探究车轮材料拉－扭多轴疲劳寿命及损伤行为，结果表明？

摘 要：

为了探究车轮材料在拉-扭多轴疲劳条件下的寿命以及损伤特性，我们采用了MTS品牌的拉扭疲劳实验设备，进行了相应的拉-扭多轴疲劳试验。在试验过程中，我们详细分析了疲劳试样的断裂口宏观及微观结构、表面及剖面损伤情况，并研究了载荷幅值对拉-扭多轴疲劳寿命及损伤行为的影响。研究结果显示，多轴疲劳寿命与载荷幅值呈现负相关关系。疲劳试样的断裂面可分为裂纹扩展区域和瞬断区域两个部分。在裂纹扩展区域，可见众多放射状裂纹，其微观结构表现为解理扇形河流状图案，这属于典型的脆性断裂。而在瞬断区域，通过微观观察，可以发现众多韧窝结构。载荷幅度减小，韧窝会变得更大，且其边界变得更加模糊，这表明断裂特征从韧性断裂向韧脆性准解理混合断裂转变。表面疲劳所形成的微小裂纹的平均尺寸会随着载荷幅值的增加而逐渐减小，同时，这些裂纹的平均扩展角度总体上也呈现出下降的趋势。

1 试样制备与试验方法

本试验所采用的CL60车轮材料，其化学成分详见表1，其显微组织结构为铁素体与珠光体的均匀混合。试样设计严格依照GB/T 3075－2021和GB/T 12443－2017两项标准执行，其长度设定为125毫米，直径则为15毫米；测试段长度为10毫米，直径为8.5毫米；表面粗糙度大约为0.2微米；实际测得的硬度值为320 HV0.5。

实验于常温条件下展开，借助MTS品牌的拉扭疲劳测试设备，设定了5赫兹的加载频率，实施了正弦波形的恒定幅值加载，同时实施了轴向力的精确控制以及切向扭矩的精准调节。模拟了不同轴重条件下的最大接触应力，这些条件包括21吨、23.5吨、25吨和30吨的轴重；对应的轴向载荷分别是44.1千牛、46.7千牛、48.1千牛和52.7千牛；切向载荷则分别为37.5牛顿·米、39.7牛顿·米、40.9牛顿·米和44.8牛顿·米；应力比固定为0.4，相位差保持为0。

2 试验结果与讨论

2.1 载荷幅值对多轴疲劳寿命的影响

试验数据揭示，随着载荷幅值的提升，拉-扭多轴的疲劳寿命呈现下降趋势。当轴向载荷从44.1 kN增至52.7 kN，其平均疲劳寿命由约194360次循环降至约43360次循环。这一现象归因于正应力主导下的裂纹扩展过程，载荷的增大使得裂纹扩展速度加快，进而导致使用寿命缩短。

2.2 多轴疲劳损伤分析

2.2.1 断口损伤宏观分析

疲劳试样的断裂面可划分为裂纹蔓延区域和瞬间断裂区域。在裂纹蔓延区域，颜色较为明亮，裂纹呈现辐射状分布；而在瞬间断裂区域，颜色则较为深沉，裂纹呈现出扇形。当载荷的幅度不断上升时，瞬间断裂区域的面积会逐渐缩小（从9.2平方毫米减少到4.5平方毫米），同时，裂纹蔓延区域与瞬间断裂区域之间的垂直距离也会相应减小（从2900微米降至2000微米）。

2.2.2 断口损伤微观分析

裂纹扩展区域的微观结构呈现出典型的解理扇形河流状图案，这种特征属于脆性断裂类型；在瞬断区域，可以观察到众多韧窝，随着载荷幅值的降低，韧窝逐渐增大并变浅，其边界变得模糊不清，断裂形式从韧性逐渐过渡到韧脆混合状态。

2.2.3 表面损伤

随着载荷幅值的提升，表面疲劳产生的微裂纹数量逐渐增加，同时其平均宽度与扩展角度呈现减小的趋势。在载荷为44.1 kN时，微裂纹的平均宽度为1164.5微米，扩展角度为38.5度；而当载荷增至52.7 kN时，平均宽度减少至252.2微米，扩展角度则进一步降低至22.2度。

2.2.4 剖面损伤

剖面观测结果表明，微裂缝通常以较大角度向样本核心区域延伸，其深度普遍不超过20微米，仅有少量裂缝的延伸较为深远。随着载荷幅值的增加，裂缝的扩展角度也随之增大。

3 结论

载荷数值增加，导致多轴的疲劳使用寿命相应减少，当最大载荷达到52.7千牛时，其使用寿命大约降至43360次。

该断口由裂纹的扩展区域（表现为脆性断裂）以及瞬断区域（从韧性向韧脆混合状态过渡）两部分构成；随着载荷的增大，瞬断区域的面积呈现出逐渐缩小的趋势。

随着载荷的增加，表面微裂纹的数量逐渐上升，同时，这些裂纹的平均宽度有所减小，扩展角度也同样呈现缩小的趋势。

剖面上的裂纹扩展呈现出较大的角度，并且随着载荷的增加，这一角度也随之增大，同时裂纹的深度普遍在20微米以下。

文章出处：引用编号为doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.007的文献资料。