包钢科技

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
20.77	4 446 439	211.793	2.169×10^-7	2.325 9	-6.663 7
20.63	3 385 636	213.123	2.326×10^-7	2.328 6	-6.633 4
20.51	2 831 223	216.887	2.749×10^-7	2.336 2	-6.560 8
20.43	2 473 434	219.126	3.213×10^-7	2.340 7	-6.493 1
20.05	1 954 121	221.541	3.445×10^-7	2.345 5	-6.462 8

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

20.77

4 446 439

211.793

2.169×10^-7

2.325 9

-6.663 7

20.63

3 385 636

213.123

2.326×10^-7

2.328 6

-6.633 4

20.51

2 831 223

216.887

2.749×10^-7

2.336 2

-6.560 8

20.43

2 473 434

219.126

3.213×10^-7

2.340 7

-6.493 1

20.05

1 954 121

221.541

3.445×10^-7

2.345 5

-6.462 8

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
20.77	4 446 439	211.793	2.169×10^-7	2.325 9	-6.663 7
20.63	3 385 636	213.123	2.326×10^-7	2.328 6	-6.633 4
20.51	2 831 223	216.887	2.749×10^-7	2.336 2	-6.560 8
20.43	2 473 434	219.126	3.213×10^-7	2.340 7	-6.493 1
20.05	1 954 121	221.541	3.445×10^-7	2.345 5	-6.462 8

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

20.77

4 446 439

211.793

2.169×10^-7

2.325 9

-6.663 7

20.63

3 385 636

213.123

2.326×10^-7

2.328 6

-6.633 4

20.51

2 831 223

216.887

2.749×10^-7

2.336 2

-6.560 8

20.43

2 473 434

219.126

3.213×10^-7

2.340 7

-6.493 1

20.05

1 954 121

221.541

3.445×10^-7

2.345 5

-6.462 8

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
24.16	3 724 188	208.59	2.109×10^-7	2.319 3	-6.675 9
24.22	4 357 721	207.02	1.878×10^-7	2.316 0	-6.726 3
24.41	5 802 580	204.91	1.641×10^-7	2.311 6	-6.784 9
24.48	6 282 581	202.55	1.534×10^-7	2.306 5	-6.814 2
24.56	7 061 981	200.16	1.395×10^-7	2.301 4	-6.855 4
24.61	8 399 830	199.45	1.301×10^-7	2.299 8	-6.885 7

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

24.16

3 724 188

208.59

2.109×10^-7

2.319 3

-6.675 9

24.22

4 357 721

207.02

1.878×10^-7

2.316 0

-6.726 3

24.41

5 802 580

204.91

1.641×10^-7

2.311 6

-6.784 9

24.48

6 282 581

202.55

1.534×10^-7

2.306 5

-6.814 2

24.56

7 061 981

200.16

1.395×10^-7

2.301 4

-6.855 4

24.61

8 399 830

199.45

1.301×10^-7

2.299 8

-6.885 7

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
24.16	3 724 188	208.59	2.109×10^-7	2.319 3	-6.675 9
24.22	4 357 721	207.02	1.878×10^-7	2.316 0	-6.726 3
24.41	5 802 580	204.91	1.641×10^-7	2.311 6	-6.784 9
24.48	6 282 581	202.55	1.534×10^-7	2.306 5	-6.814 2
24.56	7 061 981	200.16	1.395×10^-7	2.301 4	-6.855 4
24.61	8 399 830	199.45	1.301×10^-7	2.299 8	-6.885 7

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

24.16

3 724 188

208.59

2.109×10^-7

2.319 3

-6.675 9

24.22

4 357 721

207.02

1.878×10^-7

2.316 0

-6.726 3

24.41

5 802 580

204.91

1.641×10^-7

2.311 6

-6.784 9

24.48

6 282 581

202.55

1.534×10^-7

2.306 5

-6.814 2

24.56

7 061 981

200.16

1.395×10^-7

2.301 4

-6.855 4

24.61

8 399 830

199.45

1.301×10^-7

2.299 8

-6.885 7

试样材质	编号	R	材料系数n₁	lgC₁ /(m·cycle^-1)	相关系数	n₁平均值	lgC₁平均值 /(m·cycle^-1)	ΔK_th计算值 /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
U75V	1-1	0.1	11.423	-33.23	0.990 1	11.40	-33.19	219.12	218.00
1-2	11.382	-33.15	0.989 2	216.89
1-3	0.3	10.928	-32.07	0.987 1	10.92	-32.06	213.13	215.34
1-4	10.909	-32.04	0.991 3	217.54
1-5	0.5	10.584	-31.28	0.990 8	10.50	-31.12	214.04	212.96
1-6	10.425	-30.97	0.980 8	211.89
1-7	0.8	9.328	-28.39	0.984 1	9.31	-28.34	212.22	210.79
1-8	9.296	-28.29	0.981 0	209.36
U71Mn	2-1	0.1	10.316	-30.54	0.990 8	10.28	-30.48	207.55	208.07
2-2	10.241	-30.43	0.988 6	208.59
2-3	0.3	9.913	-29.68	0.991 2	9.91	-29.68	207.02	205.96
2-4	9.908	-29.69	0.992 4	204.91
2-5	0.5	9.324	-28.32	0.991 7	9.34	-28.35	202.55	201.36
2-6	9.351	-28.37	0.989 7	200.16
2-7	0.8	8.692	-26.88	0.989 3	8.61	-26.86	199.45	199.31
2-8	8.531	-26.85	0.991 1	199.17

试样材质

编号

材料
系数n₁

lgC₁
/(m·cycle^-1)

试样材质	编号	R	材料系数n₁	lgC₁ /(m·cycle^-1)	相关系数	n₁平均值	lgC₁平均值 /(m·cycle^-1)	ΔK_th计算值 /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
U75V	1-1	0.1	11.423	-33.23	0.990 1	11.40	-33.19	219.12	218.00
1-2	11.382	-33.15	0.989 2	216.89
1-3	0.3	10.928	-32.07	0.987 1	10.92	-32.06	213.13	215.34
1-4	10.909	-32.04	0.991 3	217.54
1-5	0.5	10.584	-31.28	0.990 8	10.50	-31.12	214.04	212.96
1-6	10.425	-30.97	0.980 8	211.89
1-7	0.8	9.328	-28.39	0.984 1	9.31	-28.34	212.22	210.79
1-8	9.296	-28.29	0.981 0	209.36
U71Mn	2-1	0.1	10.316	-30.54	0.990 8	10.28	-30.48	207.55	208.07
2-2	10.241	-30.43	0.988 6	208.59
2-3	0.3	9.913	-29.68	0.991 2	9.91	-29.68	207.02	205.96
2-4	9.908	-29.69	0.992 4	204.91
2-5	0.5	9.324	-28.32	0.991 7	9.34	-28.35	202.55	201.36
2-6	9.351	-28.37	0.989 7	200.16
2-7	0.8	8.692	-26.88	0.989 3	8.61	-26.86	199.45	199.31
2-8	8.531	-26.85	0.991 1	199.17

相关
系数

n₁平均值

lgC₁平均值
/(m·cycle^-1)

ΔK_th计算值
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

U75V

1-1

0.1

11.423

-33.23

0.990 1

11.40

-33.19

219.12

218.00

1-2

11.382

-33.15

0.989 2

216.89

1-3

0.3

10.928

-32.07

0.987 1

10.92

-32.06

213.13

215.34

1-4

10.909

-32.04

0.991 3

217.54

1-5

0.5

10.584

-31.28

0.990 8

10.50

-31.12

214.04

212.96

1-6

10.425

-30.97

0.980 8

211.89

1-7

0.8

9.328

-28.39

0.984 1

9.31

-28.34

212.22

210.79

1-8

9.296

-28.29

0.981 0

209.36

U71Mn

2-1

0.1

10.316

-30.54

0.990 8

10.28

-30.48

207.55

208.07

2-2

10.241

-30.43

0.988 6

208.59

2-3

0.3

9.913

-29.68

0.991 2

9.91

-29.68

207.02

205.96

2-4

9.908

-29.69

0.992 4

204.91

2-5

0.5

9.324

-28.32

0.991 7

9.34

-28.35

202.55

201.36

2-6

9.351

-28.37

0.989 7

200.16

2-7

0.8

8.692

-26.88

0.989 3

8.61

-26.86

199.45

199.31

2-8

8.531

-26.85

0.991 1

199.17

编号	R	实测ΔK_th /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
1-1	0.1	223.36	221.32
1-2	219.28
1-3	0.3	218.41	219.31
1-4	220.21
1-5	0.5	218.35	216.91
1-6	215.47
1-7	0.8	213.81	214.72
1-8	215.64

编号

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

1-1

0.1

223.36

221.32

1-2

219.28

1-3

0.3

218.41

219.31

1-4

220.21

1-5

0.5

218.35

216.91

1-6

215.47

1-7

0.8

213.81

214.72

1-8

215.64

编号	R	实测ΔK_th /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
1-1	0.1	223.36	221.32
1-2	219.28
1-3	0.3	218.41	219.31
1-4	220.21
1-5	0.5	218.35	216.91
1-6	215.47
1-7	0.8	213.81	214.72
1-8	215.64

编号

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

1-1

0.1

223.36

221.32

1-2

219.28

1-3

0.3

218.41

219.31

1-4

220.21

1-5

0.5

218.35

216.91

1-6

215.47

1-7

0.8

213.81

214.72

1-8

215.64

编号	R	实测ΔK_th /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
2-1	0.1	211.52	210.82
2-2	210.13
2-3	0.3	208.14	207.50
2-4	206.86
2-5	0.5	205.59	204.74
2-6	203.89
2-7	0.8	201.47	201.95
2-8	202.43

编号

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

2-1

0.1

211.52

210.82

2-2

210.13

2-3

0.3

208.14

207.50

2-4

206.86

2-5

0.5

205.59

204.74

2-6

203.89

2-7

0.8

201.47

201.95

2-8

202.43

编号	R	实测ΔK_th /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
2-1	0.1	211.52	210.82
2-2	210.13
2-3	0.3	208.14	207.50
2-4	206.86
2-5	0.5	205.59	204.74
2-6	203.89
2-7	0.8	201.47	201.95
2-8	202.43

编号

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

2-1

0.1

211.52

210.82

2-2

210.13

2-3

0.3

208.14

207.50

2-4

206.86

2-5

0.5

205.59

204.74

2-6

203.89

2-7

0.8

201.47

201.95

2-8

202.43

试样材质	编号	R	国标法		实测法	国标法与实测法差值 /(N·mm^-3/2)
U75V	1-1	0.1	219.12	218.00		223.36	221.32	-3.32
1-2	216.89	219.28
1-3	0.3	213.13	215.34	218.41	219.31	-3.97
1-4	217.54	220.21
1-5	0.5	214.04	212.96	218.35	216.91	-3.95
1-6	211.89	215.47
1-7	0.8	212.22	210.79	213.81	214.72	-3.93
1-8	209.36	215.64
U71Mn	2-1	0.1	207.55	208.07		211.52	210.82	-2.75
2-2	208.59	210.13
2-3	0.3	207.02	205.96	208.14	207.50	-1.54
2-4	204.91	206.86
2-5	0.5	202.55	201.36	205.59	204.74	-3.38
2-6	200.16	203.89
2-7	0.8	199.45	199.31	201.47	201.95	-2.64
2-8	199.17	202.43

试样材质

编号

国标法

实测法

国标法与
实测法差值
/(N·mm^-3/2)

计算ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均
/(N·mm^-3^/²)

U75V

1-1

0.1

219.12

218.00

223.36

221.32

-3.32

1-2

216.89

219.28

1-3

0.3

213.13

215.34

218.41

219.31

-3.97

1-4

217.54

220.21

1-5

0.5

214.04

212.96

218.35

216.91

-3.95

1-6

211.89

215.47

1-7

0.8

212.22

210.79

213.81

214.72

-3.93

1-8

209.36

215.64

U71Mn

2-1

0.1

207.55

208.07

211.52

210.82

-2.75

2-2

208.59

210.13

2-3

0.3

207.02

205.96

208.14

207.50

-1.54

2-4

204.91

206.86

2-5

0.5

202.55

201.36

205.59

204.74

-3.38

2-6

200.16

203.89

2-7

0.8

199.45

199.31

201.47

201.95

-2.64

2-8

199.17

202.43

试样材质	编号	R	国标法		实测法	国标法与实测法差值 /(N·mm^-3/2)
U75V	1-1	0.1	219.12	218.00		223.36	221.32	-3.32
1-2	216.89	219.28
1-3	0.3	213.13	215.34	218.41	219.31	-3.97
1-4	217.54	220.21
1-5	0.5	214.04	212.96	218.35	216.91	-3.95
1-6	211.89	215.47
1-7	0.8	212.22	210.79	213.81	214.72	-3.93
1-8	209.36	215.64
U71Mn	2-1	0.1	207.55	208.07		211.52	210.82	-2.75
2-2	208.59	210.13
2-3	0.3	207.02	205.96	208.14	207.50	-1.54
2-4	204.91	206.86
2-5	0.5	202.55	201.36	205.59	204.74	-3.38
2-6	200.16	203.89
2-7	0.8	199.45	199.31	201.47	201.95	-2.64
2-8	199.17	202.43

试样材质

编号

国标法

实测法

国标法与
实测法差值
/(N·mm^-3/2)

计算ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均值
/(N·mm^-3^/²)

实测ΔK_th
/(N·mm^-3^/²)

ΔK_th平均
/(N·mm^-3^/²)

U75V

1-1

0.1

219.12

218.00

223.36

221.32

-3.32

1-2

216.89

219.28

1-3

0.3

213.13

215.34

218.41

219.31

-3.97

1-4

217.54

220.21

1-5

0.5

214.04

212.96

218.35

216.91

-3.95

1-6

211.89

215.47

1-7

0.8

212.22

210.79

213.81

214.72

-3.93

1-8

209.36

215.64

U71Mn

2-1

0.1

207.55

208.07

211.52

210.82

-2.75

2-2

208.59

210.13

2-3

0.3

207.02

205.96

208.14

207.50

-1.54

2-4

204.91

206.86

2-5

0.5

202.55

201.36

205.59

204.74

-3.38

2-6

200.16

203.89

2-7

0.8

199.45

199.31

201.47

201.95

-2.64

2-8

199.17

202.43

钢轨ΔK_th国标法与实测法对比分析

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贾鹏霞 , 李培德 , 王婷 , 杨静 , 苏丽丽

包钢科技 | 其他 2023,49(5): 88-93

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包钢科技 | 其他 2023, 49(5): 88-93

钢轨ΔK_th国标法与实测法对比分析

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贾鹏霞, 李培德, 王婷, 杨静, 苏丽丽

作者信息

内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心,内蒙古包头 014010

贾鹏霞(1987-),女,内蒙古乌兰察布市人,工程师,现从事金属材料物理性能检测研究工作。

Comparative Analysis on National Standard Method and Actual Measurement Method for ΔK_th of Rail

Peng-xia Jia, Pei-de Li, Ting Wang, Jing Yang, Li-li Su

Affiliations

Technical Center of Inner Mongolia Baotou Steel Union Co., Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia Autonomous Region, China

出版时间: 2023-10-25

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摘要

收起

钢轨经淬火后,获得的硬化层硬度有硬度梯度,通过国标法很难准确地计算出其疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th。文章在fatigue crack growth软件的基础上,通过软件优化解决门槛值ΔK_th的检测。对不同应力比下U75V、U71Mn淬火钢轨分别利用国标法和实测法获得门槛值ΔK_th,通过数据对比分析,对于淬火钢轨使用实测法更能准确地确定其门槛值ΔK_th。

关键词

钢轨 / 疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th / 疲劳裂纹扩展速率 / 实测法

Abstract

收起

The hardness of hardened layer for rails after quenching is with hardness gradient and it is difficult to accurately calculate the threshold value ΔK_th of fatigue crack growth for rails. In the paper, the detection of threshold value ΔK_th is carried out through software optimization based on the fatigue crack growth software. The threshold values ΔK_th of U75V and U71Mn quenched rails with different stress ratios are obtained by national standard method and actual measurement method respectively. As a result, the threshold values ΔK_th of quenched rails obtained by actual measurement method are more accurate through comparative analysis of data.

Key words

rail / threshold value ΔK_th of fatigue crack growth / fatigue crack growth rate / actual measurement method

引用本文

贾鹏霞, 李培德, 王婷, 杨静, 苏丽丽. 钢轨ΔK_th国标法与实测法对比分析. 包钢科技, 2023 , 49 (5) : 88 -93 .

Peng-xia Jia, Pei-de Li, Ting Wang, Jing Yang, Li-li Su. Comparative Analysis on National Standard Method and Actual Measurement Method for ΔK_th of Rail[J]. Science & Technology of Baotou Steel, 2023 , 49 (5) : 88 -93 .

正文

收起

随着我国铁路重载、提速的迅猛发展,钢轨的负担日益加重,对钢轨的安全性提出更高要求。钢轨在使用过程中,裂纹的出现是不可避免的,因此,用断裂力学研究裂纹的扩展特性。疲劳裂纹扩展门槛值(简称门槛值)ΔK_th是钢轨损伤容限设计的一个重要参量,随着科技的发展,原先检测到da/dN=10^-8 mm/周次已经很困难,现在通过柔度法和多周平均法可以检测更小的裂纹扩展速率da/dN。

目前工程中规定用da/dN=10^-7 mm/周次所对应的△K值作为门槛值,称之为实用门槛值ΔK_thO,国标GB/T 6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》^[1]也采用了实用门槛值ΔK_thO,有试验发现,当△K≤△K_thO时,仍能观测到裂纹的明显扩展^[2]。在这样的情况下,淬火钢轨硬化层存在硬度梯度,国标法不能够准确的反映材料的门槛值,因此,找到一种较为可靠的确定真实门槛值的方

法显得非常重要。

1 试样

收起

试样选择包钢轨梁厂生产的60 kg/m淬火轨U75V和U71Mn,严格按照TB/T 2344—2020《43 kg/m~75 kg/m热轧钢轨订货技术条件》^[3]规定选取制样位置和试样尺寸。图1为疲劳裂纹扩展试样尺寸。

2 疲劳裂纹扩展门槛值试验

收起

按照GB/T 6398—2000要求,首先对试验试样缺口进行线切割,然后在MTS810上预制疲劳裂纹,参数K_max选为450 N/mm^3/2,频率为30 Hz,预制长度为0.1 B,B代表试样的厚度。疲劳裂纹扩展试验采用降K法,控制方式采用△K控制,应力比R分别选0.1、0.3、0.5、0.8。

3 国标法得到的门槛值ΔK_th结果

收起

按照GB/T 6398—2000方法进行门槛值ΔK_th试验,近门槛值附近的da/dN用割线法处理,用表达式(da/dN)_i=(a_i₊₁-a_i)/(N_i₊₁-N_i)算出各个编号的da/dN值。

对于三点弯曲试样,ΔK的表达式如下:

(1)ΔK=

Δ P m a x B W 1 / 2 6 α 1 / 2 (1 + 2 α) (1 - α) 3 / 2

[1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α²)]

式中:α=a/W;B代表试样的厚度;W代表试样的宽度;ΔP_max代表最大力的力值范围;a代表计算裂纹长度;ΔK代表应力强度因子范围。

da/dN从10^-6 mm/周次到10^-7 mm/周次,选取(da/dN)_i和△K_i五组以上数据,对组数据按paris公式^[1]:

(2)da/dN=C₁(ΔK)n₁

两边取对数,得到:

(3)lg(da/dN)=lgC₁+n₁lg(△K)

以lg(da/dN)为自变量,用线性回归法拟合曲线。求出Paris公式中常数C₁和n₁。取标准要求的da/dN=10^-7 mm/周次为门槛值,计算疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th。本文给出了应力比为0.5的U75V淬火轨和应力比为0.3的U71Mn淬火轨门槛值测量数据统计和计算结果,见表1和表2。

由表1结果,对U75V淬火轨疲劳裂纹扩展门槛值测量数据用线性回归法拟合,得出计算lg(da/dN)的关系式如下:

R=0.1时:lg(da/dN)=11.40lg(ΔK)-33.19

R=0.3时:lg(da/dN)=10.92lg(ΔK)-32.06

R=0.5时:lg(da/dN)=10.58lg(ΔK)-31.28

R=0.8时:lg(da/dN)=9.31lg(ΔK)-28.34

由表2结果,对U71Mn淬火轨疲劳裂纹扩展门槛值测量数据用线性回归法拟合,得出计算lg(da/dN)的关系式如下:

R=0.1时:lg(da/dN)=10.28lg(ΔK)-30.49

R=0.3时:lg(da/dN)=9.90lg(ΔK)-29.69

R=0.5时:lg(da/dN)=9.34lg(ΔK)-28.35

R=0.8时:lg(da/dN)=8.61lg(ΔK)-26.86

对U75V淬火轨和U71Mn淬火轨,分别选取R为0.1、0.3、0.5、0.8,测量疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th,每个R值取两个试样,数据根据线性回归法拟合关系式计算,取其平均值,结果见表3。

国标法需要取da/dN从10^-6 mm/周次到10^-7 mm/周次的(da/dN)_i和△K_i五组以上数据,对数组按paris公式计算,它属于一种估算疲劳裂纹扩展门槛值△K_th,对轧制状态下没有硬度梯度的钢轨,非常实用,对有硬度梯度的淬火轨随着距离踏面深度的增加,裂纹形成难易情况也随着发生变化,很难真实反映淬火轨的门槛值。

4 疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th试验实测法结果

收起

严格按照GB/T 6398—2000门槛值ΔK_th试验要求,进行疲劳裂纹扩展速率试验,门槛值ΔK_th值直接从设置好的软件图表中读出,图2为软件显示结果。

按照实测法,对U75V淬火轨和U71Mn淬火轨分别选取R为0.1、0.3、0.5、0.8,测量疲劳裂纹扩展门槛值△K_th,读出的门槛值△K_th见表4和表5。

实测法是通过软件实测疲劳裂纹扩展速率,直到da/dN达到10^-7 mm/周次,选取对应的△K值作为钢轨的疲劳裂纹扩展门槛值△K_th,反映的是真实检测到的疲劳裂纹扩展门槛值△K_th,能准确的判断出材料的门槛值,对于淬火钢轨门槛值的测定,更有指导意义。

5 讨论分析

收起

5.1 国标法与实测法ΔK_th对比

表6为分别取四组U75V淬火轨和U71Mn淬火轨试样,应力比分别选0.1、0.3、0.5、0.8,运用国标法计算的门槛值ΔK_th和使用实测法测得的门槛值ΔK_th。

从表6不难看出,淬火轨通过国标法计算出的门槛值与实测值相差最高达3.97 N/mm^3/2。因为钢轨经淬火后,轨头受热和内部组织形态变化的不均匀,轨头温度分布不均匀,从而使淬火钢轨获得的硬化层硬度有硬度梯度。钢轨经淬火后珠光体细化,经过淬火处理的试样珠光体片层间距比轧态试样片层间距小^[4],片层间距小的珠光体片层会增加裂纹扩展的能量,从而使试样裂纹扩展更难。因此沿着硬度梯度方向裂纹形成的难易程度是不一样的,继续利用国标法来计算门槛值就会与实际门槛值出现较大的差值。轧态下的轨头没有硬度梯度,国标法和实测法ΔK_th接近,对于淬火轨在国标法求得的结果与实测法的值相差比较大,所以对于淬火轨实测法更适合,更能反映出钢轨真实的门槛值。

5.2 不同应力比的门槛值变化

图3、图4为U75V淬火轨和U71Mn淬火轨不同应力比门槛值变化趋势图。

由图3和图4可以看出U75V和U71Mn淬火轨在不同应力比的门槛值变化趋势,随着应力比R的增加,疲劳裂纹扩展速率da/dN增加,疲劳裂纹扩展门槛值呈逐渐降低的趋势^[5]。

6 结论

收起

(1)钢轨经淬火后,获得的硬化层硬度有硬度梯度,通过国标法很难准确的计算出其疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th,而实测法能真实反映轨头不同硬度值下的门槛值,所以实测法对淬火钢轨损伤容限设计更有指导意义。

(2)疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th随着应力比R增加,门槛值ΔK_th变小。

参考文献

收起

文献

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参考文献引证文献

排序方式：

[1]

GB/T 6398—2000,金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法[S].

[2]

王永廉. 对确定疲劳裂纹扩展理论门槛值方法的评介[J]. 南京工程学院学报, 2002, 2(1):1-5.

[3]

TB/T 2344—2020,43 kg/m-75 kg/m热轧钢轨订货技术条件[S].

[4]

周庆飞. 75 kg/m重载用钢轨淬火工艺及疲劳裂纹扩展行为研究[D]. 包头: 内蒙古科技大学, 2019.

[5]

王博, 张骁勇, 马晶, 等. 一种X80管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的研究[J]. 焊管, 2014, 37(3):8-13.

2023年第49卷第5期

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101

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接收时间：2023-08-17
首发时间：2025-11-21
出版时间：2023-10-25

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收稿日期：2023-08-17

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内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心,内蒙古包头 014010

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本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
20.77	4 446 439	211.793	2.169×10^-7	2.325 9	-6.663 7
20.63	3 385 636	213.123	2.326×10^-7	2.328 6	-6.633 4
20.51	2 831 223	216.887	2.749×10^-7	2.336 2	-6.560 8
20.43	2 473 434	219.126	3.213×10^-7	2.340 7	-6.493 1
20.05	1 954 121	221.541	3.445×10^-7	2.345 5	-6.462 8

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

20.77

4 446 439

211.793

2.169×10^-7

2.325 9

-6.663 7

20.63

3 385 636

213.123

2.326×10^-7

2.328 6

-6.633 4

20.51

2 831 223

216.887

2.749×10^-7

2.336 2

-6.560 8

20.43

2 473 434

219.126

3.213×10^-7

2.340 7

-6.493 1

20.05

1 954 121

221.541

3.445×10^-7

2.345 5

-6.462 8

Crack length/mm	Cycles/N	ΔK/(N·mm^-3/2)	da/dN/(mm·cycles^-1)	lg(ΔK)	lg(da/dN)
24.16	3 724 188	208.59	2.109×10^-7	2.319 3	-6.675 9
24.22	4 357 721	207.02	1.878×10^-7	2.316 0	-6.726 3
24.41	5 802 580	204.91	1.641×10^-7	2.311 6	-6.784 9
24.48	6 282 581	202.55	1.534×10^-7	2.306 5	-6.814 2
24.56	7 061 981	200.16	1.395×10^-7	2.301 4	-6.855 4
24.61	8 399 830	199.45	1.301×10^-7	2.299 8	-6.885 7

Crack length/mm

Cycles/N

ΔK/(N·mm^-3/2)

da/dN/(mm·cycles^-1)

lg(ΔK)

lg(da/dN)

24.16

3 724 188

208.59

2.109×10^-7

2.319 3

-6.675 9

24.22

4 357 721

207.02

1.878×10^-7

2.316 0

-6.726 3

24.41

5 802 580

204.91

1.641×10^-7

2.311 6

-6.784 9

24.48

6 282 581

202.55

1.534×10^-7

2.306 5

-6.814 2

24.56

7 061 981

200.16

1.395×10^-7

2.301 4

-6.855 4

24.61

8 399 830

199.45

1.301×10^-7

2.299 8

-6.885 7

试样材质	编号	R	材料系数n₁	lgC₁ /(m·cycle^-1)	相关系数	n₁平均值	lgC₁平均值 /(m·cycle^-1)	ΔK_th计算值 /(N·mm^-3^/²)	ΔK_th平均值 /(N·mm^-3^/²)
U75V	1-1	0.1	11.423	-33.23	0.990 1	11.40	-33.19	219.12	218.00
1-2	11.382	-33.15	0.989 2	216.89
1-3	0.3	10.928	-32.07	0.987 1	10.92	-32.06	213.13	215.34
1-4	10.909	-32.04	0.991 3	217.54
1-5	0.5	10.584	-31.28	0.990 8	10.50	-31.12	214.04	212.96
1-6	10.425	-30.97	0.980 8	211.89
1-7	0.8	9.328	-28.39	0.984 1	9.31	-28.34	212.22	210.79
1-8	9.296	-28.29	0.981 0	209.36
U71Mn	2-1	0.1	10.316	-30.54	0.990 8	10.28	-30.48	207.55	208.07
2-2	10.241	-30.43	0.988 6	208.59
2-3	0.3	9.913	-29.68	0.991 2	9.91	-29.68	207.02	205.96
2-4	9.908	-29.69	0.992 4	204.91
2-5	0.5	9.324	-28.32	0.991 7	9.34	-28.35	202.55	201.36
2-6	9.351	-28.37	0.989 7	200.16
2-7	0.8	8.692	-26.88	0.989 3	8.61	-26.86	199.45	199.31
2-8	8.531	-26.85	0.991 1	199.17

试样材质

编号

材料
系数n₁

lgC₁
/(m·cycle^-1)