（工程力学专业论文）钢轨钢疲劳短裂纹扩展行为的研究.pdf

北京交通火学硕士毕业论文 摘要 摘要 随着列车轴重、运行速度和行车密度的提高及高强耐磨钢轨钢的应用， 接触疲劳损伤成为线路钢轨主要的失效形式之一。钢材的性能严重影响钢 轨的接触疲劳寿命。通过对在不同循环周数下接触疲劳试样的裂纹进行观 察发现，接触疲劳裂纹的扩展寿命占其总寿命的大部分。对钢轨钢接触疲 劳裂纹扩展行为进行微观层次的试验研究有助于分析钢轨钢的接触疲劳行 为。 本文利用s e m 连续动态观察疲劳短裂纹扩展的过程。用u 7 1m n 和 u 7 5 v 钢轨钢材料进行i 型和i - i i 复合型疲劳加载、准静态加载试验，观察 试验现象：研究短裂纹的扩展规律；从微观结构等方面分析对短裂纹扩展 的影响因素；对比分析两种类型裂纹的扩展规律。用有限元方法分析裂纹 尖端附近塑性区的分布情况，比较发现试验结果和有限元计算结果基本吻 合。 关键词：钢轨钢，塑性，扫描电镜，疲劳断裂，短裂纹，有限元 ! ! 室壅要查堂堡主望些笙奎垒! 壁竺! a b s t r a c t c o n t a c tf 乱i g u ed 锄a g ei so n eo f 血ef o 衄so f t h er a i l i n gr a i lf a i l u r ew i t hm e i n c r e a s e so fg r o s sr a n1 0 a do na ( 1 e ，m n n i n gs p e e da i l dr a t eo f 廿a 伍cn o w t h e p e r f o 彻a n c eo ft h es t e e lp r o d u c t s a a e c t st 1 1 ec o m a c tf a t i g u e1 i f eo fm i l s s i 2 n i f i c a n t l yi n s p e c t i o no ft h ec r a c ki nt h ec o m a c tf a t i g u et e s ts 锄p l eu n d e r d i 仃c r e n tf a t i g u ec y c l e ss h o w e dt h a tt h el i f eo ft 1 1 ec o m a c tf a t i g u ec r a c ko c c u p i e s m a i np a r to ft h et o t a ll i f ep e r i o d t h ee x p e r i m e n t a li r l v e s t i g a t i o no n 血e 掣o w m b e h a v i o ro fm ec o n t a c tf 乱i g u ec r a c ko fr a i ls t e e l i nm i c m s c o p i cv i e wi sh e l p f u l t oa 1 1 a l y z et h eb e h a v i o ro f t h ec o n t a c tf 甜i g u ec r a c ko f r a i ls t e e l i nm i sm e s i s ，t h ec o 埘n u o u si n - s i t uo b s e r v a t i o n so fm ef 撕g u ec r a c k g r o w ma r em a d eb yu s i n gt h es c 刎n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) t h e m i c r o s t m c t u r ep a t 七e m so fu 7 1 m na n du 7 5 vr a i ls t e e ln e a rm ec r a c kt i p su n d e r t h ei m o d c 锄di i im i x e dm o d ef a t i g u e1 0 a d sa n dq u a s i s t a t i cl o a d sa r e p r e s e m e d t h eg r o w t l ll a wo f 廿1 es h o r tf 乱i g u ec r a c ki sd i s c u s s e d t h ef a c t o f s a s s o c i a t e dw 曲世mm i c r o s c o p i cs t m c h e ，w h i c hi i l f l u e n c et h eg r o w mo ft h e s h o r tf a t 培u ec r a c k ，a r ee x p l o r e d 耽ef a t i g u ec r a c kg m w mb e h a v i o ro ft h e u 7 1 m na n du 7 5 vr a ns t e e li sc o n 撕l s t e d 1 1 1 ed i s t r i b u t i o no fm ep l a s t i ca r e a n e a rt h ec r a c k 廿pi sc a i c u l a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt 1 1 er e s u l t sa r e q u a l i t a t i v e l yi na c c o r d a i l c ew i t 王lt h ee x p e r i m e m a lr e s u l t s k e yw o r d s ：r a i ls t e e l ；p 1 a s t i c i t y ；s c a i m i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ；f a t i g u e f i a c t u r e ；s h o nc r a c k ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 0 年1 0 月1 7f 1 ，一列旅客列车从伦敦的k i n g 7 sc r o s s 驶往l e e d s 的途中，在通过距离伦敦1 7 k m ，半径为1 4 6 0 m 的曲线时，因为钢轨发丝般 的裂隙导致钢轨断裂，列车出轨。整个列车1 l 节车厢的后面8 节脱轨，2 节几乎完全倾覆，另有l 节客车和餐车严重受损；车上共有1 8 2 人，4 人死 亡，7 0 人受伤，有的还伤势严重。 不久就查明脱轨事故是由曲线外侧钢轨的断裂引起的。调查发现在第 一个裂纹后3 5 m 长的钢轨断裂成3 0 0 块，裂纹继续向前延伸了4 4 m ，另有 长约5 4 m 的类似裂纹。很明显最初和随后的裂纹基本上是由钢轨已经存在 的疲劳裂纹引起的【l j 。 由此可见，钢轨的疲劳损伤对铁路运输起着巨大的影响作用。通过对 接触疲劳试样在不同循环周数下的裂纹进行观察发现，接触疲劳裂纹萌生 寿命占总寿命的( 2 5 5 0 ) 。因此，接触疲劳裂纹的扩展寿命占其总寿命的大 部分。 出厂的钢轨本身存在着疲劳源，主要包括钢轨内的白点、气泡以及钢 轨溶渣里的非金属夹杂物等。在列车的交变动力作用下，这些微小的疲劳 源逐渐扩展形成斑源。该疲劳断面具有平坦光滑的表面，呈光亮银色，称 为白核；当它发展到了轨面，断面受氧化作用而变黑，称为黑核【2 j 。白核和 黑核统称为核伤，也称为轨头断裂面裂纹，其本质即为接触疲劳引起的复 合型裂纹【3 1 。钢轨内部材料的缺陷是形成核伤的内因，而外部荷载的作用是 外因，促使核伤的发展 4 。核伤通常隐蔽在轨头的内部，无法从外部进行观 察。当核伤面积占轨头面积的比重增大时，钢轨的静力强度即相应减小。 当达到i 临界尺寸后，钢轨会突然断裂，常常引起灾难性的事故。因此，核 伤是最危险的一种钢轨伤损形式。 钢轨核伤主要包括轨头表面金属的破裂或剥离；轨头内部的纵横型核 伤；轨头内部的横向疲劳裂纹型核伤；钢轨接头伤损以及轨头纵向的水平 或垂直裂纹等几种形式口，”。接触应力通常被认为是导致接触疲劳的最大影 北京交通大学硕士毕业论文第一章绪论 响因素【7 】。大量的试验结果表明，接触疲劳寿命随着接触应力的增大而呈指 数规律降低：预制钢轨内存在的残余应力也是诱导接触疲劳的重要因素， 一般随着钢轨强度的提高而愈加显著，如果残余应力过大就会引起和促进 钢轨的疲劳和断裂陋j ；微观组织结构也影响着接触疲劳，根据研究发现材料 的强度越高其接触性能也越好【9 1 ；此外，滞留在钢轨中的化学元素s 和p 以及钢轨冶炼过程中吸收的气体和分解的氢气都能影响钢轨金属的特性从 而影响接触疲劳寿命。 轨道经过长时间的运营后，钢轨在交变应力的作用下会萌生微观裂纹， 继而扩展为宏观裂纹，而裂纹一旦扩展到其临界值就会骤然失稳扩展而引 起材料的疲劳断裂，发生车毁人亡的事故。现代列车高速、密集和重载的 特点大大提高了车轮的交变动力，加剧了钢轨接触表面、亚表面裂纹的产 生和扩展，从而更容易形成危及行车安全的核伤( 复合型裂纹) 。尤其是在 主干线和大半径线路上更为严重，严重的接触疲劳使轮轨系统接触状况恶 化，冲击、振动及噪声增大，给行车带来了安全隐患。因而对于钢轨这类 承受交变应力的构件，掌握其裂纹扩展规律，尤其是研究短裂纹的扩展规 律和现象，在稳定扩展时期就可以采用有效措施，不至于发生失稳扩展而 断裂，这对实现“高速、重载”有积极的作用。 本文拟针对疲劳短裂纹问题进行研究。通过三点弯曲试验，用扫描电 镜观察两种钢轨钢材料在疲劳加载和准静态加载下裂纹的扩展情况。研究 其扩展规律、分析试验现象产生的原因。 1 2 疲劳短裂纹问题的研究进展 短裂纹的扩展特性在1 9 5 9 年就观察到了，1 9 6 4 年d el o v n g e 在研究铝 合金和3 5 c d 4 钢的疲劳时，提出了疲劳短裂纹的概念。但是直到7 0 年代中 期，才比较确切地提出疲劳短裂纹问题。 1 2 1 疲劳短裂纹的定义及分类 从德国工程师阿尔伯特在1 8 2 9 年第一个提出疲劳问题以来，人们注意 到在构件的应力集中部位、焊缝附近、铸造缺陷以及加工表面划伤处，常 常会出现一些很小的表面裂纹、角裂纹或很浅的穿透裂纹，这些裂纹的后 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 继生长会导致构件的断裂破坏。初期人们把这些很小的表面裂纹或角裂纹 称为小裂纹，而把很浅的穿透裂纹成为短裂纹。随着人们认识的不断深入， 直至7 0 年代末，国际上才将人们过去俗称的小裂纹或短裂纹统称为疲劳短 裂纹，简称短裂纹【l ”。 杜彦良认为【l 驯短裂纹主要是指在裂纹扩展方向上，裂纹尺寸很小，比 裂纹体的其它几何尺寸小得多。从理论上讲，所谓短裂纹是指深度不超过 产生裂纹的应力应变场的控制范围，超过这个临界长度的称为长裂纹或 是深裂纹。但是在工程上，理论定义的短裂纹尺寸太小，不好观测，于是 采用短裂纹的条件值，如 2 盯3 ) ， 虽然为长裂纹，但也显示出短裂纹的特性。当然，对于微观结构短裂纹， 北京交通大学硕士毕业论文第一章绪论 应力水平也是有影响的。如果施加的应力水平低于疲劳极限，则短裂纹扩 展就不会超过最强障碍；如果应力水平再低一些，也许还不会超过较弱的 障碍；在正好高于疲劳极限的应力水平下，短裂纹的扩展速率会先减小， 达到极小值后再逐渐升高。可见，施加应力的大小对短裂纹的扩展特性影 响非常明显。 由上可见，人们对短裂纹问题的研究，主要集中在微观结构、闭合效 应和裂尖张开位移、裂尖和缺口塑性、应力水平等方面，有关短裂纹扩展 的宏观现象和宏观特征已大致清楚，但在裂纹扩展的驱动力和微观控制机 理等方面还不是很清楚。因此要弄清裂纹扩展的本质，还需要作深入的研 科1 4 ，15 1 。 1 2 5 短裂纹扩展的理论模型 短裂纹问题的实质是由于不能唯一地用断裂力学参量来描述具有各种 不同尺寸的疲劳裂纹的扩展而出现的。随着短裂纹问题的深入，人们除了 对其扩展特征和影响因素进行细致的试验研究外，对短裂纹的模型也进行 了探讨。人们试图寻求一个能够反映短裂纹扩展规律，并且具有物理和数 学关系，来描述短裂纹的扩展。目前存在的一些短裂纹行为的模型，都是 立足于实验，为经验和半经验型，根据采用背景理论的不同，这些模型可 归为四大类【1 5 1 8 】。 1 2 5 1 微结构断裂力学方法 m i l l e r 【1 9 ，2 0 1 把疲劳裂纹分为三个阶段：微结构短裂纹( 第1 阶段) 、物理 短裂纹( 第1 i 阶段) 、长裂纹( 第i 阶段) 。在疲劳裂纹的第1 阶段，裂纹 的扩展速率随着裂纹长度的增加而降低，这是因为材料的微观组织结构对 裂纹扩展有障碍作用。而且裂纹的扩展速率和周期性的载荷条件及材料的 基本力学性能有一定的关系。h o b s o n 【2 0 1 提出： 1 出 ，盯e仃，d d 、 ：鬲2 ，吁，i ，”，苫，t j ( 1 1 ) 其中盯= 施s ：，对于确定的材料和载荷条件，裂纹扩展速率只是裂纹长度 和材料微观组织单元尺度d 的函数，通过取式( 1 1 ) 级数展开式的首项， 得到裂纹的扩展方程： 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 ! 生：c d a f d d ) 1 一a ( 1 2 ) d n 式中： c 刈等，知、丘。尼。七7 其中：e 为杨氏模量；盯。为屈服应力；c 和a 为由给定的材料和载荷条件 等试验确定的参数；d 为特征尺寸，它反映相邻两个阻碍裂纹扩展的障碍之 间的距离。 为了使上式预测的裂纹扩展速率当a 斗d 时呈下降趋势，a 的取值范围 应该为：o 口 1 。 在o a d 范围内，疲劳短裂纹的扩展速率随长度的增加而降低。式 ( 1 2 ) 中假定裂纹在主要障碍( 晶界等) 处扩展停止，即当日= d 时， 出d = 0 ，这是疲劳的极限条件，所以它只能描述微观结构短裂纹的扩展。 此外该模型直接由数学关系式推导而出，其物理、力学背景不明朗。 郭隽等人【2 1 1 提出了另外一个描述微结构短裂纹扩展特性的b r o w n h o b s o n 模型，该模型基于微观断裂力学建立了一个短裂纹扩展方程： 黑= 4 ( t ) 。( 以一吼) ( 1 3 ) 州 、。、“ 其中：t 为切应变范围；爿和口为材料常数；d 为裂纹距扩展障碍的最大 可能距离；d 。为细观组织的第一门槛值。式( 1 3 ) 与式( 1 2 ) 略有不同的 是把y 作为变量，而不是常数。 同时应用弹塑性和线弹性断裂力学，使模型扩展到长裂纹( 包括物理短 裂纹和长裂纹) 范围，并建立了短一长裂纹过渡条件。其裂纹扩展速率方程 为： 熹却( 坼d ( 1 4 ) 其中：b 和为材料常数；q 为长裂纹的长度；d 为裂纹扩展速率门槛值， 它与细观组织第二门槛值相关。 1 2 5 2 线弹性断裂力学方法【2 2 】 第二类模型立足于长裂纹的研究方法，仍以外部驱动力作为裂纹生长的 北京交通大学硕士毕业论文第一章绪论 主驱动力，通过对l e f m 的修正来描述短裂纹行为。其控制参数为远场值， 易确定，且控制参数与l e f m 相似而容易应用于工程实际，但其应用范围 一股局限于物理小裂纹，且由于其修正多缺乏物理背景，所以难以揭示短 裂纹行为的物理本质。在这些理论中，最著名的是h a d d a d 门槛值修正和 世m 理论 2 2 】。h a d d a d 通过引入材料常数f 0 ，修正门槛值公式中的裂纹长度， 使得门槛应力与裂纹长度的关系符合k i t a g a w a 曲线；k 。理论则立足于裂 纹闭合效应，认为小裂纹与长裂纹存在着共同驱动力e 。 在线弹性断裂力学范围内，应力强度因子k 能够恰当地反映裂纹尖端 的应力场强度。高周疲劳时，裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度。试 验证明，应力强度因子茁也是控制裂纹扩展速率别洲的主要参量，即 驯捌。和应力强度因子幅值从存在一定的函数关系。即由p a r i s 根据实验得 出一个经验关系式： 豢= c ( 斌) ” ( 1 5 ) c “v 其中：c 和m 为材料常数， m 不随构件形状和载荷改变，c 与材料的力学 性能和试验条件有关；世为由交变应力最大值。和最小值。所计算的 应力强度因子值之差。 许忠勇口3 j 等人还提出了疲劳裂纹扩展速率公式及裂纹扩展方程： 熹= c 蠼瓜习丽一q d 瓜丽 ( 1 6 ) 其中：c 为每循环周期内的起裂角变化值，是该公式未列出影响因素的级数 展开式中的负值常数项；= 翰2 = k m 为对称载荷下的门槛值； = ，2 = 1 一乜肠i 为非对称载荷下的门槛值；k 为试件的断 裂韧度；e = 疋( 1 + r ) ( 1 一只) 为平均应力强度因子： 托= k 。一如。= 2 k 为名义应力强度因子变化幅值；m 为惯性效应系数； r 为应力比；c = 一q ( 疗一) 。 另外，史生良2 4 1 等人根据试验提出了疲劳短裂纹的扩展规律： 豢= c 仃”口 ( 1 7 ) 北京交通大学硕士毕业论文 第章绪论 其中：c 和m 为与材料、载荷类型、应力比有关的常数；d 为名义应力幅 度。他们认为疲劳裂纹的扩展速率是由参数盯“a 来确定的，即在短裂纹的 条件下，扩展速率的控制参数是a ”日，而不是足，因为其扩展规律不是 由斌唯一确定的。当日 s ，时，疲劳裂纹的扩展机制就不再是累积型的，这个模型也 4 北京交通大学硕士毕业论文第一章绪论 不再适用。该模型仅得到试验结果的初步证实，还有待于通过进一步的试 验工作加以改进、完善和验证。 1 2 5 4 位错模型 断裂力学方法在描述疲劳裂纹扩展中得到比较广泛的应用。但是，它 对裂纹尖端附近的应力场和应变场的断裂力学描述过于简化，不能真实地 反映裂纹扩展的物理过程，难以得到进一步的结果。因为在疲劳裂纹扩展 过程中，裂纹尖端附近的变形和损伤具有高度局部化的特征，显然断裂力 学方法此时是完全不适用的，而弹塑性断裂力学由于其均匀连续性假设， 同样和实际情况相差较大。位错模型可以精细的描述疲劳裂纹尖端附近材 料在交变载荷作用下损伤演化行为。 疲劳裂纹第1 阶段扩展的微观机理还不是很清楚，这方面的试验结果也 不多。目前的理论一般认为裂纹尖端的损伤累积达到临界值时裂纹扩展， 且累积损伤和裂尖累积塑性应变成正比 1 8 】。 砌o s 【1 8 ，2 9 1 等提出短裂纹的扩展速率和裂纹尖端的塑性位移成正比： 黑：朋石耐) i 1 一兰掣弘 ( 1 1 5 ) 删vd“ 其中：为滑移带中对裂纹延伸起作用的位错比例：d 为起障碍作用的微观 组织特征尺度；x 为裂纹尖端到障碍物的距离( o x d ) ；r 为作用于滑 移带的剪切力：b 为依赖于相邻晶粒取向的参数。 ，i h a l 【1 8 ，3 0 1 等提出了一个裂纹扩展和晶界相互作用的模型。该模型认为 疲劳裂纹扩展的第1 、i i 阶段，裂纹尖端发射位错滑移，且和晶界相互作用， 随着载荷的增加，滑移带的状态随之改变。他假定裂纹扩展速率是由裂尖 发射位错的数量控制的，即裂尖滑移位移幅值c 疆d 。对小范围屈服来说， 0 t s l l k a l 3 l j 等给出了关系式： 矗“ _ = 兰= 占( c 邪d ) ” ( 1 1 6 ) d ，v 其中埘1 。从式中可以看出，裂纹扩展速率是c 礤d 的单调递增函数。但 是该模型没能反应出交变载荷的作用以及裂纹尖端损伤逐渐发展的过程。 史建平【1 5 】还提出了一个萌生裂纹扩展的位错模型。如图1 5 所示，假设 在一个有限体内的z 平面上，障碍z = 口之间沿着z 轴分布有滑移带，它 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 受到纯剪切力f 的作用；一c 和c 之间有一个裂纹。 7 t 图1 5 萌生裂纹扩展的位错模型 这里把裂纹看成是位错无阻力通过的区域，而在其它位置，滑移带受 到一个阻碍其运动的摩擦应力f ，的作用。当f 缓慢达到最大剪应力。时， 不仅产生f ，而且在裂纹处产生刃位错，这些位错通过剩余的滑移带塞积 在障碍处。假设位错分布是连续的，且裂纹扩展速率和通过裂纹尖端的位 错数目成正比，则得出裂纹扩展速率的函数： 唑：陋一1 十三眦s i n c ) 厕 2 ( 1 吖8 。二 ( 1 1 7 ) r ： 、1 + h1 1 1 1 塑塑哗善坠丝蚪 石。 l ( c 一盖) ( 1 一c 2 ) ( 1 一x 2 ) + 1 + c x 其中：x = x 口；c = c 口；如砌为裂纹扩展速率；为剪切模量；y 为 泊松比；s 为通过裂纹尖端并对裂纹扩展有效的位错份数；口为裂纹长度； f ，为内摩擦应力；眦。为最大剪应力。 上式表明，萌生裂纹的扩展速率取决于裂纹长度、晶粒尺寸和最大剪 应力与内摩擦应力的比值。该模型只适合于包含在萌生晶粒内的小裂纹扩 展。 吕文阁口2 】提出一个疲劳短裂纹生长位错模型。他认为疲劳短裂纹的早 期生长总是沿着最大剪切应力方向。因此可以把形成过程中的疲劳短裂纹 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 模拟成滑移中的连续分布的双刃型位错塞积群。考虑无限大、各向同性的 含裂纹弹塑性介质，在介质无穷远处作用着均匀循环剪切应力。以连续分 布的刃型位错双塞积群来代替疲劳短裂纹及其塑性区。在疲劳载荷加载阶 段，当循环应力达到最大值。时，疲劳短裂纹损伤区位错将处于一平衡状 态。此时位错平衡方程为： 爿c d + 只( x ) ：o ( 1 1 8 ) 其中：彳= 五者；一为剪切模量；b 为位错的b u r g e r s 矢量；y 为泊松 比；c 1 为最大应力时疲劳短裂纹损伤区的半长。且( x ) 是此时损伤区内各点 的合外应力，由下式确定： p 。( 垆卜瞥d ( 1 1 9 ) 【舣一0d h c l 其中：a 为疲劳短裂纹的半长：f ，为塑性区内位错滑移的摩擦阻力。 他认为疲劳裂纹扩展速率取决于塑性滑移的运动学不可逆性程度。实 际情况中由于材料特性、环境等因素都可以显著地影响塑性滑移不可逆性 程度。假设疲劳短裂纹生长速率依赖于裂纹顶端塑性位移幅度m ，并具有 如下形式： 黑= c ( 西) ” ( 1 2 0 ) 其中：c 和m 为材料常数。 r i o s 3 3 】基于位错理论提出一个模型，该模型通过考虑晶界阻塞产生的裂 尖滑移带来定量描述细观组织的障碍作用，提出短裂纹扩展速率与裂尖滑 移带处塑性位移成正比： 黑= 口( m ) 6 ( 1 2 1 ) 州 、7 其中：o = m 。一面i j 。，中。和中。分别是对应于盯。和仃。；。时裂纹尖端 的塑性位移；占和6 为材料常数。 它描述了短裂纹的减速、加速趋势，通过断裂力学分析，引入短一长 裂纹过渡条件，修正了长裂纹阶段的结果。但没有考虑裂纹之间相互干涉 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 作用，而在实际工程中通常是众多裂纹相互作用而扩展的，也就是说疲劳 短裂纹萌生和扩展过程是裂纹群体行为演化的结果【2 “。 在上述模型里，经验性的成分比较多，对试验数据的依赖性大。这些 模型很多都缺乏物理基础，对疲劳破坏的物理机制考虑的不是很充分，其 中有些模型纯粹就是经验性的公式。随着试验手段和显微观察技术的提高， 人们对疲劳裂纹尖端狭小范围内材料的裂化过程有了更为深刻的了解，则 在此基础上发展起来的位错模型可以更确切描述疲劳短裂纹的扩展过程， 目前这些模型所得到的结果可以很好地解释疲劳短裂纹扩展过程中的一些 物理现象，但是难以体现复杂的交变载荷的作用，这也是有待于人们解决 的问题。 目前扫描电镜的试验技术已经成熟，很多学者用扫描电镜对材料做微观 组织的研究。目前国内有不少人利用扫描电镜来观察钢轨钢材料疲劳裂纹 的扩展情况。李金泉【3 4 】等人利用s e m 对1 6 m n 钢对焊接头的焊缝及热影响 区( h a z ) 中疲劳裂纹的萌生与扩展机理进行了研究。马杭p5 】等人在s e m 下对两种铁素体一珠光体钢中的低周疲劳裂纹扩展进行了动态原位观察。发 现疲劳裂纹只在铁素体中扩展，而珠光体团阻碍其扩展。提出疲劳裂纹扩 展的形态及方式与材料的疲劳裂纹扩展阻力之间存在着一定的关系。胡志 忠【3 6 】等人利用扫描电子显微镜疲劳加载台进行动态原位观察，研究了奥氏 体( a ) 在( f + m + a ) 三相钢低周疲劳裂纹萌生和扩展过程中的作用。崔 教林【3 7 j 等人用扫描电镜对在空气中2 ( 1 ，4 ) c r - 1 m o 钢的短裂纹低周疲劳扩 展特性进行研究，并进行断口分析。 1 3 本文的研究内容 第一章简要介绍了短裂纹的定义、分类及特点；短裂纹研究的实际意 义；影响疲劳短裂纹的因素和短裂纹扩展的理论模型等。 第二章介绍三点弯曲试验的试验系统及试验材料。 第三章介绍用s e m 连续动态观察疲劳短裂纹扩展的方法。用u 7 l m n 和u 7 5 v 钢轨钢材料进行i 型和i i i 复合型疲劳加载、准静态加载试验，观 察试验现象；研究短裂纹的扩展规律：从微观结构等方面分析对短裂纹扩 北京交通大学硕士毕业论文 第一章绪论 展的影响因素；对比分析两种类型裂纹的扩展规律。 第四章用有限元方法分析裂纹尖端附近塑性区的分布情况。 第五章作者在总结本文主要结论的基础上，对未来研究工作的主要趋 势作了展望。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 2 1 引言 第二章扫描电镜试验系统 研究钢轨铜疲劳裂纹的扩展过程有着重要的实际意义。过去人们采用 一些直接的观测方法，如用光学显微镜，再配合复型、栅格等技术，但是 那些方法存在很多缺点，不可能很细致地了解裂纹尖端小范围的变化及其 微观特征，检测精度低p ”。 后来人们想到用扫描电镜( s e m ) 来进行观测，可是由于早些年没有现成 的产品，人们还要自己设计电路，因此尽管该方法比光学显微镜法有了很 大的进步可是仍存在一定的局限性【3 “。 随着科技的发展，仪器的精密化，目前人们可以用精度很高的扫描电 镜来进行观察，在本文试验中用的是日本津岛公司生产的s s 一5 5 0 型扫描电 镜。该仪器比传统直接观测的光学显微镜精度高，并且集成了控制电路， 能细致、方便地了解裂纹尖端小范围的变化及其微观特征，是目前条件下 较为理想的观察复合型裂纹扩展过程的工具。 本文正是在此背景下，利用扫描电镜( s e m ) 技术动态地观察疲劳加载和 准静态加载下裂纹扩展的微观过程。针对目前我国铁路的实际情况，本文 将研究不同钢轨材料的疲劳断裂性能，为铁道部门制定安全评定提供分析 依据。 2 2 试验设备 该型号扫描电镜是利用细聚焦的电子束，在样品表面逐点扫描，用探测 器收集在电予束作用下，样品中产生的电子信号，把电子束转换成图像的仪 器。 扫描电镜的结构分为五部分：电子光学系统，扫描系统，信号接收和显 示系统，样品台及真空系统。图2 1 为日本岛津s s 5 5 0 型扫描电镜外貌图； 图2 2 为日本岛津s s 5 5 0 型扫描电镜结构示意图。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 图2 1日本岛津s s 5 5 0 型扫描电镜外貌图 图2 2日本岛津s s 5 5 0 型扫描电镜结构示意图 2 2 1 电子光学系统 扫描电镜的电子光学系统主要由电子枪和电磁透镜组成。电子枪提供一 个稳定的电子源，形成电子束。s s 5 5 0 采用性能较为稳定的发夹式钨丝电 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描屯镜试验系统 子枪，用直径约为0 1 m m 的钨丝，弯成发夹形，形成半径约为1 0 0 “m 的v 型尖端，当灯丝电流通过时，灯丝被加热，达到工作温度后便发射电子。在 阴极和阳极问加有高压，这些电子则向阳极高速运动，形成电子束。 电子束在高压电场作用下，被加速通过阳极轴心孔进入电磁透镜系统。 该系统由聚光镜和物镜组成，其作用是依靠透镜的电磁场与运动电子相互作 用使电子束聚焦，将电子枪发射的电子束，约( 1 0 - 1 5 ) 岬，压缩成( 5 2 0 ) n m ，缩小约1 1 0 0 0 0 。聚光镜可以改变入射到样品上电子束流的大小，物镜 决定电子束束斑的直径。 另外，电子光学系统中存在球差、色差、象散，影响最终图像的质量。 球差的产生是由于远离光轴轨迹上运动的电子比近轴电子受到的聚焦作用 更强。克服的方法是在电子光学的光轴中加三级固定光阑和物镜光阑挡住发 散的电子束。光阑通常采用厚度为0 0 5 m m 的钼片制成。物镜产生的象散用 消散器提供一个与物镜不均匀磁场相反的校正磁场，使物镜最终形成一个对 称磁场，产生一束细聚焦的电子束。 2 2 2 扫描系统 扫描电镜中的扫描系统主要包括扫描发生器、扫描线圈和放大倍率变 换器。扫描发生器有x 扫描发生器和y 扫描发生器组成，产生不同频率的 锯齿波。锯齿波信号同步地送入镜筒中的扫描线圈和显示系统c r t 中的扫 描线圈上。镜筒的扫描线圈分上、下双偏转扫描装置。其作用是使电子束 正好落在物镜光阑孑l 中心，并在样品上进行光栅扫描。配置附件可对线圈 加以控制，展开选区电子通道花样的工作。 扫描电镜图像的放大倍数使通过改变电子束偏转角度来调节的。放大 倍数等于c r t 面积与电子束在样品上扫描面积之比，减少样品上的扫描面 积可以增大放大倍数。 样品上扫描面积由扫描线圈产生的激励磁场控制，可以连续调节，所 以扫描电镜的放大倍数是可以调节的。 2 2 3 信号接收和显示系统 如图2 3 所示，电子束入射到样品表面时产生各种信息，如二次电子、 背反射电子、透射电子等，在扫描电镜中采用不同的探测器接收这些信号， 形成二次电子象、背反射电子象和透射电子象等。这里主要介绍二次电予 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 信号的接收和成像原理。 二次电子的探测系统如图2 4 所示，它包括静电聚焦电极( 收集级) ，闪 烁体探头，光导管，光电倍增管和前置放大器。二次电子在收集极的作用 下( + 5 0 0 v ) ，被引导到探测器打在闪烁体探头上，探头表面喷涂厚约百埃的 金属铝膜及荧光物质。在铝膜上加+ 1 0 k v 高压，以保证静电聚焦极收集到 的绝大部分电子落到闪烁体探头顶部。在二次电子轰击下闪烁体释放出光 子束，它沿着光导管传到光电倍增管的阴极上。光电阴极把光信号转变成 电信号并加以放大输出，进入视频放大器直至c r t 的栅极上。显示屏上信 号波形的幅度和电压受输入二次电子信号的强度控制，从而改变图像的反 差和亮度。 s s 一5 5 0 扫描电镜的分辨率可达到3 5 m 。 特征 入射电子 射电子，夕 2 罐 ，一+ 一 ，一饿 试样 诱射电子 图2 3 入射电子与样品相互作用产生的物理信息 2 2 4 样品台 s s 5 5 0 扫描电镜的观察样品台是拉出型的。操作时可以沿着x 、y 、z 三个方向移动，还可以绕x 、y 、z 轴分别旋转。此外，s s 一5 5 0 还配有力学 性能实验样品台，如图2 5 所示。可进行拉伸和三点弯曲试验，实现静态和 疲劳加载，配有高温系统。其配置试验机的性能参数为：最大载荷为士1 k n ； 疲劳周期为( o 0 0 l - 1 0 ) h z ：最大位移为士2 5 m m ：最大温度为8 0 0 0 c 。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 图2 4二次电子成像原理图 图2 5 配有高温疲劳试验机的s s 5 5 0 扫描电镜 2 2 5 真空系统 s s 5 5 0 扫描电镜采用机械泵和扩散泵，极限真空度为4 t 1 0 “m p a 。更 换样品或者灯丝后三分钟内电子枪即可达到高真空。 2 3 试验材料 试验所选的两种材料为鞍钢生产的u 7 1 m n 和u 7 5 v 钢轨钢( 又称p d 3 钢轨钢) ，其中后者目前在我国铁路上被广泛使用。u 7 5 v 和u 7 1 凡血l 钢轨钢 相比，碳的含量相近，增加了硅及钒元素，因此其强度有所提高，耐磨性 2 4 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 能优于u 7 1 m n 钢轨钢，但其韧性却不如u 7 1 m n 钢轨钢【3 9 。试样的化学成 分如表2 1 所示；钢轨钢材料的力学性能如表2 2 所示。 表2 1 试样的化学成分 注：该化学成分是由国家钢铁材料测试中心测试的，所采用的方法：c 和s 是用红外吸收法测出( n a c i sh9 9 0 0 1 ) ；其它元素都是用火花源发射光谱法 测出的( g b t 4 3 3 6 2 0 0 2 ) 。 表2 2 试样的力学性能 2 4 试样制各 l 牟争 i b = 2 1 2 6 ai 型加载试样的几何形状及尺寸 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 夏b ：2 1 2 6 bi - i i 复合型加载试样的几何形状及尺寸 图2 6 试样的几何形状及尺寸 用铝丝切割机切割出三点弯曲试样，并在试样的中央加工一个缺口， 试样的具体形状和尺寸如图2 6 所示。其中，为外加的载荷，s 为夹头的间 距，为试样的长度，b 为试样的厚度，矽为试样的宽度，d 为缺口的长度， 名为缺口的宽度。载荷p 位于两个支座的中点处。 切割好试样后当需做如下处理： ( 1 ) 手工磨光 磨光是为了消除取样时的变形层，在本试验中采用水砂纸磨平试样。 试验中用铝丝切割机切取的试样，表面粗糙且具有严重的变形层，所以需 要不同粒度( 从粗到细) 的金相砂纸逐步磨光。磨光过程可以使表面变形 层逐渐减小。水砂纸最好在水冲刷的条件下使用，这类砂纸是用碳化硅磨 料、塑料或非水溶性粘结剂制成的。 将砂纸平铺在金属板上，一手将砂纸按住，一手将试样磨面轻压在砂 纸上，并向前推移，进行磨光。直到试样磨面上仅留有一个方向的均匀磨 痕为止。在试样上所加的压力要均衡，磨面与砂纸必须完全接触，这样可 以使整个磨面被均匀地磨削。在磨光的回程中最好将试样提起拉回，不与 砂纸接触。 ( 2 ) 抛光 金相试样经磨光后，有细微磨痕以及表面仍有金属的形变扰动层，影 北京交通大学硕士毕业论文 第二章扫描电镜试验系统 晌正确地显示组织，因此必须进行抛光。这样可以抛掉磨面上的痕逊，还 可以消除磨面上的形变扰动层。在本试验中采用机械抛光方法。 机械抛光时把一些帆布、呢纶用夹箍紧紧蒙在抛光盘上，把微粉磨料 的水悬浮液撒在这些织物上，用这些织物可以储存部分润滑剂，从而保持 抛光顺利进行；织物纤维间隙可以存储抛光微粉，微粉部分露出表面，可 以产生消磨作用，且可以阻止磨料因抛光盘的离心力飞出去；织物上纤维 与磨面间的摩擦，可以使磨面更加平滑光亮。在抛光时还要不断的加入润 滑剂，以避免抛光机转动过程中不断产生的热量。 抛光后的磨面，表面光亮如镜，要求在低倍显微镜的观察下，既看不 见制样过程产生的化学缺陷，也看不见物理缺陷。 ( 3 ) 浸蚀 在抛光达到要求之后就可以进行浸蚀显示组织，进行观察研究。金相 试样抛光之后，最好立即进行浸蚀，否则将因抛光面上形成的氧化薄膜而 改变浸蚀的条件。 在试验中用浓度为4 的硝酸酒精进行浸蚀，可以采用侵入法进行浸 蚀：把抛光面向下侵入盛有浸蚀剂溶液的玻璃肌中，不断的摆动，但是不 可以擦伤表面，达到一定的时间后，取出立即用流水冲洗，中止继续浸蚀 作用，紧接着以最快的速度用酒精漂洗和用热风吹干，使水在试样表面停 留最短的时间。否则试样表面会有水迹残留( 尤其注意要烘干缺口处的水 分) ，有时候会错误地认为是附加相，影响正确的检验。浸蚀时间的范围没 有明确的规定，所以就以试样抛光面颜色的变化来判断，浸蚀时光亮的表 面失去光泽变成银灰色或灰黑色就可以了，浸蚀时间与温度有关，温度高 则时间缩短。为了便于控制，在常温条件下进行浸蚀。浸蚀之后便可以进 行微观组织的观察，观察完之后还应该储放在干燥器内，以避免磨面受潮 生锈【4 0 】。在试验开始前用丙酮液体浸泡试件，然后放在超声波清洁器中清 洗试样中由于线切割等产生的油脂，再把试件烘干，尤其要烘干缺口处存 留的丙酮，以免影响观察效果。 北京交通大学硕士毕业论文 第三章 三点弯曲试验研究 3 1 试验过程 第三章三点弯曲试验研究 试验中，i 型加载的疲劳载荷为( 0 0 4 5 o 4 5 ) k n ，i i i 复合型加载的疲 劳载荷为( 0 0 6 0 o 6 0 ) k n ；频率均为4 h z 。试验采取两种方法进行i i i 复合 型加载：一种是直接对试样进行i i i 复合型加载；另一种是先进行i 型加载 到一定周数，试样出现一定长度裂纹后再进行i i i 复合型加载。 疲劳加载使裂纹扩展到一定值后进行用位移控制的准静态加载，加载 速率为o 0 0 5 m r 嘶e c ，直到载荷达到最大值并开始下降至某一值时( 完全断 裂前) 停止加载。在试验中记录下不同疲劳加载周数或准静态加载下对应 的裂纹长度和角度，用s e m 拍下疲劳加载和准静态加载下裂纹附近的微观 组织形貌。 下面我们对不同疲劳加载周数或准静态加载下对应的裂纹长度和角 度、裂纹附近的微观组织形貌图进行整理分析。 3 2 试验现象观察 3 2 1 i 型加载试验现象 1 u 7 1 m n 钢轨钢l 型加载试验现象 a 疲劳加载 u 7 1 m n 钢轨钢i 型加载在组织内连续扩展照片( s e m ) 见附录i 。 ( 1 ) 从裂纹连续扩展的照片可以看出：疲劳加载初期( 5 2 0 0 ) ，裂纹曲折不 直，主裂纹前方沿着一定的方向形成一个未与主裂纹相连的枝裂纹。这 些枝裂纹是在交变的塑性应变作用下逐渐形成的，具有疲劳损伤的特 点；主裂纹扩展方向与载荷方向相反( 图i 0 0 1 ) 。疲劳周数继续增加 ( 8 6 6 0 ) ，主裂纹继续向下扩展，枝裂纹也继续扩展，但仍未与主裂纹相 连( 图i 0 0 2 ) 。疲劳周数增加到1 2 2 0 0 时，裂纹继续扩展，变宽；主裂 纹仍曲折不直，其前方又形成一些与主裂纹相连的枝裂纹( 图i 0 0 3 ) 。 疲劳周数为1 5 0 0 0 时，裂纹扩展方向改变较大，裂纹附近的材料发生变 北京交通大学硕士毕业论文 第三章二三点弯曲试验研究 形( 图i 0 0 5 ) 。继续循环到1 7 0 0 0 时，主裂纹附近出现一些与主裂纹相 连的枝裂纹a 、b ，枝裂纹b 扩展得较长；在枝裂纹b 上又产生技裂纹 c ( 图i 0 0 6 ) 。循环为1 8 0 0 0 时，枝裂纹a 、c 扩展缓慢，裂纹沿着枝 裂纹b 扩展成为主裂纹，同时裂纹变宽( 图i 0 0 7 ) 。循环周数为1 9 0 0 0 时，裂纹在珠光体团边界d 处同时沿着b 、f 两个方向扩展，枝裂纹e 稍长、稍宽( 图i 0 0 8 ) 。循环周数继续增加( 2 0 0 0 0 ) ，枝裂纹f 比e 扩 展得更快而成为主裂纹，枝裂纹e 附近的材料发生较强烈变形，同时产 生一些新的枝裂纹( 图i 0 0 9 ) ；主裂纹附近出现新的枝裂纹( 图i 叭o ) ； 裂纹扩展仍曲折不直( 图i 0 1 1 ) 。循环为2 0 5 0 0 时，裂纹几乎以9 0 0 往 左边扩展，而后继续向下扩展且扩展方向变化仍然很大( 图1 0 1 2 ) 。 ( 2 ) 循环继续增加到2 1 0 0 0 ，裂纹继续扩展、变宽( 图i 0 1 3 ) ；宏观上看， 裂纹扩展方向有偏离，但是角度较小( 1 7 。) ，基本符合i 型加载扩展； 主裂纹附近还有未与主裂纹相连的枝裂纹( 图i 0 1 4 ) 。循环为2 1 5 0 0 时， 裂纹扩展方向与竖直方向夹角较小( 图i 一0 1 5 ) 。 ( 3 ) 整体上看，整个疲劳扩展过程没有明显的宏观塑性变形，属于准解理断 裂；裂纹主要是穿过、割断珠光体团扩展( 图i 0 1 0 、i 0 1 2 ) 。 b 准静态加载 ( 1 ) 疲劳加载到一定周数( 2 1 5 0 0 ) 时再改为准静态加载。载荷从2 4 4 ，o n 增 加到4 7 6 8 n ，裂纹继续扩展，变长、变宽( 图i 0 1 6 、i 0 1 7 、i 0 1 8 、i 0 1 9 ) 。 当载荷为5 6 2 5 n 时，裂纹尖端开始钝化，发生塑性变形( 图i 0 2 0 ) 。载 荷增加到6 2 5 6 n 时，裂纹尖端钝化程度增加( 图i 0 2 1 ) 。载荷为6 6 5 1 n 时，裂纹尖端右侧出现明显的滑移带( 图片上的亮带) ( 图i 0 2 2 ) 。载荷 为7 2 8 2 n 时，裂纹变宽，裂尖塑性变形程度加剧；裂尖右侧的滑移带 增多，裂纹沿着右侧滑移带扩展( 图i 0 2 3 ) 。载荷为7 3 0 5 n 时，主裂纹 变宽，裂尖右侧的枝裂纹继续扩展( 图i 0 2 4 ) 。载荷为7 4 1 8 n 时，裂尖 左侧沿着滑移带扩展，右侧裂纹继续扩展( 图i 0 2 5 ) 。载荷继续增加 ( 7 9 9 5 n ) ，主裂纹扩展得更宽，裂尖两侧沿滑移带扩展的枝裂纹继续 扩展；裂纹附近的珠光体团发生强烈变形( 图i 0 2 6 ) 。载荷为8 1 0 o n 时， 裂纹尖端左侧扩展得比右侧更快、更长：裂纹尖端钝化严重( 图i 0 2 7 ) 。 载荷为( 8 4 5 7 9 0 8 4 ) n 时，滑移带数量增加，裂尖左侧的枝裂纹扩 北京交通大学硕士毕业论文 第三章三点弯曲试验研究 展得更宽、右侧的枝裂纹扩展得较小，珠光体团发生强烈变形( 图i 一0 2 8 、 i 0 2 9 、l 0 3 0 ) 。当加载接近最大载荷( 9 4 8 5 n ) 时，裂尖发生严重的塑 性变形，裂尖严重钝化，出现强烈的滑移带：裂尖左侧的裂纹扩展缓慢， 右侧的裂纹扩展得较长( 图i 0 31 ) 。 ( 2 ) 载荷从最大值下降到菜值( 3 0 0 g n ) 时，停止加载，顺着裂纹扩展方 向观察发现：其断口处出现大量韧窝，说明材料在局部微小区域内曾发 生较强的变形( 图i 0 3 2 、1 0 3 3 、i 0 3 6 ) ；材料发生强烈变