EA4T空心车轴残余应力研究
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[摘 要]本文按照EN13261-2009标准对ea4t车轴其表层及近表层（表层下方2mm）沿圆周方向进行残余应力测试，研究车轴表面残余应力的分布规律及是否随时间衰减。
中图分类号：U492.4+11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0394-01
1.概述
轨道车辆的车轴是十分重要的构件，车轴在运行中如果发生断裂（冷切）将会造成脱轨、翻车等重大恶性事故。车轴在运行过程中受到的是交变载荷，正常损坏形式是疲劳断裂，而残余应力特别是残余拉伸应力会对车轴的疲劳性能产生一定的影响。因此，研究车轴表面残余应力的分布规律，为提高车轴疲劳强度和寿命具有重要意义。
本文选取两根轨道车辆用EA4T空心车轴按照EN13261-2009标准对其表层及近表层（表层下方2mm）沿圆周方向进行残余应力测试，研究车轴表面残余应力的分布及衰减性。选取的空心车轴所用材料为符合EN13261-2009标准的EA4T车轴钢。
2、研究测试的目的及内容
通过对空心车轴同一圆周方向同一部位在不同时间段内（每隔1个月测1次，共测4次）进行表面及近表面残余应力测试，获得空心车轴表面残余应力随时间变化的趋势和规律，为评判其表面加工和使用性能提供参考。
3测试方法及参数
3.1 测试方法的选择
在现有的残余应力测量方法中，X射线衍射法由计算机控制专用应力仪，配备各种专用软件，能进行衍射线强度修正、峰值定位及应力计算等多种工作，使测量过程变得简便、快捷，因此本次选择X射线衍射法最为合适。
3.2 测试步骤、参数及参考标准
根据所测试件特点，本试验iXRD残余应力仪应力测试步骤主要为：
（1）对满足测试部位表面使用丙酮或者酒精清洗；
（2）避开存在加工缺陷的测试位置，重新在远离加工缺陷处重新选择测试区域，然后按（1）步骤进行。
（3）对于表面下2mm处测点，应先采用电解抛光机对测点对应的上表面进行电解抛光，抛光溶液为饱和NaCl溶液，抛光电压10-20V，抛光电流3-10A，直至抛到所测位置为止。
（4）测量时保证射线的发射头与测试点切面垂直；测试前须自动或者手动对焦；测试仪摆动平面应与测量应力方向平行。
（5）对于单点测试数据，采用椭圆非线性拟合方式。
3.3 参照标准
（1）EN13261-2003 铁路应用―轮对和转向架―车轴―产品要求；
（2） GB 7704-87 X射线应力测定方法。
4 试验结果及分析
4.1 测点布置及要求
结合标准EN13261-2009要求，车轴表面（表层）实际测试点位置见下图，在保证标准EN13261-2009要求测的点外，每个截面增加4个测点，每个测点圆周方向间隔60°。圆周1、2、3最终加工工序分别为精磨、车削、车削。按照30天一个周期，重复下图中各点应力测试，共测试4次。而车轴近表层（表层下2mm）测点位置仍然按标准要求布置，在车轴表面测试结束后进行测试，共6个测点。测试前每个点先进行电解抛光，直至抛到车轴表层下2mm处，再进行应力测试，为了方便，将两根空心车轴分别编为1#轴和2#轴。（图1）
4.2 残余应力测试数据分析
对比两车轴相同圆周不同测试周期残余应力测试结果。不管是1#车轴还是2#车轴，圆周1所测各点无论是轴向应力σx还是环向应力σy均为压应力，而圆周2和圆周3则各测点均为拉应力。从应力值的分布来看，不同周期圆周1所测各点残余应力值都分布在-200MPa至-350MPa之间，圆周2和圆周3各测点残余应力值则基本分布在300MPa至600MPa之间。不同周期（1～4次）测试结果中，1#车轴圆周1残余应力峰值（压应力取绝对值）分别为341.19MPa、338.99MPa、309.77MPa、319.53MPa；2#车轴圆周1残余应力峰值分别为343.09MPa、331.12MPa、311.17MPa、323.19MPa，均小于材料名义屈服强度420MPa。而1#车轴不同测试周期2、3圆周残余应力峰值分别为564.61MPa、521.98MPa、514.79MPa、535.21MPa；2#车轴不同测试周期2、3圆周残余应力峰值为588.90MPa、588.67MPa、558.00MPa、573.64MPa，均大于材料的名义屈服强度，但均小于材料的最小名义抗拉强度。
按照EN13261-2009标准3.6.2要求，轮轴表面的残留应力应小于或等于100MPa，则两根车轴表面圆周2和圆周3的残余应力值均高于标准要求。
随着测试时间延长、测试次数的增加，不管是1#轴还是2#轴，3个测试圆周的表面残余应力并未发生大的变化，有些部位残余应力随时间变化发生了一定程度的衰减，但幅度不大，有些部位则发生了一定程度的增大，但幅度也不大，也就是说未出现残余应力因时间变化而发生整体较大幅度衰减的规律。
两根轴圆周表层下2mm残余应力既有拉应力也有压应力，且应力值相对于表层要小得多，主要分布在-70MPa至70MPa之间，1#轴和2#轴总体测试值接近，但1#轴残余拉应力峰值（69.01MPa）要比2#轴残余拉应力峰值（53.08MPa）大。
5、原因及总结
（1）圆周1表面的最终加工工序为精磨。据国内外文献表明，精磨工序加工得到的工件表面存在较高一致性残余压应力。
（2）在已车削加工表面残余应力产生的原因，可以概括为机械应力和热应力引起的塑性变形效应。
（3）导致车轴表面残余应力较大的原因是车轴表面最后一道工序为车削，车削的过程中热应力塑性变形效应占优，车轴表面形成了加工硬化层。加工硬化层的形成，会增大车轴表面材料的屈服强度，所以测残余应力值要大于材料的名义屈服强度。
（4）对于表层下2mm的残余应力测试值比表层测试值小是因为表层经过车削，产生了较大的残余应力，但车削层的厚度不大，影响深度有限，在电解抛光后车削层已经完全去除了，所以所测残余应力值较小。
（5）随着时间的增加，两根车轴表面所测残余应力并未发生整体较大幅度的衰减。
（6）按照EN13261-2009标准要求，两根车轴表面圆周2及3的残余应力值超标。
两根车轴圆周表面下2mm的两测点残余应力差值大部分符合要求，个别差值大于40MPa。
（7）由于车轴表面，尤其是圆周2和圆周3表面具有高值拉伸应力，且车轴在运行过程中受到的是交变载荷，所以值得厂方引起重视。
（8）高的残余拉应力对结构的使用有一定的不利影响，高值拉应力的存在容易使工件产生裂纹，并且在有微裂纹的情况下会促进微裂纹的扩展，降低材料的疲劳性能和耐蚀性能，造成工件失效。因车轴在运行过程中受到的是交变载荷，正常损坏形式是疲劳断裂，高的残余拉应力值会影响结构的疲劳强度，所以值得关注。