LZ50钢车轴的旋转弯曲疲劳性能
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关键词：ＬＺ５０钢车轴；旋转弯曲疲劳；缺口；Ｓ－Ｎ 曲线
中 图 分 类 号 ：ＴＨ１１７．３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－３７３８（２０１２）０１－００９４－０３
Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＬＺ５０Ｓｔｅｅｌ Ａｘｌｅ
采用 ＰＱ－１ 型旋转弯曲疲劳试验机，按照 ＧＢ／Ｔ ４３３７－２００８《金 属 材 料 疲 劳 试 验 旋 转 弯 曲 方 法 》在 室 温下进行试验，施加应力幅为２００ ～３５３ ＭＰａ，加载
频率为 ５ ０００ｒ·ｍｉｎ－１；采 用 ＱＵＡＮＴ４００ 型 扫 描 电 子 显 微 镜 （ＳＥＭ）分 析 试 样 断 口 形 貌 。
旋转弯曲疲劳试验用光滑试样的尺寸如图１所 示。预制缺 口 试 样 的 缺 口 尺 寸 参 考 欧 洲 车 轴 标 准 ＥＮ １３２６１－２００９《铁路 应 用－轮 对 和 转 向 架－车 轴－产 品 要 求 》中 ３．２．３．３ 节 的 相 关 规 定 ，在 图 １ 所 示 光 滑 试样的中间截面上 直 接 加 工 出 环 形 缺 口，试 样 尺 寸 如图２所示。
ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｏｔｃｈ ｅｄｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｈａｐｅ ｗａｓ ｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ５％ ，ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ；ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ １８％ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｎｏｔｃｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｍｉｔ ｒｅｍａｉｎｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌｅｖｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ．
ａｆｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｉｎ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ａｎｄ （ｄ）ｉｎｓｔａｎｔ ｒｕｐｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
考虑到环 形 缺 口 对 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 影 响 较
大，特参照 ＥＮ １３２６１－２００９《铁路应用－轮对和转向
架－车轴－产 品 要 求》标 准 规 定，计 算 得 到 ＬＺ５０ 钢 车
图３ 光滑试样断口的 ＳＥＭ 形貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ：（ａ）ｍａｃｒｏｐｈｏｔｏ；（ｂ）ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ；（ｃ）ｆａｔｉｇｕｒｅ ｓｔｒｉａｔｉｏｎｓ
ｉｎ ｃｒａｃｋｓ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ａｎｄ （ｄ）ｉｎｓｔａｎｔ ｒｕｐｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
· ９５ ·
第３６卷 第１期 ２０１２ 年 １ 月
机 械 工 程 材 料
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２
（ａ） 宏 观 断 口
（ｂ） 裂 纹 源
（ｃ） 裂 纹 扩 展 区 疲 口试样断口的 ＳＥＭ 形貌 Ｆｉｇ．４ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓａｍｐｌｅ：（ａ）ｍａｃｒｏｐｈｏｔｏ；（ｂ）ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ；（ｃ）ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｉａｔｉｏｎｓ
收 稿 日 期 ：２０１１－０２－２０；修 订 日 期 ：２０１１－１１－０４ 基 金 项 目 ：铁 道 部 研 发 中 心 项 目 （Ｊ２００８Ｊ００６） 作 者 简 介 ：何 忠 （１９６６－ ），男 ，山 东 菏 泽 人 ，副 研 究 员 ，博 士 。
· ９４ ·
由于车轴在实际使用过程中主要承受旋转弯曲 载荷的作用，而常用光滑试样和预制缺口试样的旋转 弯曲疲劳性能是检测车轴疲劳性能和抗裂性能的重 要指 标［１－４］。ＬＺ５０ 钢 车 轴 延 长 体 的 拉 伸 强 度 提 高 ５％后 ，研究其对 该 钢 车 轴 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 和 缺 口 敏感性的影响程度，对车轴的技术改进、不同种 类车 轴性能的对比以及安全运行是非常必要的，但目前为 止未查到相关对比资料。为此，作者从实际生产的车 轴中抽样，对其旋转弯曲疲劳性能进行了研究。
１ 试 样 制 备 与 试 验 方 法
试验车轴从生产厂按 ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９新 标 准生产的 ＬＺ５０ 钢 车 轴 中 抽 取，试 验 用 旋 转 弯 曲 疲 劳 试 样 从 车 轴 上 截 取 ，其 化 学 成 分 （质 量 分 数／％ ）为 ０．４９～０．５３ Ｃ，０．７３～０．７８ Ｍｎ，０．２４～０．２９Ｓｉ，
由图５可知，ＬＺ５０ 钢 车 轴 延 长 体 拉 伸 强 度 提 高５％后，其光滑试 样 整 体 性 能 均 有 所 提 高［５－６］，其 中 值疲劳强度σ－１约为２８０ ＭＰａ（１０－７周），而提高 前
（ａ） 宏 观 形 貌
（ｂ） 裂 纹 源
（ｃ） 裂 纹 扩 展 区 疲 劳 条 带
（ｄ） 瞬 断 区
何 忠，等：ＬＺ５０钢车轴的旋转弯曲疲劳性能
≤０．０１５Ｐ，≤０．００４ Ｓ，≤０．０９ Ｃｒ，≤０．０３ Ｎｉ， ≤０．０１１Ｃｕ，≤０．０４１Ａｌ。ＬＺ５０ 钢 车 轴 的 第 一 次 正 火温 度 为 ８６０ ℃，保 温 ４ ｈ，第 二 次 正 火 温 度 为 ８１０ ℃，保温４ｈ，回火温度为 ５２０ ℃，保温 ５ｈ。 其 抗拉 强 度 为 ６６５～７１５ ＭＰａ，屈 服 强 度 为 ３８５～ ３９５ ＭＰａ，断后 伸 长 率 为 ２０．５％ ～２５．０％，断 面 收 缩率为４５．５％～４７．０％，抗拉强 度 和 屈 服 强 度 均 满 足新标准要求。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＺ５０ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ；ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ；ｎｏｔｃｈ；Ｓ－Ｎ ｃｕｒｖｅ
０ 引 言
我国铁道 车 辆 用 ＬＺ５０ 钢 车 轴 制 造 技 术 是 在 等 效采用２０世纪９０年代北美车轴标准 ＡＡＲ Ｍ－１０１－ １９９０《热处理用车轴》的 基 础 上 发 展 而 来 的。随 着 铁 路技术的不断发展，ＡＡＲ Ｍ－１０１车轴标准 现 已 更 新 到了２００９年版。按照 新 标 准 的 要 求，车 轴 延 长 体 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 的 指 标 较 过 去 提 高 了 ５％ ，分 别 达到了６４０，３６０ ＭＰａ。我国车轴生 产 厂 为 满 足 国 内 铁路提速和重 载 的 需 要 ，按 这 一 新 标 准 的 要 求 ，从 生 产工艺上进行改进，成功生产出满 足 ＡＡＲ Ｍ－１０１－ ２００９的 ＬＺ５０钢车轴，并已成功应用。
轴疲劳极限缺 口 敏 感 系 数ｑ（为 光 滑 试 样 旋 转 弯 曲
中值疲劳强度与环形缺口试样旋转弯曲中值疲劳强
度的比值）为 １．２２，经 查 阅 文 献 ［７］，这 一 数 值 与 国
外碳素钢车轴旋转弯曲疲劳试验值在同一水平上。
图５ 拉伸强度提高前后光滑试样的Ｓ－Ｎ 曲线 Ｆｉｇ．５ Ｓ－Ｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ
由图４可见，施加应力幅为２８０ ＭＰａ，断裂循环 数为９．２８×１０５ 时，缺 口 试 样 上 环 形 刻 槽 的 圆 周 缺 口根部有较大的应 力 集 中，试 样 断 口 特 征 与 光 滑 试 样 差 别 较 大 ，缺 口 试 样 的 裂 纹 萌 生 在 缺 口 前 缘 ，并 沿 缺口前缘有多个 疲 劳 源，形 成 了 多 源 开 裂 方 式。 由 于多个疲劳源可能 不 在 一 个 平 面 上，扩 展 连 接 形 成 了 多 个 台 阶 ，扩 展 区 有 明 显 的 疲 劳 条 带 特 征 ；疲 劳 裂 纹 扩 展 与 应 力 轴 垂 直 ，形 成 与 轴 向 垂 直 的 平 断 口 ，瞬 断区为韧窝形貌，位 置 靠 近 试 样 断 口 中 心。 观 察 其 它 应 力 幅 下 的 断 口 形 貌 可 以 发 现 ，疲 劳 应 力 幅 越 高 ， 瞬断区越靠近断面中心。 ２．２ 光 滑 试 样 的 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能
２ 试 验 结 果 与 讨 论
２．１ 疲 劳 断 口 形 貌 ２．１．１ 光 滑 试 样 疲 劳 断 口 形 貌
由图３可见，施加应力幅为２９４ ＭＰａ，断裂循环 数为９．２８×１０５ 时，光 滑 试 样 的 疲 劳 裂 纹 源 萌 生 于 试样表面，为单源，这 与 旋 转 弯 曲 加 载 时，最 大 应 力 点 在 外 表 面 ，应 力 分 布 外 层 大 、中 心 小 有 关 。 裂 纹 源 形成后，逐渐扩展，形 成 明 显 的 疲 劳 条 带，并 致 试 样 最终断裂，瞬断区 为 韧 窝 形 貌。 由 于 旋 转 弯 曲 应 力 方 向 与 轴 向 平 行 ，疲 劳 裂 纹 扩 展 与 应 力 轴 垂 直 ，形 成 与 轴 向 垂 直 的 平 断 口 ，瞬 断 区 在 疲 劳 源 的 对 面 ，但 并 不完全对称。观察其它应力幅下的断口形貌发现， 疲 劳 应 力 幅 越 高 ，瞬 断 区 越 接 近 断 面 中 心 。 ２．１．２ 缺 口 试 样 疲 劳 断 口 形 貌
ＨＥ Ｚｈｏｎｇ，ＹＡＯ Ｗｅｉ－ｗｅｉ
（Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ＬＺ５０ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ
第３６卷 第１期 ２０１２ 年 １ 月
机 械 工 程 材 料
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２
ＬＺ５０钢车轴的旋转弯曲疲劳性能
何 忠，姚伟伟 （中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 １０００８１）
摘 要：在 ＬＺ５０钢车轴上制取了光滑试样和环形缺口试样，按照 ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９新标准测 试 了 其 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 ，并 观 察 了 断 口 形 貌 。 结 果 表 明 ：光 滑 试 样 的 旋 转 弯 曲 疲 劳 裂 纹 萌 生 于 试 样表面，而环形缺口试样的裂纹萌生于缺口前缘，并呈多源开裂形 式，两 种 试 样 均 形 成 与 轴 向 垂 直 的平断口；当车轴的拉伸强度提高 ５％ 后，其光滑试样旋转弯曲疲劳性能也得到明显提高，环 形 缺 口 试 样 虽 中 值 疲 劳 强 度 比 光 滑 试 样 的 降 低 １８％ ，但 其 旋 转 弯 曲 疲 劳 极 限 缺 口 敏 感 系 数 仍 与 国 外 碳 素钢车轴保持在同一水平上。
中 图 分 类 号 ：ＴＨ１１７．３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－３７３８（２０１２）０１－００９４－０３
Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＬＺ５０Ｓｔｅｅｌ Ａｘｌｅ
采用 ＰＱ－１ 型旋转弯曲疲劳试验机，按照 ＧＢ／Ｔ ４３３７－２００８《金 属 材 料 疲 劳 试 验 旋 转 弯 曲 方 法 》在 室 温下进行试验，施加应力幅为２００ ～３５３ ＭＰａ，加载
频率为 ５ ０００ｒ·ｍｉｎ－１；采 用 ＱＵＡＮＴ４００ 型 扫 描 电 子 显 微 镜 （ＳＥＭ）分 析 试 样 断 口 形 貌 。
旋转弯曲疲劳试验用光滑试样的尺寸如图１所 示。预制缺 口 试 样 的 缺 口 尺 寸 参 考 欧 洲 车 轴 标 准 ＥＮ １３２６１－２００９《铁路 应 用－轮 对 和 转 向 架－车 轴－产 品 要 求 》中 ３．２．３．３ 节 的 相 关 规 定 ，在 图 １ 所 示 光 滑 试样的中间截面上 直 接 加 工 出 环 形 缺 口，试 样 尺 寸 如图２所示。
ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｉｎ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｏｔｃｈ ｅｄｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｈａｐｅ ｗａｓ ｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ５％ ，ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ；ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓａｍｐｌｅ ｗａｓ １８％ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｎｏｔｃｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｍｉｔ ｒｅｍａｉｎｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌｅｖｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ．
ａｆｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｉｎ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ａｎｄ （ｄ）ｉｎｓｔａｎｔ ｒｕｐｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
考虑到环 形 缺 口 对 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 影 响 较
大，特参照 ＥＮ １３２６１－２００９《铁路应用－轮对和转向
架－车轴－产 品 要 求》标 准 规 定，计 算 得 到 ＬＺ５０ 钢 车
图３ 光滑试样断口的 ＳＥＭ 形貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ：（ａ）ｍａｃｒｏｐｈｏｔｏ；（ｂ）ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ；（ｃ）ｆａｔｉｇｕｒｅ ｓｔｒｉａｔｉｏｎｓ
ｉｎ ｃｒａｃｋｓ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ａｎｄ （ｄ）ｉｎｓｔａｎｔ ｒｕｐｔｕｒｅ ｚｏｎｅ
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第３６卷 第１期 ２０１２ 年 １ 月
机 械 工 程 材 料
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２
（ａ） 宏 观 断 口
（ｂ） 裂 纹 源
（ｃ） 裂 纹 扩 展 区 疲 口试样断口的 ＳＥＭ 形貌 Ｆｉｇ．４ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓａｍｐｌｅ：（ａ）ｍａｃｒｏｐｈｏｔｏ；（ｂ）ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ；（ｃ）ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｉａｔｉｏｎｓ
收 稿 日 期 ：２０１１－０２－２０；修 订 日 期 ：２０１１－１１－０４ 基 金 项 目 ：铁 道 部 研 发 中 心 项 目 （Ｊ２００８Ｊ００６） 作 者 简 介 ：何 忠 （１９６６－ ），男 ，山 东 菏 泽 人 ，副 研 究 员 ，博 士 。
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由于车轴在实际使用过程中主要承受旋转弯曲 载荷的作用，而常用光滑试样和预制缺口试样的旋转 弯曲疲劳性能是检测车轴疲劳性能和抗裂性能的重 要指 标［１－４］。ＬＺ５０ 钢 车 轴 延 长 体 的 拉 伸 强 度 提 高 ５％后 ，研究其对 该 钢 车 轴 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 和 缺 口 敏感性的影响程度，对车轴的技术改进、不同种 类车 轴性能的对比以及安全运行是非常必要的，但目前为 止未查到相关对比资料。为此，作者从实际生产的车 轴中抽样，对其旋转弯曲疲劳性能进行了研究。
１ 试 样 制 备 与 试 验 方 法
试验车轴从生产厂按 ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９新 标 准生产的 ＬＺ５０ 钢 车 轴 中 抽 取，试 验 用 旋 转 弯 曲 疲 劳 试 样 从 车 轴 上 截 取 ，其 化 学 成 分 （质 量 分 数／％ ）为 ０．４９～０．５３ Ｃ，０．７３～０．７８ Ｍｎ，０．２４～０．２９Ｓｉ，
由图５可知，ＬＺ５０ 钢 车 轴 延 长 体 拉 伸 强 度 提 高５％后，其光滑试 样 整 体 性 能 均 有 所 提 高［５－６］，其 中 值疲劳强度σ－１约为２８０ ＭＰａ（１０－７周），而提高 前
（ａ） 宏 观 形 貌
（ｂ） 裂 纹 源
（ｃ） 裂 纹 扩 展 区 疲 劳 条 带
（ｄ） 瞬 断 区
何 忠，等：ＬＺ５０钢车轴的旋转弯曲疲劳性能
≤０．０１５Ｐ，≤０．００４ Ｓ，≤０．０９ Ｃｒ，≤０．０３ Ｎｉ， ≤０．０１１Ｃｕ，≤０．０４１Ａｌ。ＬＺ５０ 钢 车 轴 的 第 一 次 正 火温 度 为 ８６０ ℃，保 温 ４ ｈ，第 二 次 正 火 温 度 为 ８１０ ℃，保温４ｈ，回火温度为 ５２０ ℃，保温 ５ｈ。 其 抗拉 强 度 为 ６６５～７１５ ＭＰａ，屈 服 强 度 为 ３８５～ ３９５ ＭＰａ，断后 伸 长 率 为 ２０．５％ ～２５．０％，断 面 收 缩率为４５．５％～４７．０％，抗拉强 度 和 屈 服 强 度 均 满 足新标准要求。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＺ５０ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ；ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ；ｎｏｔｃｈ；Ｓ－Ｎ ｃｕｒｖｅ
０ 引 言
我国铁道 车 辆 用 ＬＺ５０ 钢 车 轴 制 造 技 术 是 在 等 效采用２０世纪９０年代北美车轴标准 ＡＡＲ Ｍ－１０１－ １９９０《热处理用车轴》的 基 础 上 发 展 而 来 的。随 着 铁 路技术的不断发展，ＡＡＲ Ｍ－１０１车轴标准 现 已 更 新 到了２００９年版。按照 新 标 准 的 要 求，车 轴 延 长 体 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 的 指 标 较 过 去 提 高 了 ５％ ，分 别 达到了６４０，３６０ ＭＰａ。我国车轴生 产 厂 为 满 足 国 内 铁路提速和重 载 的 需 要 ，按 这 一 新 标 准 的 要 求 ，从 生 产工艺上进行改进，成功生产出满 足 ＡＡＲ Ｍ－１０１－ ２００９的 ＬＺ５０钢车轴，并已成功应用。
轴疲劳极限缺 口 敏 感 系 数ｑ（为 光 滑 试 样 旋 转 弯 曲
中值疲劳强度与环形缺口试样旋转弯曲中值疲劳强
度的比值）为 １．２２，经 查 阅 文 献 ［７］，这 一 数 值 与 国
外碳素钢车轴旋转弯曲疲劳试验值在同一水平上。
图５ 拉伸强度提高前后光滑试样的Ｓ－Ｎ 曲线 Ｆｉｇ．５ Ｓ－Ｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｍｏｏｔｈ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ
由图４可见，施加应力幅为２８０ ＭＰａ，断裂循环 数为９．２８×１０５ 时，缺 口 试 样 上 环 形 刻 槽 的 圆 周 缺 口根部有较大的应 力 集 中，试 样 断 口 特 征 与 光 滑 试 样 差 别 较 大 ，缺 口 试 样 的 裂 纹 萌 生 在 缺 口 前 缘 ，并 沿 缺口前缘有多个 疲 劳 源，形 成 了 多 源 开 裂 方 式。 由 于多个疲劳源可能 不 在 一 个 平 面 上，扩 展 连 接 形 成 了 多 个 台 阶 ，扩 展 区 有 明 显 的 疲 劳 条 带 特 征 ；疲 劳 裂 纹 扩 展 与 应 力 轴 垂 直 ，形 成 与 轴 向 垂 直 的 平 断 口 ，瞬 断区为韧窝形貌，位 置 靠 近 试 样 断 口 中 心。 观 察 其 它 应 力 幅 下 的 断 口 形 貌 可 以 发 现 ，疲 劳 应 力 幅 越 高 ， 瞬断区越靠近断面中心。 ２．２ 光 滑 试 样 的 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能
２ 试 验 结 果 与 讨 论
２．１ 疲 劳 断 口 形 貌 ２．１．１ 光 滑 试 样 疲 劳 断 口 形 貌
由图３可见，施加应力幅为２９４ ＭＰａ，断裂循环 数为９．２８×１０５ 时，光 滑 试 样 的 疲 劳 裂 纹 源 萌 生 于 试样表面，为单源，这 与 旋 转 弯 曲 加 载 时，最 大 应 力 点 在 外 表 面 ，应 力 分 布 外 层 大 、中 心 小 有 关 。 裂 纹 源 形成后，逐渐扩展，形 成 明 显 的 疲 劳 条 带，并 致 试 样 最终断裂，瞬断区 为 韧 窝 形 貌。 由 于 旋 转 弯 曲 应 力 方 向 与 轴 向 平 行 ，疲 劳 裂 纹 扩 展 与 应 力 轴 垂 直 ，形 成 与 轴 向 垂 直 的 平 断 口 ，瞬 断 区 在 疲 劳 源 的 对 面 ，但 并 不完全对称。观察其它应力幅下的断口形貌发现， 疲 劳 应 力 幅 越 高 ，瞬 断 区 越 接 近 断 面 中 心 。 ２．１．２ 缺 口 试 样 疲 劳 断 口 形 貌
ＨＥ Ｚｈｏｎｇ，ＹＡＯ Ｗｅｉ－ｗｅｉ
（Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｎｏｔｃｈｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ＬＺ５０ｓｔｅｅｌ ａｘｌｅ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｅｎｄｉｎｇ
第３６卷 第１期 ２０１２ 年 １ 月
机 械 工 程 材 料
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１２
ＬＺ５０钢车轴的旋转弯曲疲劳性能
何 忠，姚伟伟 （中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 １０００８１）
摘 要：在 ＬＺ５０钢车轴上制取了光滑试样和环形缺口试样，按照 ＡＡＲ Ｍ－１０１－２００９新标准测 试 了 其 旋 转 弯 曲 疲 劳 性 能 ，并 观 察 了 断 口 形 貌 。 结 果 表 明 ：光 滑 试 样 的 旋 转 弯 曲 疲 劳 裂 纹 萌 生 于 试 样表面，而环形缺口试样的裂纹萌生于缺口前缘，并呈多源开裂形 式，两 种 试 样 均 形 成 与 轴 向 垂 直 的平断口；当车轴的拉伸强度提高 ５％ 后，其光滑试样旋转弯曲疲劳性能也得到明显提高，环 形 缺 口 试 样 虽 中 值 疲 劳 强 度 比 光 滑 试 样 的 降 低 １８％ ，但 其 旋 转 弯 曲 疲 劳 极 限 缺 口 敏 感 系 数 仍 与 国 外 碳 素钢车轴保持在同一水平上。