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背景简介

疲劳与断裂是工程中最常见的失效模式。尽管设计研发人员对传统强度的认识已相当深刻，积累了丰富的实践设计经验，但鉴于疲劳断裂失效涉及到的影响因素（如比例及非比例载荷、材料内部缺陷、服役环境等）较多，设计产品难以完全避免疲劳断裂失效风险。在实际服役过程中，EA4T车轴钢受混合模式载荷作用，关于如何有效考量应力比和过载效应对裂纹扩展行为影响的研究文献报道较少。

成果介绍

（1）加载顺序影响过载迟滞效果，在双重过载及多重过载时采用递增载荷序列可获得最佳迟滞效果。随着过载比的增加，双重过载及多重过载方案均呈现迟滞效果减弱的趋势。研究中裂纹尖端位置是在最大载荷下确定的，从而使裂纹完全张开，如图1所示。图中选择距离裂纹尖端202.75 μm（约25个像素）的点作为P1测量线，以100 μm的间隔选择另外四条测量线，分别编号为P2-P5。进一步，利用DIC技术，可获得所选区域的位移场（图1(b)-(c)）和应变场（图1(d)）。

图1 裂尖测点、位移场和应变场结果（R=0.3，α=45°，N=260000次循环）：（a）裂纹尖端附近的测点；（b）平行于裂纹扩展方向的位移；（c）垂直于裂纹扩展方向的位移；（d）垂直于裂纹扩展方向的应变

图2所示为不同过载比条件下在施加单重过载后循环10周次、100周次及1000周次后记录得到的平行于加载轴方向的拉格朗日E_YY应变值，图中横坐标为1/4个周期循环加载所对应的载荷阶段。

图2单重过载试验结果，过载比依次为：(a) 1.2 (b) 1.5 (c) 2

图3显示了双重过载后采集得到的试验数据，双重过载过程中的低载荷起到了强化的作用，在低过载载荷作用周期内引入了一定的残余压应力，而该应力会有效的延缓高过载载荷的迟滞效应。在双重过载由高载到低载的过程中，低载未对高载产生影响。

图3 双重过载试验结果，过载比依次为：(a)1.2+1.5 (b) 1.5+1.2 (c) 1.2+2 (d) 2+1.2 (e) 1.5+2 (f) 2+1.5

图4为多重过载后采集得到的试验数据，结果表明一旦在递增序列中加入小的过载比载荷，会减弱过载迟滞效果。而在递减序列中加入小的过载比载荷，则会增强迟滞效果。

图4 多重过载试验结果，过载比依次为：(a) 1.2+1.5+2 (b) 1.2+2+1.5 (c) 1.5+1.2+2 (d) 1.5+2+1.2 (e) 2+1.2+1.5 (f) 2+1.5+1.2

（2）当载荷模式从I型变为混合型时，裂纹立即转向。图5中所有试件的裂纹扩展方向最终垂直于加载轴，高应力比时裂纹偏转速度较低应力比时更快。当加载角度为30°时，裂纹偏转最快，最大载荷投影到与裂纹扩展方向平行的模式II。

图5 疲劳裂纹扩展轨迹宏观照片

（3）材料循环软化会使裂纹扩展速率增加，且过载方案中载荷之间存在相互干涉，过载间隔的大小影响干涉程度。过载序列中设置的间隔循环会削弱裂尖过载引起的裂纹闭合效应，较小的过载间隔会导致前一过载的迟滞效应被后一过载的影响覆盖，从而削弱了迟滞效应效果。

致谢

本文获国家自然科学基金（52375159）和国家铁路局课题（KF2023-025）的支持。本文第一作者：王栓程（西南交通大学），通讯作者：杨冰（西南交通大学）。

本期小编：    杨　冰（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）