和 承载 部 件 。车轴 材料 质量 优劣 对保 证列 车 的安 全运 行起 着 至关 重要 的作 用 ［。 由于车轴 的不断 旋转 ，对 称 】 ］ 循 环载 荷 常 引 起 疲 劳 失 效 。为 确 保 车 辆 的 运 行 安 全 ，车 轴必 须具 有 足够 的疲 劳安全 系 数 。因此 ，对 车 轴材 料 的疲劳 性能 进行 试验 研究 十分 必要 。许 多
按 照标 准 ＧＢ Ｔ ４ ３－ ２０ ／ ３７ ０８中规 定 的方 法 进
行 疲 劳试 验 。试 验 在 Ｐ － ５ ０型 疲 劳 试 验 机 上 ＷＣ １
进行 ，其转 速 为 ５００ｒ ｍｉ～ ，应 力 比 Ｒ 为 一１ ０ ・ ｎ ； 为确保 疲 劳试验 在室 温条件 下进行 ，试 件被 放置 在 循环 油 中 ，通 过保 持 循 环油 的温 度维 持 试 件 温度 。
２ １ 非金属 夹杂物 检验 和室温 拉伸试 验 ． 对试 件 非 金属 夹 杂物 的检 验结 果 表 明 ，４ 车 ５ 轴钢 中的非 金 属 夹 杂 物 主要 为 氧 化 物 ，包 括 Ｄ类 氧化 物 （ 球状 氧 化 物 类 ）和 Ｂ类 氧 化 物 （ 化 铝 氧
２ ３ 断 口截 面 ．
有深度 为 ０ ７ ｎ缺 口的试件 ，其疲 劳极 限应力降低 ４ ，其 ｓ ． ５ｍＩ ４ —Ｎ 曲线左段部分 的斜率更大 ；其 缺 口敏感 系
数 为 ０ ７ ；表面应力集 中是导致光滑试件 萌生疲劳裂纹的原 因；在有缺 口的试件断 口截面上存在多个疲 劳源 区， ．９
裂纹萌 生在 缺 口的前缘 ，而且主要是 由于缺 口处 应力集 中所致 ；较 大尺寸 的非金 属夹杂 物也是 导致车轴 钢可能
２０ ０ ４， ２ （ ） ５ — ６ ｉ ｈ ｎ ｓ ） ５ ５ ： ３５ ． ｎ Ｃ ｉｅ ｅ
［ ］ 季冲平 ，郭晓 民，蒋瞻．圆缺 Ｖ试 件 的疲劳启 裂和低 周疲劳 寿命研 究 Ｉ］ ４ Ｉ － ．上海铁 道大 学学 报 ，１９ ，１ （） ｊ ９８ ９ ８ ：
９１ — ３．
（ ＩＣｈ ｎ ｐｎ ，ＧＵＯ ａ ｍｉ Ｊ ｏ ｇ ｉｇ Ｘｉｏ ｎ，儿ＡＮＧ ｈ ｎ Ｚ ａ ．Ａｎ Ａｎ ｌｓｓｏ ｔ ｕ ａ ｋ Ｉ ｉａｉｎａ ｄ Ｌ ｆ ｔｈ ｄＢａｓ ａｙ ｉ ｆＦａｉ ｅＣｒｃ ｎｔ ｔ ｎ ＣＦ Ｌｉ ｉ Ｎｏｃ ｅ ｒ ｇ ｉ ｏ ｅｎ
钢 光滑 和缺 口试件 的疲 劳极 限应力 Ｏ Ｉ和 ～ 。 ＇Ｇ －
试件 号 （） 口试 件 ｂ缺
图 ２ 升降法测定 ４ ｑ ５ 车轴钢 的疲劳极 限应力
∑Ｎ ｉ ａ
一
弓
（ ）
疲 劳试 验 得到 的 ４ 车 轴钢 Ｓ Ｎ 曲线如 图 ３ ５ — 所示 。 由图 ３可 以看 出 ：缺 口试件 的 Ｓ Ｎ 曲线较 —
试件降低了 ４ 。它们的测定结果如图 ２ ４ 所示。
具体试验步骤如下。
步骤 １ ：采用 成组法 分别 进 行光 滑 试件 和缺 口
试件的四点旋 转弯曲疲劳试验 ，指定循环 次数为 １ ；取 ４ Ｏ次 级应力水平 ，每级取 ４ 根试件 ，其 中 光 滑试件 的第 １ 个应 力 取 ０ ５ａ ，其余应 力 级别 ． ５ｂ
（ Ｉ ａ ｓｅ ｇ Ｚ Ｘ ｎ ｈｎ ， ＨＯＵ ｉｇ ｕ．Ｄｉ ｒ ｕｉｎａｄＰ ｅ ｉ ｉｎｏ ａ ａｉ ｅＦ ｉ ｒｓ［ ３ Ｃ ｉａＲ ｉ ｙＳ ｉ ｃ， Ｎｉ Ｑ ｎ ｙ ｅ ｓ ｉ ｔ ｎ ｒｄｃ ｏ ｆＲ ｉＦ ｔ ｕ ａ ｕｅ Ｊ． ｈｎ ａｗａ ｃ ｎｅ ｔｂ ｏ ｔ ｌ ｇ ｌ ｌ ｅ
２ ３ １ 光 滑试件 断 口截 面 ．．
１ ）宏 观分析
光滑试件断 口典型宏观形貌 如图 ４ 示。图 所
中 ：ａ为疲劳 裂纹 源 区 ；ｂ为疲 劳裂 纹亚 稳扩 展 区 ；
Ｃ为瞬断 区 。
第 ４期
４ 车轴钢疲 劳性 能试验研究 ５
参
考
文
献
［ ］ 吴骏．车轴断裂分析及马钢无损探伤机制 的建立 ［－ 安徽冶金 ，２１ （） ７３． １ －］ ｊ． ０２ ２ ：２—１
１ 试件 和试验 内容
１ １ 试 件 ．
杂物含 量 的测定 标 准评 级 图显微 检 验法 》 ，利 用显 微 镜检 验法 对 ４ 车轴钢 试件 中的非金 属夹 杂 物进 ５ 选 取 ４ 车 轴钢 为试 件原 材料 ，按 照标 准 ＧＢ ５ ／ Ｔ ３７ ２０ 金 属 材 料 疲 劳 试 验 旋 转 弯 曲 方 ４ ３－ ０ ８《 法 》取 样并 加工 成表 面光 滑 和表 面有缺 口试 件 ２组 各 ３ 根 ，光 滑试 件 中除 １ 用于 室温 拉伸试 验 外 ， Ｏ 根
式 中 ： 一 为 材 料 的疲 劳极 限 应 力 ；Ｎ 为 有 效 试
验 总次 数 ；Ｉ 为 试 验 中 的应 力 水 平 级 数 ，本 文 取 Ｔ Ｉ
光滑试件整体下 降，并且在曲线的左段下降更快 。 研究表明，ｓ —Ｎ 曲线左段倾斜度 的变化对车轴寿 命影 响非 常大 。
（ ＷＵ ｕ ．Ａｎ ｌｓ ｆＡｘｅＦ ａｔｒ ｎ ｓａ ｌｈ ｎ ｆ Ｔ Ｓ ｓｅ ａ ｓｅｌ［］ ｎ ｕ ｔｌ ｒ ｙ ０ ２ Ｊｎ ａｙｉ ｏ ｌ ｒｃｕ ｅａ ｄＥ ｔｂｉ ｍｅｔｏ ｓ ｓ ＮＤ ｙｔ ｔＭａｔｅ Ｊ．Ａ ｈ ｉ ａ ｕｇ ，２ １ ｍ Ｍｅ ｌ
Ｈｅ ｔＴｒａｍｅ ｔ ｆＭ ｅａｓ ２ ０ ａ ｅ ｔ ｎ ｔｌ ， ０ ７，３ （ ｐ ｌｍ ｅ ｔ１ ： ４ ２４ ５ ｎＣｈｎ ｓ ） ｏ ２ Ｓｕ ｐｅ ｎ ） ６ — ６ ．ｉ ｉｅ ｅ
［ ］ 习年生 ， 清跃 ．钢轨的疲劳重伤率分布规律与疲劳寿命预测 ［］ ３ 周 Ｊ．中国铁道科学 ，２０ ，２ ５ ：５—６ ０４ ５（） ３５．
４ ； 为第 ｉ 级应力水平 ；Ｎｉ 为第 ｉ 级应力水平下
的有效 试验 次数 。
根据成 组法 测试 得到试 件在 四级应 力水 平下 的 有效 试验 数据后 取均 值 ，结 合 升降法得 到 的疲劳 极
限应力 ， 分别拟合得到光滑和缺 口试件 的应力一循 环次数曲线，即 ｓ —Ｎ 曲线。 试验得到 的疲劳极 限应力存活率为 ５ ；欲 ０／ ９ ６ 要求 其他存 活率 的 ，可用数 理统 计方法 处理 。
收稿 日期 ：２ １ —９２ ；修订 日期 ：２ １ —５１ ０ ２０—０ ０ ３０—４
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （ １ ７ ０ ２ １２２４） 作者简介 ：黄 国 （ ９ ７ ，男 ，山东滕 州人，博士研究生 。 １ ８ ～）
７ ２
中
பைடு நூலகம்
国
铁
道
科
学
第 ３ ４卷
法》 ，在 ＭＴＳ８ 伸试 验 机上 对 ４ 车 轴 钢进 行 ８０拉 ５
示 。 由图 ｌ 以看 出 ：光 滑试 件 中间工 作部 分直 径 可 为 ９ ５Ｆｍ，缺 口试 件 的根 部 直径 为 ９５ｍｍ，缺 ． ｉ ｌ ．
口深度 为 ０ ７ ． ５ｍｍ。
研究表明 ，缺 口效应对疲劳寿命的影响很大，不容 忽 视［ 。已有 文 献 针 对 ４ 和 ５ 车 轴 钢 的疲 劳 ］ Ｏ Ｏ
第３ 卷 ， ４ ４ 第 期 ２０１３年 ７月
文章编号 ：１ ０— ６２ （０ ３ ４０ ７—６ ０ １４ ３ ２ １ ）０－０ １０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡ Ｉ ＬＷ ＡＹ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ４ １３ ．
Ｊｌ ｕｙ，２ １ ０３
室 温拉伸 试验 ，测 量其抗 拉强 度 和屈 服强 度 Ｏ。 ＇ ｓ
类） ，其 中 Ｄ类 氧 化 物 细 系 为 １０ ． ，Ｂ类 氧 化 物 细 系为 １５ ． ，表 明试 件 的冶金质 量符合 标准 要求 。
该 试验 的 目的是检 验 ４ 车 轴钢试 件 的力学 性 能是 ５
室温拉伸试 验得 到 ４ 车轴 钢的抗拉 强度 Ｏ ５ ＇ ｂ
４＃ ５ 车轴 钢 疲 劳 性 能试 验研 究
黄 国 ，黄 海明 ，王 超 ，李玮 洁
（ 北京 交通大学 工程力学研究所 ，北京 １０ ４ ） ＯＯ ４
摘
要 ：通过非金属夹杂物检 验和室温拉伸试验 ，在 确保材 料的冶 金质量 和力学性 能符合 标准要 求的基 础
上 ，进行旋 转弯曲疲劳试验和断 口分析 ，对 ４ 车轴钢 的疲劳性 能进行 研究 。结 果表 明 ：与光滑试件 相 比，带 ５
行显微评定 ，其 目的是检验 ４ ５ 车轴钢试件 的冶金 质量是否符合标准要求。
１ ２ ２ 室温拉伸 试验 ．．
取 其 中 １根 试 件 ，按 照 标 准 ＧＢ Ｔ ２ ８１ ／ ２．— ２１ 金属 材 料 拉 伸 试 验 第 １部 分 ：室 温试 验 方 ００《
其余用于旋转弯曲疲劳试验 。试件示意图如 图 １ 所
步骤 ２ ：在 对 断 口截 面进 行 宏 观 观 察 的 基 础 上 ，用 Ｓ ４０ ～ ３０型扫 描 电镜 对 断 口表 面裂纹 萌生 位 置 与特征 进行 微观观 察 ，分析 断裂原 因 。
室
循 环次数 ／０次 １４
图 ３ ４ 车轴钢 Ｓ ５ —Ｎ 曲线
２ 试验结果和分析
为 ３３ ４ ６ ，３ ３和 ３４ＭＰ 缺 口试 件 的第 １ 应 力 ２ ａ 个
取 ０ ５５ ．０ ，其余应力级别为 ２０ ３ 和 １０ＭＰ 。 ＂ ７ ，２ ０ ９ ａ 在成组法试验的基础上 ，采用升降法对其余试 件 进行试 验 。 由式 （ ）如可 以 分 别 得 到 ４ 车 轴 １ ［］ ５
（） 滑试 件 ａ光
（） 口试 件 ｂ缺
图 １ 旋转弯 曲疲劳试件 （ 单位 ：ｍｍ）
析 ，深入研究 ４ 车轴钢发生疲劳断裂 的原因 ，便 ５
于 进行 ４ 车轴 钢性 能 的优 化 。 ５
１２ 试 验 内容 ． １ ２ １ 非金属 夹杂物检 验 ＿． 按 照标 准 Ｇ ／ ０ ６－ ２ ０ 钢 中非金 属 夹 Ｂ Ｔ １ ５ １ ０ ５《
为 ６３ＭＰ 、屈服强 度 。 ４ ８ＭＰ 。 ８ ａ 为 ０ ａ
２ ２ 疲 劳 强度 ．
否符合热处理要求 ；同时，可据此确定各级应力
水平。
１ ３ 疲劳试 验 ．
采用升降法测定 ４ 车轴钢光滑试件 的疲劳极 ５
限应 力 Ｏ Ｉ为 ３５ＭＰ ，缺 口试 件 的疲劳 极 限应力 ＇Ｇ ２ ａ － Ｏ Ｉ为 １２ＭＰ ，缺 口试 件 的疲 劳极 限应 力 较光 滑 ＇ Ｎ ８ ａ －
［２ 习年生 ，刘 鑫 贵．ＴＴ Ｉ ］ Ｃ 数据 概率 评估 ８ ０ ４ Ｄ车 轮辐板 孔裂纹 扩展 速率 的研究 ［］ Ｊ 。金属 热处理． ２ ０ ，３ （ ０ ７ ２ 增
１ ）：４ ２ ４ ５ ６ －６．
（ Ｉ ａｓ ｅｇ Ｉ ｉｇ ｉ ｒｂ ｂｌｙＥ ｔ ｔ ｎｏ ｒｃ ｒｗ ｈＲ ｔ ｏ ４ Ｄ Ｗｈｅ Ｗｅ ｔ ｌ Ｅ ］ Ｘ ｎｈ ｎ ，Ｌ Ｕ Ｘ ｎ ｕ．Ｐ ｏ ａ ｉｔ ｓｉ ｉ ｎＣ ａｋ Ｇ ｏ ｔ ａｅ ｆ ０ ｅｌ ｂｗｉ ａＨｏｅ Ｊ． Ｎｉ ｉ ｍａ ｏ ８ ｈ
性能进行了研究＿］ ６ ，但是研究关于表面缺损或者 缺 陷对 ４ 车 轴 钢疲 劳性 能 的影 响 还 很 少 见 报 道 。 ５
本文 针 对某生 产批 次 ４ 车轴 钢 开展 非金 属 夹杂 物 ５ 检 验 、室温 拉伸 试验 和旋 转弯 曲疲 劳试 验 ，对 发生 疲 劳破 坏 的试 件 断 口进 行 扫描 电 子 显 微 观 察 和 分
产生疲 劳裂 纹的启裂源 。
关键词 ：车轴钢 ；性 能试验 ；疲劳极限 ；ｓ Ｎ 曲线 ；断 口分析 —
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ２ ７ ：Ｕ２ ０ ３ １ １ ７ ． ３ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
车 轴是 各种 车辆 中涉 及安 全 的重要 运 动和 承载 部 件 。车轴 材料 质量 优劣 对保 证列 车 的安 全运 行起 着 至关 重要 的作 用 ［。 由于车轴 的不断 旋转 ，对 称 】 ］ 循 环载 荷 常 引 起 疲 劳 失 效 。为 确 保 车 辆 的 运 行 安 全 ，车 轴必 须具 有 足够 的疲 劳安全 系 数 。因此 ，对 车 轴材 料 的疲劳 性能 进行 试验 研究 十分 必要 。许 多
按 照标 准 ＧＢ Ｔ ４ ３－ ２０ ／ ３７ ０８中规 定 的方 法 进
行 疲 劳试 验 。试 验 在 Ｐ － ５ ０型 疲 劳 试 验 机 上 ＷＣ １
进行 ，其转 速 为 ５００ｒ ｍｉ～ ，应 力 比 Ｒ 为 一１ ０ ・ ｎ ； 为确保 疲 劳试验 在室 温条件 下进行 ，试 件被 放置 在 循环 油 中 ，通 过保 持 循 环油 的温 度维 持 试 件 温度 。
２ １ 非金属 夹杂物 检验 和室温 拉伸试 验 ． 对试 件 非 金属 夹 杂物 的检 验结 果 表 明 ，４ 车 ５ 轴钢 中的非 金 属 夹 杂 物 主要 为 氧 化 物 ，包 括 Ｄ类 氧化 物 （ 球状 氧 化 物 类 ）和 Ｂ类 氧 化 物 （ 化 铝 氧
２ ３ 断 口截 面 ．
有深度 为 ０ ７ ｎ缺 口的试件 ，其疲 劳极 限应力降低 ４ ，其 ｓ ． ５ｍＩ ４ —Ｎ 曲线左段部分 的斜率更大 ；其 缺 口敏感 系
数 为 ０ ７ ；表面应力集 中是导致光滑试件 萌生疲劳裂纹的原 因；在有缺 口的试件断 口截面上存在多个疲 劳源 区， ．９
裂纹萌 生在 缺 口的前缘 ，而且主要是 由于缺 口处 应力集 中所致 ；较 大尺寸 的非金 属夹杂 物也是 导致车轴 钢可能
２０ ０ ４， ２ （ ） ５ — ６ ｉ ｈ ｎ ｓ ） ５ ５ ： ３５ ． ｎ Ｃ ｉｅ ｅ
［ ］ 季冲平 ，郭晓 民，蒋瞻．圆缺 Ｖ试 件 的疲劳启 裂和低 周疲劳 寿命研 究 Ｉ］ ４ Ｉ － ．上海铁 道大 学学 报 ，１９ ，１ （） ｊ ９８ ９ ８ ：
９１ — ３．
（ ＩＣｈ ｎ ｐｎ ，ＧＵＯ ａ ｍｉ Ｊ ｏ ｇ ｉｇ Ｘｉｏ ｎ，儿ＡＮＧ ｈ ｎ Ｚ ａ ．Ａｎ Ａｎ ｌｓｓｏ ｔ ｕ ａ ｋ Ｉ ｉａｉｎａ ｄ Ｌ ｆ ｔｈ ｄＢａｓ ａｙ ｉ ｆＦａｉ ｅＣｒｃ ｎｔ ｔ ｎ ＣＦ Ｌｉ ｉ Ｎｏｃ ｅ ｒ ｇ ｉ ｏ ｅｎ
钢 光滑 和缺 口试件 的疲 劳极 限应力 Ｏ Ｉ和 ～ 。 ＇Ｇ －
试件 号 （） 口试 件 ｂ缺
图 ２ 升降法测定 ４ ｑ ５ 车轴钢 的疲劳极 限应力
∑Ｎ ｉ ａ
一
弓
（ ）
疲 劳试 验 得到 的 ４ 车 轴钢 Ｓ Ｎ 曲线如 图 ３ ５ — 所示 。 由图 ３可 以看 出 ：缺 口试件 的 Ｓ Ｎ 曲线较 —
试件降低了 ４ 。它们的测定结果如图 ２ ４ 所示。
具体试验步骤如下。
步骤 １ ：采用 成组法 分别 进 行光 滑 试件 和缺 口
试件的四点旋 转弯曲疲劳试验 ，指定循环 次数为 １ ；取 ４ Ｏ次 级应力水平 ，每级取 ４ 根试件 ，其 中 光 滑试件 的第 １ 个应 力 取 ０ ５ａ ，其余应 力 级别 ． ５ｂ
（ Ｉ ａ ｓｅ ｇ Ｚ Ｘ ｎ ｈｎ ， ＨＯＵ ｉｇ ｕ．Ｄｉ ｒ ｕｉｎａｄＰ ｅ ｉ ｉｎｏ ａ ａｉ ｅＦ ｉ ｒｓ［ ３ Ｃ ｉａＲ ｉ ｙＳ ｉ ｃ， Ｎｉ Ｑ ｎ ｙ ｅ ｓ ｉ ｔ ｎ ｒｄｃ ｏ ｆＲ ｉＦ ｔ ｕ ａ ｕｅ Ｊ． ｈｎ ａｗａ ｃ ｎｅ ｔｂ ｏ ｔ ｌ ｇ ｌ ｌ ｅ
２ ３ １ 光 滑试件 断 口截 面 ．．
１ ）宏 观分析
光滑试件断 口典型宏观形貌 如图 ４ 示。图 所
中 ：ａ为疲劳 裂纹 源 区 ；ｂ为疲 劳裂 纹亚 稳扩 展 区 ；
Ｃ为瞬断 区 。
第 ４期
４ 车轴钢疲 劳性 能试验研究 ５
参
考
文
献
［ ］ 吴骏．车轴断裂分析及马钢无损探伤机制 的建立 ［－ 安徽冶金 ，２１ （） ７３． １ －］ ｊ． ０２ ２ ：２—１
１ 试件 和试验 内容
１ １ 试 件 ．
杂物含 量 的测定 标 准评 级 图显微 检 验法 》 ，利 用显 微 镜检 验法 对 ４ 车轴钢 试件 中的非金 属夹 杂 物进 ５ 选 取 ４ 车 轴钢 为试 件原 材料 ，按 照标 准 ＧＢ ５ ／ Ｔ ３７ ２０ 金 属 材 料 疲 劳 试 验 旋 转 弯 曲 方 ４ ３－ ０ ８《 法 》取 样并 加工 成表 面光 滑 和表 面有缺 口试 件 ２组 各 ３ 根 ，光 滑试 件 中除 １ 用于 室温 拉伸试 验 外 ， Ｏ 根
式 中 ： 一 为 材 料 的疲 劳极 限 应 力 ；Ｎ 为 有 效 试
验 总次 数 ；Ｉ 为 试 验 中 的应 力 水 平 级 数 ，本 文 取 Ｔ Ｉ
光滑试件整体下 降，并且在曲线的左段下降更快 。 研究表明，ｓ —Ｎ 曲线左段倾斜度 的变化对车轴寿 命影 响非 常大 。
（ ＷＵ ｕ ．Ａｎ ｌｓ ｆＡｘｅＦ ａｔｒ ｎ ｓａ ｌｈ ｎ ｆ Ｔ Ｓ ｓｅ ａ ｓｅｌ［］ ｎ ｕ ｔｌ ｒ ｙ ０ ２ Ｊｎ ａｙｉ ｏ ｌ ｒｃｕ ｅａ ｄＥ ｔｂｉ ｍｅｔｏ ｓ ｓ ＮＤ ｙｔ ｔＭａｔｅ Ｊ．Ａ ｈ ｉ ａ ｕｇ ，２ １ ｍ Ｍｅ ｌ
Ｈｅ ｔＴｒａｍｅ ｔ ｆＭ ｅａｓ ２ ０ ａ ｅ ｔ ｎ ｔｌ ， ０ ７，３ （ ｐ ｌｍ ｅ ｔ１ ： ４ ２４ ５ ｎＣｈｎ ｓ ） ｏ ２ Ｓｕ ｐｅ ｎ ） ６ — ６ ．ｉ ｉｅ ｅ
［ ］ 习年生 ， 清跃 ．钢轨的疲劳重伤率分布规律与疲劳寿命预测 ［］ ３ 周 Ｊ．中国铁道科学 ，２０ ，２ ５ ：５—６ ０４ ５（） ３５．
４ ； 为第 ｉ 级应力水平 ；Ｎｉ 为第 ｉ 级应力水平下
的有效 试验 次数 。
根据成 组法 测试 得到试 件在 四级应 力水 平下 的 有效 试验 数据后 取均 值 ，结 合 升降法得 到 的疲劳 极
限应力 ， 分别拟合得到光滑和缺 口试件 的应力一循 环次数曲线，即 ｓ —Ｎ 曲线。 试验得到 的疲劳极 限应力存活率为 ５ ；欲 ０／ ９ ６ 要求 其他存 活率 的 ，可用数 理统 计方法 处理 。
收稿 日期 ：２ １ —９２ ；修订 日期 ：２ １ —５１ ０ ２０—０ ０ ３０—４
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （ １ ７ ０ ２ １２２４） 作者简介 ：黄 国 （ ９ ７ ，男 ，山东滕 州人，博士研究生 。 １ ８ ～）
７ ２
中
பைடு நூலகம்
国
铁
道
科
学
第 ３ ４卷
法》 ，在 ＭＴＳ８ 伸试 验 机上 对 ４ 车 轴 钢进 行 ８０拉 ５
示 。 由图 ｌ 以看 出 ：光 滑试 件 中间工 作部 分直 径 可 为 ９ ５Ｆｍ，缺 口试 件 的根 部 直径 为 ９５ｍｍ，缺 ． ｉ ｌ ．
口深度 为 ０ ７ ． ５ｍｍ。
研究表明 ，缺 口效应对疲劳寿命的影响很大，不容 忽 视［ 。已有 文 献 针 对 ４ 和 ５ 车 轴 钢 的疲 劳 ］ Ｏ Ｏ
第３ 卷 ， ４ ４ 第 期 ２０１３年 ７月
文章编号 ：１ ０— ６２ （０ ３ ４０ ７—６ ０ １４ ３ ２ １ ）０－０ １０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡ Ｉ ＬＷ ＡＹ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ４ １３ ．
Ｊｌ ｕｙ，２ １ ０３
室 温拉伸 试验 ，测 量其抗 拉强 度 和屈 服强 度 Ｏ。 ＇ ｓ
类） ，其 中 Ｄ类 氧 化 物 细 系 为 １０ ． ，Ｂ类 氧 化 物 细 系为 １５ ． ，表 明试 件 的冶金质 量符合 标准 要求 。
该 试验 的 目的是检 验 ４ 车 轴钢试 件 的力学 性 能是 ５
室温拉伸试 验得 到 ４ 车轴 钢的抗拉 强度 Ｏ ５ ＇ ｂ
４＃ ５ 车轴 钢 疲 劳 性 能试 验研 究
黄 国 ，黄 海明 ，王 超 ，李玮 洁
（ 北京 交通大学 工程力学研究所 ，北京 １０ ４ ） ＯＯ ４
摘
要 ：通过非金属夹杂物检 验和室温拉伸试验 ，在 确保材 料的冶 金质量 和力学性 能符合 标准要 求的基 础
上 ，进行旋 转弯曲疲劳试验和断 口分析 ，对 ４ 车轴钢 的疲劳性 能进行 研究 。结 果表 明 ：与光滑试件 相 比，带 ５
行显微评定 ，其 目的是检验 ４ ５ 车轴钢试件 的冶金 质量是否符合标准要求。
１ ２ ２ 室温拉伸 试验 ．．
取 其 中 １根 试 件 ，按 照 标 准 ＧＢ Ｔ ２ ８１ ／ ２．— ２１ 金属 材 料 拉 伸 试 验 第 １部 分 ：室 温试 验 方 ００《
其余用于旋转弯曲疲劳试验 。试件示意图如 图 １ 所
步骤 ２ ：在 对 断 口截 面进 行 宏 观 观 察 的 基 础 上 ，用 Ｓ ４０ ～ ３０型扫 描 电镜 对 断 口表 面裂纹 萌生 位 置 与特征 进行 微观观 察 ，分析 断裂原 因 。
室
循 环次数 ／０次 １４
图 ３ ４ 车轴钢 Ｓ ５ —Ｎ 曲线
２ 试验结果和分析
为 ３３ ４ ６ ，３ ３和 ３４ＭＰ 缺 口试 件 的第 １ 应 力 ２ ａ 个
取 ０ ５５ ．０ ，其余应力级别为 ２０ ３ 和 １０ＭＰ 。 ＂ ７ ，２ ０ ９ ａ 在成组法试验的基础上 ，采用升降法对其余试 件 进行试 验 。 由式 （ ）如可 以 分 别 得 到 ４ 车 轴 １ ［］ ５
（） 滑试 件 ａ光
（） 口试 件 ｂ缺
图 １ 旋转弯 曲疲劳试件 （ 单位 ：ｍｍ）
析 ，深入研究 ４ 车轴钢发生疲劳断裂 的原因 ，便 ５
于 进行 ４ 车轴 钢性 能 的优 化 。 ５
１２ 试 验 内容 ． １ ２ １ 非金属 夹杂物检 验 ＿． 按 照标 准 Ｇ ／ ０ ６－ ２ ０ 钢 中非金 属 夹 Ｂ Ｔ １ ５ １ ０ ５《
为 ６３ＭＰ 、屈服强 度 。 ４ ８ＭＰ 。 ８ ａ 为 ０ ａ
２ ２ 疲 劳 强度 ．
否符合热处理要求 ；同时，可据此确定各级应力
水平。
１ ３ 疲劳试 验 ．
采用升降法测定 ４ 车轴钢光滑试件 的疲劳极 ５
限应 力 Ｏ Ｉ为 ３５ＭＰ ，缺 口试 件 的疲劳 极 限应力 ＇Ｇ ２ ａ － Ｏ Ｉ为 １２ＭＰ ，缺 口试 件 的疲 劳极 限应 力 较光 滑 ＇ Ｎ ８ ａ －