U75V钢轨微观晶粒结构对滚动接触疲劳损伤行为影响

李骏鹏1，周宇2，梁旭3，华建兵1，刘思磊4，翁之意2（1.合肥大学 安徽省城市轨道交通安全与应急管理重点实验室；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所；4.上海申通地铁集团有限公司 技术中心）

摘要：钢轨材料晶粒的拓扑结构、尺寸和取向等微观结构特性，对钢轨早期滚动接触疲劳（Rolling Con-tact Fatigue，RCF）裂纹演化影响显著。为分析晶粒结构对RCF 裂纹的影响，基于晶体塑性理论和维诺图（Vo-ronoi）原理建立反映U75V 钢轨材料晶粒几何结构、取向等特征的微观模型；通过修正的内聚力单元构建材料微观结构与疲劳损伤之间的联系，实现在微观尺度模拟RCF裂纹演化，建立钢轨微观RCF裂纹演化模型；基于该模型，研究循环荷载作用下钢轨微观组织结构对表面RCF裂纹萌生位置和扩展路径的影响。结果表明：循环荷载作用下，RCF裂纹大多萌生于晶界处，微裂纹萌生的位置和寿命具有随机性，但萌生位置在特定区域内呈现集中趋势；RCF 裂纹在不同阶段的扩展速率不同，随扩展长度的增加整体呈早期慢后期逐渐变快的趋势，可分为2个阶段；Ⅰ阶段为起步阶段，微裂纹扩展长度在该阶段为几个晶粒尺寸，且该阶段裂纹的萌生扩展行为主要受晶粒取向和晶界间相互作用支配，裂纹扩展速率在0.0025μm·r-1左右，远低于裂纹平均扩展速率0.010 3μm·r-1；当萌生位置间隔较近的微裂纹在扩展过程中相互吸引聚合，形成1条新裂纹时，进入Ⅱ阶段；新裂纹的扩展行为主要受外部荷载的支配，裂纹扩展速率明显增加，最快可达0.0187μm·r-1；模拟结果与双轮试验观测的裂纹形态吻合良好。

关键词：U75V钢轨；滚动接触疲劳；微观结构；晶体塑性；裂纹扩展；微观模型