铁路车轴表面强化技术研究与应用_刘里根.pdf

表面技术 第 52 卷 第 6 期 96 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期：20220222；修订日期：20220728 Received：2022-02-22；Revised：2022-07-28 基金项目：国家重点研发计划子课题项目（2018YFB1201704-03）；四川省重点研发计划项目（2021YFG0210）；牵引动力国家重点实验室自主课题（2019TPL-T21）；安徽省重大科技专项（202003A05020038）Fund：National Key R&D Program Sub project(2018YFB1201704-03);Key R&D Plan Projects in Sichuan Province(2021YFG0210);Independent project of State Key Laboratory of Traction Power(2019TPL-T21);Major Science and Technology Projects in Anhui Province(202003A05020038)作者简介：刘里根（1996），男，硕士生，主要研究方向为高速列车车轴表面强化和损伤容限评价。Biography：LIU Li-gen(1996-),Male,Postgraduate,Research focus:surface strengthening and damage tolerance assessment of high speed train axles.通讯作者：高杰维（1986），男，博士，讲师，主要研究高速列车结构完整性与寿命预测。Corresponding author：GAO Jie-wei(1986-),Male,Doctor,Lecturer,Research focus:structural integrity and life prediction of high speed trains.引文格式：刘里根,肖棚,韩瑞鹏,等.铁路车轴表面强化技术研究与应用J.表面技术,2023,52(6):96-111.LIU Li-gen,XIAO Peng,HAN Rui-peng,et al.Research and Application of Surface Hardening Techniques on Railway AxlesJ.Surface Technology,2023,52(6):96-111.铁路车轴表面强化技术研究与应用 刘里根1a，肖棚1a，韩瑞鹏1a，赵海2，赵君文1a，韩靖1a，高杰维1b,3，张飞4（1.西南交通大学 a.材料科学与工程学院 b.牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.电子科技大学 机械与电气工程学院，成都 611731；4.四川航天烽火伺服控制技术有限公司，成都 611130）摘要：车轴是列车转向架的核心部件之一，引发车轴失效的表面损伤形式主要包括腐蚀、微动磨损和外物致损。表面强化可改善车轴表面完整性，进而抑制裂纹萌生和延缓裂纹扩展，以提高车轴疲劳强度并延长剩余寿命。车轴表面强化技术主要包括滚压、喷丸及表面感应淬火。首先，概述了国内外普速和高速列车车轴表面强化技术的基本原理：滚压和喷丸等物理强化方式使车轴表面塑性变形硬化并引入残余压应力，表面感应淬火通过马氏体相变提高车轴表面强度并引入残余压应力。然后，重点综述了上述 3 种表面强化技术的研究进展及其在当前车轴制造过程中的应用，其中，深度滚压是车轴表面强化的主要方式，表面感应淬火主要应用于部分高铁车轴上，而喷丸在车轴上的应用尚少。最后，从经济性和安全性的角度对比了车轴表面强化技术的优劣：喷丸强化深度有限，不足以提高车轴剩余寿命；中碳钢车轴表面淬火方案在淬硬层深度和残余应力大小方面均优于合金钢车轴滚压方案。基于损伤容限设计的评价为未来车轴表面强化技术的研究和应用提供了借鉴。关键词：车轴；表面强化；残余应力；疲劳强度；损伤容限 中图分类号：TB31 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0096-16 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.010 Research and Application of Surface Hardening Techniques on Railway Axles LIU Li-gen1a,XIAO Peng1a,HAN Rui-peng1a,ZHAO Hai2,ZHAO Jun-wen1a,HAN Jing1a,GAO Jie-wei1b,3,ZHANG Fei4(1.a.School of Materials Science and Engineering,b.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Maanshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Anhui Maanshan 243000,China;研究综述 第 52 卷 第 6 期 刘里根，等：铁路车轴表面强化技术研究与应用 97 3.School of Mechanical and Electrical Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China;4.Sichuan Aerospace Fenghuo Servo Control Technology Co.,Ltd.,Chengdu 611130,China)ABSTRACT:Axle is a critical component of the train bogie.Surface defects that cause axle failures include corrosion,fretting wear and flying ballast impact damage.Surface integrity of axles can be improved by surface hardening to inhibit the initiation of surface cracks and slow down the propagation of surface cracks.As a result,the fatigue strength of axles is raised and the remaining life is extended.Surface hardening techniques of axles used in general speed and high-speed trains home and abroad including rolling,shot peening and induction hardening and their hardening mechanisms are summarized in this paper.Physical strengthening methods such as shot peening and rolling draw on plastic deformation strengthening and impart of residual compressive stress.Surface induction hardening improves the surface strength of axles by martensitic transformation and introduction of residual compressive stress.A comprehensive overview on the research and application of the above three axle surface hardening techniques in current axle manufacturing is given.Wherein,deep rolling is the dominant surface hardening technique for axles and surface induction hardening is utilized in small percent of high-speed train axles,while shot peening is less employed in axles manufacturing.Finally,the advantages and disadvantages of three axle surface hardening techniques are compared from perspective of economy and safety.The hardening depth of shot peening is not sufficient to prolong axle remaining life.From the point of hardening depth and residual stress magnitude,the hardening scheme of medium carbon steel axles is superior to that of alloy steel axles.Damage tolerance-based assessment provides guidance to the study and utilization of axle surface hardening techniques in the future.KEY WORDS:axle;surface hardening;residual stress;fatigue strength;damage tolerance 轮轴是列车转向架的核心部件之一。鉴于历史上多次轨道交通重大事故均与车轴失效有关，无论过去还是现在，工程师们始终将车轴安全置于列车健康管理的首要地位1-2。当前，车轴设计寿命为 2030 a，累积循环周次约为 5109次，为典型的超高周疲劳部件。然而，车轴自身缺陷和服役过程中引入的缺陷会造成车轴过早失效，此问题至今仍无法杜绝3。最典型的车轴自身缺陷为夹杂物，服役引入的缺陷主要有微动疲劳、车轴轴身腐蚀、外物致损1,4。在循环应力作用下，裂纹从缺陷处扩展，导致车轴断裂。综合分析车轴裂纹源位置可以发现，裂纹往往从车轴表面或次表面萌生，这一现象与车轴典型旋转弯曲应力工况一致5。基于断裂力学的损伤容限设计为车轴全寿命安全设计提供了有效补充，也为车轴设计和制造指明了方向：抑制表面裂纹萌生和减缓表面裂纹扩展4。表面强化是一种改善机械零部件表面质量并提高疲劳强度的有力手段，包括表面形变强化（滚压、喷丸、轧制等）、表面相变强化（表面热处理和化学处理）、表面扩散与转化、表面涂层技术（表面喷涂等）等1,2,6-7。目前，铁路车轴表面强化技术主要包括滚压强化、喷丸强化和感应淬火8，通过物理或化学方法来提高车轴表面材料强度以抑制裂纹萌生，同时引入残余压应力平衡服役载荷来抑制或减缓裂纹扩展。文中综合概述了国内外普速和高速列车车轴表面强化技术的研究及应用，分析了几种常用车轴表面强化技术的基本原理和优缺点，为车轴表面强化技术的研究和应用提供了借鉴。1 滚压强化 1.1 滚压强化及其衍生工艺 滚压强化是一种通过滚压头在被加工工件滚动过程中对其表面施加一定初始静压力的表面强化加工方法，目前已在航空航天、汽车、精密仪器、国防工业、生物医学等领域受到了广泛应用9-10。随着超声波和大功率激光强化的快速发展，滚压与新技术相结合，形成了机械滚压11-13、超声滚压14-19、深冷滚压20-23、温滚压24、激光脉冲滚压25等多种工艺。滚压与其他技术结合是未来强化技术发展的新趋势，两种或多种工艺的优势互补能够获得更好的强化效果和更高的加工效率。图 1 为滚压强化示意图。工件在特制的滚压头下进行加工，工件表面晶粒尺寸和应力状态发生改变，但其相组成不变26。加工过程中，通过滚压头施加在零部件表面的静压力使得表面发生剧烈的弹塑性变形；加工后，零部件表面部分区域弹性恢复，产生的塑性流动将零部件表面“削峰填谷”，从而大大提高了表面质量和综合力学性能。零部件表面所产生的剧烈而均匀的弹塑性变形导致表层一定深度上的组织结构改变，表层晶粒细化并沿着变形最大的方向延伸，同时在表层内产生极大的残余压应力，形成一定厚度的强化层。增加加工次数可使零部件表面受力均匀，提高强化效果，表层晶粒进一步细化并均匀分布，从而获得纳米晶9,27-29，实现细晶强化和形变强化。98 表 面 技 术 2023 年 6 月 与此同时，在加工结束后，零部件表面剧烈的弹塑性变形产生的弹性区域恢复受到塑性区域的阻碍，因而在表层形成了梯度分布的残余压应力层。残余压应力的存在对零部件表面疲劳裂纹的萌生和扩展有明显的延缓作用，零部件疲劳性能显著提高28。图 1 滚压示意图9 Fig.1 Schematic diagram of rolling9 影响滚压强化效果的工艺参数有滚压力（滚压深度）、滚压进给量、滚压速度、进给速度、滚压道次、滚压工具尺寸和工件初始状况等，其中滚压力、滚压速度、滚针半径和滚压道次是主要影响因素28,30。通过建立各种有限元模型阐述滚压工艺参数对残余应力的影响成为重要的研究方法。Majzoobi 等31以滚压力参数为变量，采用圆盘式滚压工具头滚压平面工件的模型，进行了抗疲劳性能研究；刘福超等28采用解析刚体的滚针模型、塑性本构关系为双线性模型的试样材料进行了滚压数值模拟，研究了滚压力、滚压道次、滚压速度及滚针半径对残余应力分布的影响。结果表明，随着滚压力和滚压道次的增加，残余压应力逐渐增大直至饱和，残余压应力层深度也会加大，但过多的滚压道次会导致试样表面产生残余拉应力；滚压速度不影响残余压应力层的深度，但速度过快会导致表面质量变差；随着滚针直径的增大，残余压应力峰值先降低后略微回升，残余压应力层厚度不变。1.2 车轴表面滚压技术的研究及应用 滚压强化作为一种传统的表面强化技术，应用十分广泛。在铁路车轴研究领域，滚压强化通过产生塑性变形的方式来改善车轴材料表面质量，提高表层组织的力学性能，达到延长车轴服役寿命的目的。于鑫等32以 EA4T 车轴为研究对象，设置了滚压速度、进给速度、滚压力与滚压道次 4 种滚压参数的正交试验，研究了滚压参数对表面质量完整性的影响规律，建立了滚压表面粗糙度与残余应力的预测模型，并进行了回归方程方差分析与残差分析，验证了预测模型的有效性，结果如表 1 所示。可以看到，表面质量主要受进给速度影响；车轴表面径向与轴向残余应力分别受进给速度与滚压道次、进给速度与滚压深度的影响；进给速度是滚压强化的关键工艺参数。Wang等16在不同静载荷滚压力下对 EA4T 车轴钢试样进行了超声滚压处理，并分析了试样的表面质量。由金相图（图 2）可以看出，经过超声滚压后，试样近表面组织产生了严重的塑性变形，组织变形方向与滚压方向一致，同时塑性变形层的层深受到滚压力的影响。超声滚压前后样品表面形貌如图 3 所示，未经超声滚压处理的试样表面有明显的车削加工划痕，且具有大量峰谷特征的平行线。此外，经较大的滚压力处理后，样品表面出现片状特征，且片状单元尺寸随着滚压力的增大而增大，边界更加明显。测量试样的表面粗糙度（图 4）可以看出，随着滚压力的增大，粗糙度 Ra 逐渐增大。因此，较大的滚压力会破坏表面，产生滚压裂纹，使得表面质量变差。表 1 滚压参数正交试验结果32 Tab.1 Orthogonal test results of rolling parameter32 Process parameters Test results No.Rolling speed/(mmin1)Feed speed/(mmr1)Rolling depth/mmRolli-ng passesSurface roughn-ess Ra/m Axial residual stress/MPaCircumferential residual stress/MPa180 0.050.021 0.38 602.7332.9280 0.100.042 0.57 681.9359.7380 0.150.063 0.96 648.0323.2480 0.200.084 1.18 636.8309.95100 0.050.043 0.31 710.7381.86100 0.100.024 0.60 594.0352.27100 0.150.081 1.18 655.0281.08100 0.200.062 1.29 576.0305.09120 0.050.064 0.30 732.0371.310120 0.100.083 0.61 748.0367.611120 0.150.022 1.08 596.0314.212120 0.200.041 1.59 508.5225.513140 0.050.082 0.24 799.4390.914140 0.100.061 0.61 678.0319.415140 0.150.044 1.07 660.7360.416140 0.200.023 1.81 583.1338.2 任学冲等33对 EA4T 车轴钢试样进行了表面滚压处理，并详细分析了试样的显微硬度和残余应力。图 5a 为经过超声滚压和磨削的试样表层显微硬度值随深度的变化曲线。可以看出，磨削试样表层和心部硬度值稳定，平均值为 231HV，其平均绝对偏差也较小；超声滚压试样显微硬度最大值达到 328HV，且硬度值由表面向心部逐渐减小，当深度为 350 m 左右时逐渐趋于稳定。图 5b 为磨削试样和超声滚压试样 第 52 卷 第 6 期 刘里根，等：铁路车轴表面强化技术研究与应用 99 图 2 未处理样品（a）和超声滚压样品（bd）的横截面金相形貌16 Fig.2 Metallography of cross section of untreated specimen(a)and ultrasonic rolled specimens(b-d)16 图 3 未处理样品（a）和超声滚压样品（bd)）的表面形貌16 Fig.3 Surface morphologies of untreated specimen(a)and ultrasonic rolled specimens(b-d)16 轴向残余应力沿深度的变化曲线，可以看出，磨削试样最大残余压应力约为 230 MPa，出现在试样表面，残余压应力层厚度约为 100 m；而超声滚压试样最大残余压应力约为 830 MPa，出现在试样次表面，残余压应力层厚度约为 700 m。滚压强化后，强烈的塑性变形使车轴试样表层产生加工硬化，提高了表层硬度，同时也产生了更大的残余压应力，车轴的抗疲劳性能和耐磨性能得到了提升。杨冰等34研究了表面滚压对 LZ50 车轴钢疲劳短裂纹扩展行为的影响，并从主导短裂纹尺度和有效短裂纹密度 2 个特征参量角度出发，详细分析了表面滚压对短裂纹扩展行为的影响。短裂纹扩展分为 2 个阶段，即短裂纹萌生与扩展初期（MSC 阶段）和短裂纹扩展后期（PSC 阶段）。在 MSC 阶段，短裂纹主要受到局部微观结构的阻碍，如晶界等；而到了 PSC阶段，短裂纹经过扩展后的尺度已经超过了晶粒尺 100 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 4 未处理样品和超声滚压样品的 表面粗糙度值16 Fig.4 Surface roughness values of untreated specimen and ultrasonic rolled specimens16 寸，这时主要受到宏观因素的阻碍，如残余应力等。图 6 为相同主导短裂纹尺度或疲劳寿命分数条件下的主导短裂纹扩展速率曲线，其中 G1 为未经表面滚压处理的试样，G2 为经表面滚压处理的试样。由图6a 可知，在相同裂纹尺度下，表面滚压强化后的试样主导短裂纹扩展速率明显低于未强化处理的试样，在 MSC 阶段尤为明显，但当进入 PSC 阶段后，表面滚压强化试样的主导短裂纹扩展速率与未强化试样差距逐渐减小，可以预见的是，随着裂纹尺度的逐渐增大，两者的主导短裂纹扩展速率趋于重合。由图6b 可知，表面滚压强化有效延长了 MSC 阶段和 PSC阶段的过渡段，减缓了短裂纹扩展。由图 7 可知，表面滚压强化试样的有效短裂纹密度明显小于未经强化的试样，说明滚压强化能够有效减少短裂纹的群体萌生，抑制短裂纹群体效应对裂纹扩展的促进作用。因此，表面滚压强化对裂纹的萌生和扩展有较大的阻碍作用，从而改善了车轴的疲劳性能。滚压技术在铁路车轴上的应用愈发娴熟，学者们对滚压机理、滚压强化改善疲劳性能等诸多方面的研究也越来越深入，相关研究成果和实际应用现状都表明滚压对延长车轴服役寿命有显著效果。能提高轮轴压装部位耐磨性和轴身抗疲劳性能并改善表面质量是滚压技术的优势，但滚压力过大会产生滚压裂纹、残余压应力层较浅、阻碍长裂纹扩展效果不明显等是滚压技术有待提升的不足。如何在保持优势的同时弥补缺陷，是滚压技术所面临的挑战，也是研究人员需要攻克的难题。图 5 磨削试样与超声滚压试样表层显微硬度（a）及残余应力（b）随深度的变化曲线33 Fig.5 Variation curve of surface microhardness(a)and residual stress(b)with depth of rolled specimens and ultrasonic rolled specimens33 图 6 相同主导短裂纹尺度（a）或疲劳寿命分数（b）条件下的主导短裂纹扩展速率曲线34 Fig.6 Dominant short crack growth rate curve under the same dominant short crack size(a)or fatigue life fraction(b)34 第 52 卷 第 6 期 刘里根，等：铁路车轴表面强化技术研究与应用 101 图 7 LZ50 车轴钢表面滚压与未滚压试样的 有效短裂纹密度34 Fig.7 Effective short crack density of rolled and untreated specimens on the surface of LZ50 axle steel34 2 喷丸强化 2.1 喷丸强化及其衍生工艺 喷丸强化利用压缩空气将特定的小弹丸高速喷射向零部件表面，使其表面产生塑性变形，获得具有一定深度的硬化层，从而提高零部件的力学性能。在喷丸强化利用高速弹丸冲击靶材表面使其表层材料发生塑性变形的过程中，首先引发显微组织结构发生力学行为改性，其次由于非均匀塑性变形在表层引入残余压应力，“应力强化机制”与“组织结构强化机制”是喷丸强化改善疲劳、应力腐蚀、氢脆等失效模式的强化机制35-36。但是传统的机械喷丸技术反而会使零件表面粗糙度变高、质量变差（如图 8 所示），更容易引起疲劳断裂37。因此，研究人员引入超声波和激光，形成了超声冲击、激光冲击的新技术，不仅能得到更好的强化效果，还能缓和因喷丸技术本身不足造成的表面质量降低现象，广泛应用于机械零件的表面强化36。图 8 机械喷丸示意图36 Fig.8 Schematic diagram of mechanical shot peening36 超声冲击技术最早由乌克兰 Paton 焊接研究所提出，其在消除焊接残余应力方面已得到了广泛应用38-39。超声冲击强化处理方法的基本原理是将超声波发射器产生的超声波振动能量通过能量转换器前端的工具头传输到零部件表面，工具头会以较高的频率对零部件表面进行撞击（如图 9 所示），使其表层材料产生弹塑性变形，并在表层形成具有高硬度和较大残余压应力的强化层。同时，在进给系统所控制的平稳移动过程中，由于超声工具头对零部件表面的挤压作用，零部件表面的凸起部分被均匀填到凹陷区域，降低了表面粗糙度8,40。相较于传统机械喷丸，超声冲击具有更好的强化效果，能有效克服机械喷丸对表面粗糙度强化的局限性。激光冲击强化是一种新型的表面加工技术，在零部件表面附着约束层和吸收层，激光束会穿过约束层，冲击有吸收层保护的零部件（如图 10 所示）。其原理是吸收层受到激光辐射后迅速气化、电离，形成等离子体，等离子体持续吸收能量后体积不断膨胀，在膨胀过程中受到约束层的作用，产生向零部件内部传播的强冲击波。强冲击波的峰值压力高于材料的动态屈服强度，引起材料表层组织改变和应力状态分布，进而提高材料抗疲劳、耐磨损和抗应力腐蚀等综合性能42。与传统喷丸工艺相比，激光冲击具有强化效果突出、应用范围广、可控性和稳定性好等特征43-44。图 9 超声冲击示意图41 Fig.9 Schematic diagram of ultrasonic shock41 102 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 10 激光冲击示意图36 Fig.10 Schematic diagram of laser shock36 机械喷丸的工艺参数主要有弹丸直径、喷丸强度、表面覆盖率等36。在相同的外加压力下对试样进行喷丸强化，大直径弹丸产生的残余压应力较低，但残余压应力层较深；小直径弹丸产生的残余压应力较高，但残余压应力层较浅，且残余压应力值随深度的增加而迅速降低。喷丸强度由电弧高度值和喷丸完成时间的曲线决定，在达到饱和点时间两倍的范围内，电弧高度值的增量不应超过饱和点处电弧高度值的10%，此时的电弧高度值定义为喷丸强度36。表面覆盖率是喷射表面上凹坑所占面积与喷射表面积的比率36,45。超声冲击参数较多，主要有：超声振动频率、超声振幅、冲击头直径、冲击距离、冲击时间、冲击次数、预挤压深度、进给速度、线速度等，其中频率、振幅、冲击头直径、冲击距离均为次要影响因素，每次试验均固定41,46-48。超声波振动频率是固定的，工件表面每平方毫米的冲击次数 N 受线速度和进给速度影响，可用式（1）表示49。60 fNSV=(1)式中：f 为超声振动频率，Hz；S 为进给速度，mm/r；V 为线速度，mm/s。Ohta50发现，残余应力层深度随着冲击次数和冲击头半径的增加而增大。Hu 等51通过对 5A06 铝合金超声冲击进行有限元分析，研究了冲击次数、冲击速度、冲击头形状和冲击角度对残余应力的影响。结果表明：冲击次数的增加导致残余压应力的深度和大小增加，最大残余压应力值在第 3 次冲击后达到最大，继续增加冲击次数对其影响较小；冲击速度和冲击头直径显著影响了残余压应力的深度和大小，影响趋势呈非线性；冲击角度对最大残余应力深度和大小影响不显著。激光冲击工艺参数（脉冲功率密度、脉冲宽度、路径、覆盖率、脉冲能量、光束模式、光斑尺寸、板的机械性能、约束层的刚度、吸收层的厚度等36,42,44）的选择直接影响材料的强化效果。Hu 等52研究了激光冲击不同覆盖率下增材制造 TC4（Ti6Al4V）钛合金的表面完整性。结果表明：覆盖率为 100%时，表面粗糙度有明显提升，但在 300%、500%覆盖率下表面粗糙度变化不大；同时，激光冲击造成的塑性变形降低了增材制造 TC4 钛合金的孔隙率。在表层硬度方面，激光冲击使材料表层形成了从表层到基体依次降低的硬度梯度层，且硬度提升效果与激光冲击道次、覆盖率及束流功率密度呈正相关53-54。同时，与机械喷丸类似，激光冲击对硬度的提升也存在饱和值，即当材料表层硬度达到一定值时，即使继续增大脉冲功率密度、增加喷丸道次和覆盖率，材料表层硬度也难以进一步增大55。与传统机械喷丸、超声冲击、水射流喷丸等表面强化方法相比，激光冲击引入的残余压应力层深更大，使其在抑制疲劳裂纹扩展方面具有优势56。此外，值得注意的是，传统机械喷丸处理后试样的残余压应力分布大多为最大残余压应力出现在次表层57-59，而激光冲击后最大残余应力在外表面出现53-56,60-62。相比传统机械喷丸，超声冲击、激光冲击具有更好的强化效果、更高的稳定性，同时，由于超声波和激光本身的特性，这两种新的喷丸技术工艺参数更加复杂，最佳工艺参数的确定变得困难。2.2 车轴喷丸强化的研究及应用 喷丸强化也是提高铁路车轴疲劳性能的有效手段之一，与滚压强化相同，喷丸强化也是通过在车轴表面产生塑性变形来提高车轴力学性能。经过一百多年的迅速发展，喷丸强化技术已十分成熟，在铁路关键零部件领域的应用也越来越广泛63。唐凯等64对 LZ50 车轴钢试样进行了激光冲击强化，采用了 2 种激光能量参数（1 号试样为 3.4 J，2号试样为 5.4 J），对比了这 2 种不同参数对 LZ50 车轴钢试样疲劳性能的影响。由图 11 可知，激光冲击强化后，强化试样的硬度提升较为明显，同时沿截面呈梯度分布；2 种不同参数的强化试样表面最大硬度值相差较大，但硬化层深度大致相同。对试样表面进行物相分析，由 XRD 图谱（图 12a）可知，激光冲击强化并未使车轴表层发生相变。由图 12b 可知，激光冲击强化后，试样残余压应力有一定程度的提升。残余压应力一般通过两方面来提高材料的疲劳性能：一是抵消表 第 52 卷 第 6 期 刘里根，等：铁路车轴表面强化技术研究与应用 103 图 11 过盈配合处表面硬度值（a）和沿截面硬度梯度曲线（b）64 Fig.11 Surface hardness value of interference fit(a)and hardness gradient curve along section(b)64 图 12 LZ50 车轴钢 XRD 图谱（a）和过盈配合处表面残余压应力（b）64 Fig.12 XRD pattern of LZ50 axle steel(a)and surface residual compressive stress at interference fit(b)64 层外加拉应力，使表层受到的实际外加应力比内部小，提高了表层的疲劳强度，从而提高材料整体的疲劳强度；二是残余压应力对裂纹扩展的阻碍，在短裂纹扩展后期，宏观因素成为影响裂纹扩展速率的主要原因，残余压应力使裂纹尖端区域的裂纹闭合倾向加剧，减缓了裂纹扩展，从而使试样疲劳性能得到提高64-66。李行等67研究了传统机械喷丸（CSP）和微粒子喷丸（MSP）对 EA4T 车轴钢表面完整性和残余应力的影响。表面粗糙度（表 2）和表面形貌（图 13）结果显示，喷丸强化使车轴表面粗糙度增大，出现一些凹坑；相比于 CSP 处理，MSP 处理后的试样表面相对较为完整，粗糙度上升的幅度较小。硬度梯度分布曲线和残余应力分布曲线如图 14 所示，MSP 处理后，最大硬度值更高，但硬化层较浅，硬化层深约为 CSP处理的 1/4；残余压应力层深度与硬化层较吻合，最大残余压应力值均出现在次表层，MSP 处理能在试样表面引入更大的残余压应力，但残余压应力层更浅。SN 曲线（图 15a）显示，MSP 处理后疲劳 表 2 3 种不同试样的表面粗糙度67 Tab.2 Surface roughness of three different specimens67 SpecimensRa Rz Rmax Un-peened0.05 0.49 0.57 CSP 5.33 24.93 32.59 MSP 2.44 14.62 16.83 图 13 喷丸试样表面三维形貌67 Fig.13 3D surface morphology of shot peened specimens67 104 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 14 截面硬度梯度曲线（a）和残余应力沿截面分布曲线（b）67 Fig.14 Section hardness gradient curve(a)and distribution curve of residual stress along section(b)67 图 15 SN 曲线（a）和同一应力水平下残余应力松弛对比（b）67 Fig.15 S-N curve(a)and comparison of residual stress relaxation under the same stress level(b)67 极限提高幅度更大。但在高应力区，2 种喷丸处理的试样疲劳寿命反而低于未处理试样，这是由于在高应力区，喷丸表面凹坑缺陷处更容易引起应力集中形成裂纹源，且随着外加载荷的增加，残余应力发生松弛，强化引入的抗疲劳有益效应减少68-70。选取 3 种不同的加载应力水平（高、中、低）探究残余应力松弛过程，如图 15b 所示，在同一应力水平和循环周次条件下，MSP 处理试样残余应力松弛过程更慢，能够更有效地抑制疲劳裂纹的扩展，从而提高试样的疲劳性能。一般认为，喷丸强化对车轴抗疲劳性能的提升是组织结构强化、表层残余应力和表面质量综合作用的结果71-72。研究表明，喷丸会造成试样表面粗糙度值增大，使得表面局部应力集中加剧，更容易发生疲劳67,71,73。为了进一步探究残余应力和组织结构对车轴疲劳性能的影响，朱守东等74对 EA4T 车轴钢微粒子喷丸及喷丸后回火（LTT 低温回火，HTT 高温回火）的疲劳性能进行了研究。通过残余应力分布曲线（图16a）可知，微粒子喷丸残余压应力层深度约为100 m，回火处理使得残余压应力得到不同程度的释放，随着回火温度的升高，残余应力释放得更多，但残余压应力层深度基本没有改变。通过对经不同处理的 EA4T 试样的半高宽值（FWHM，X 射线衍射峰高一半处的峰宽，通常可用于表征组织细化的程度）结果进行分析，如表 3 所示，微粒子喷丸处理使得试样表层晶粒达到纳米量级，回火处理后，晶粒得到不同程度的回复。SN 曲线结果（图 16b）显示，微粒子喷丸强化后，试样疲劳极限提高了 30%，但经过回火后，疲劳极限提升幅度有所下降。此外，在高应力水平区，微粒子喷丸对疲劳寿命提高的效果并不显著，造成此现象的原因：一是喷丸后试样表面质量有所下降，在外加高载荷下，粗糙的表面更容易引起应力集中，产生微裂纹；二是塑性变形产生的加工硬化对裂纹扩展的抑制作用主要集中在 MSC 阶段，在 PSC 阶段和长裂纹阶段抑制效果不显著；三是残余应力在疲劳载荷下会发生松弛。由图 17 可知，残余应力松弛过程可分为快速松弛和稳定循环松弛 2 个阶段73，在快速松弛阶段，外加载荷越大松弛程度也越大。残余应力高应力水平下的松弛曲线显示，快速松弛阶段发生的时间很短，大部分疲劳寿命对应的表面残余应力已经处于稳定循环松弛阶段。由裂纹扩展规律可知，疲劳裂纹的萌生和扩展都需要一定的循环时间，因此，实际上抑制裂纹扩展的残余应力值小于测量值。喷丸技术发展至今，在机械零部件上的应用举足轻重，针对喷丸强化表面完整性的基础研究体系逐渐完善，但在铁路车轴表面强化领域，喷丸技术的应用还需进一步探索。对于铁路车轴来说，疲劳性能至关重要，延长车轴的剩余服役寿命是车轴表面强化的核第 52 卷 第 6 期 刘里根，等：铁路车轴表面强化技术研究与应用 105 心课题。作为表面形变强化的其中一种方式，喷丸强化本身具有一定局限性，如残余压应力层深浅、表面质量较差。这些局限使得喷丸强化在车轴抗疲劳方面受到掣肘，且难以应用于工况恶劣、安全等级高的铁路车轴上。表 3 经不同强化处理的 EA4T 试样 FWHM110值与晶粒尺寸74 Tab.3 FWHM110 value and grain size of EA4T