鐵道車輛輪軌滾動接觸疲勞裂紋研究綜述

肖 乾，方 駿

（華東交通大學現代軌道車輛研究所，江西 南昌330013）

軌頭踏面在輪軌接觸應力作用下形成的沿鋼軌全長密集分布的表面裂紋稱為輪軌接觸疲勞裂紋。當輪軌接觸應力超過鋼軌的接觸疲勞強度，疲勞裂紋萌生和擴展速率大于軌頭磨耗速率，疲勞裂紋就會萌生和擴展。疲勞裂紋在疲勞擴展過程中發生的掉塊稱為剝離掉塊。當剝離裂紋發展到較大尺寸并導致踏面局部凹陷，表面呈暗斑狀時，稱為局部凹陷。當剝離裂紋發展為軌頭橫向疲勞裂紋或導致鋼軌橫向疲勞斷裂時，稱為核傷。根據剝離裂紋在踏面的分布位置、形狀及其擴展特點，可將接觸疲勞裂紋分為軌距角處魚鱗狀剝離裂紋、掉塊和核傷，軌頭踏面斜線狀剝離裂紋、局部凹陷和核傷，以及曲線內股踏面剝離裂紋和淺層狀剝離掉塊等三種。

滾動接觸引起的鋼軌表面裂紋已成為鐵路運行安全的主要問題，在循環載荷的作用下，裂紋萌生并且不斷擴展，直至達到疲勞極限，導致鋼軌斷裂，引發列車脫軌事故。英國一列速度為185 km·h-1的高速列車曾因踏面斜裂紋引起的鋼軌橫向斷裂而出軌［1］。而中國廣深線的準高速區段先后也有2處因踏面斜裂紋導致鋼軌橫向斷裂［2］。由此可見，研究高速鐵路輪軌接觸疲勞和損傷問題，提出有效的預防措施具有巨大的經濟意義與科學價值。

隨著我國客貨鐵路運輸朝著高速化和重載化方向發展，出現裂紋的現象越來越頻繁，這種現象已經引起了國內外很多學者的重視。研究重點主要包括疲勞裂紋發生機理和預防或減輕裂紋產生的措施。

1 滾動接觸疲勞損傷機理研究現狀

為了研究高速鐵路由于輪軌滾動接觸而導致鋼軌裂紋萌生的安全問題，從實驗和數值仿真兩個方面綜述了滾動接觸疲勞作用下裂紋萌生機理。

1.1 試驗研究

滾動接觸疲勞導致接觸表面如軌距角、踏面處產生麻點、剝落、裂紋甚至斷裂等現象，如圖1、圖2所示，國內外學者圍繞其成因開展了大量科學研究，對滾動接觸疲勞損傷機理說法不一，但其中多數人認為輪軌滾動接觸疲勞損傷時由于輪軌表面材料在循環載荷作用下塑性變形累積所致。

圖1 軌距角魚鱗狀剝離裂紋和掉塊Fig.1 Fish scale stripping cracks and falling chip at the angle of gauge

圖2 踏面斜線狀剝離裂紋Fig.2 Oblique line stripping crack in the tread

Bernasconi A等人采用試驗方法研究了高速鐵道車輪材料R7T鋼的多軸疲勞特性，研究結果發現在滾動接觸循環載荷作用下，車輪表面材料發生嚴重的塑性變形累積，從而導致車輪表面裂紋的產生［3］；Eadie D T指出輪軌間的切向摩擦力造成輪軌表面材料塑性流動而產生疲勞損傷［4］；R Stock等利用原尺寸輪軌實驗平臺進行實驗，鋼軌采用珠光體鋼和貝氏體鋼，結果發現珠光體硬度等級與鋼軌耐疲勞性具有密切聯系，然而貝氏體鋼軌顯示出微小的差別，與同等硬度的珠光體鋼軌比較，貝氏體鋼軌耐磨性降低，耐疲勞性提高［5］。

國內外也有一些學者從材料的微觀角度分析了輪軌滾動接觸疲勞損傷的起源，Garnham等人從微觀角度揭示鋼軌表面在循環載荷作用下使得晶粒破碎細化，硬度升高，產生塑性變形層［6］；Takikawa等人使用雙盤滾動試驗機實現了鋼軌曲線段軌頭裂紋的模擬試驗，發現材料硬度對表面裂紋的形成有較大影［7］；Alfredsson［8］認為輪軌表面粗糙引起的高應力區域是裂紋萌生源；Sato等人的研究又表明裂紋萌生于表面并沿著塑性流線而不是沿著局部最大拉應力的法向發展；G Donzella等人在雙盤試驗機上完成了輪軌材料配副的棘輪效應試驗，借助掃描電鏡觀察了不同階段的輪軌表面損傷的演化［9］［10］；彭峰針對廣深線準高速區段出現的斜線狀裂紋情況，取下U75V、U71Mn鋼軌軌樣進行宏觀形貌、微觀形貌分析及金相試驗得到鋼軌的傷損機理，指出鋼軌材料自身的條件是影響滾動接觸疲勞的主要因素，合金組織穩定性和均勻性越好，材料的疲勞強度越高［11］；鐘雯等人針對廣深線鐵路使用的U75V和U71Mn鋼軌進行了一系列試驗分析，發現U71Mn的組成成分和金相組織決定的鋼軌抗疲勞裂紋擴展性能更適合高速鐵路鋪設使用［12］。然而迄今為止，缺乏系統的研究輪軌表面材料在滾動接觸循環載荷作用下的演變規律。

1.2 數值仿真

日本赤間誠［13］、瑞典Ringsberg等人［14］利用有限元技術、Jiang Sehitoglu棘輪效應本構模型及其疲勞損傷預測模型完成了輪軌滾動接觸疲勞損傷分析；Yongming Liu和Sankaran Mahade van又提出了考慮輪軌塑性變形累積的金屬高周疲勞準則和壽命預測方法，結合有限元分析預測了輪軌滾動接觸表面裂紋的萌生，得到了與現場數據相對一致的結論［15-16］。B Alfredsson 針對滾動軸承的表面損傷問題進行數值分析，發現殘余應力和表面粗糙度直接影響滾動接觸疲勞損傷［17］，胡軍等［18］以直徑為860 mm的LMA型踏面輪對和60 kg·m-1鋼軌為例建立三維實體模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析不同軸重和摩擦系數對最大接觸法向應力、接觸剪切應力以及最大Mises應力的影響。分析結果表明：隨著軸重的增加輪軌最大接觸法向應力和最大Mises應力會逐漸增大，接觸疲勞裂紋萌生的速度則隨之增大。隨著摩擦系數的的增加，最大接觸法向應力和最大Mises 應力的變化不顯著，而接觸剪切應力則隨之增大，加快接觸疲勞裂紋的萌生。劉圓［17］為研究影響鋼軌表面斜裂紋擴展的因素，通過建立三維有限元模型，計算不同裂紋間距條件下原有裂尖前緣的應力強度因子。分析結果表明，隨著裂紋間距的減小，新裂紋的萌生能降低原有裂紋的擴展速率，但原有裂紋擴展方向向新裂紋彎曲，容易導致兩裂紋融合，從而形成新的裂紋，其擴展速率可能會遠遠大于原有裂紋。王少鋒等［20］基于臨界平面法研究鋼軌裂紋萌生壽命預測模型。Taraf等人采用移動赫茲接觸壓力，在二維的輪軌滾動接觸彈塑性有限元模型基礎上分析了車輪踏面的表面裂紋萌生規律，發現材料缺陷、軸重和摩擦系數直接影響輪軌滾動接觸疲勞損傷［21］；D I Fletcher等人采用數值仿真和試驗分析的方法發現液體對裂紋擴展在不同情況下有加速和延緩的作用［22］；L Yongming 建立三維彈塑性模型計算應力強度因子，通過混合模式疲勞裂紋擴展模型預測車輪表面損傷，同時分析了車輪參數、裂紋初始位置和尺寸以及裂紋面間摩擦系數對裂紋擴展的影［23-24］。

對于鐵軌裂紋萌生機理的研究，目前主要集中在鐵軌材料的塑性棘輪效應上，研究方法主要有安定圖和損傷函數。通過觀察鋼軌疲勞斷口如圖3和脆性斷口如圖4可以看出，接近鋼軌表面區域的材料積累大量的塑性剪切應變。由于軌鋼材料和載荷條件的差異性，變形區域的厚度從幾微米到幾毫米不等。塑性材料對載荷的響應取決于載荷大?。蝗绻d荷超過塑性屈服極限，塑性應變將不斷積累，該過程即為塑性棘輪效應。因此，材料的塑性屈服極限也稱為棘輪效應的門檻值。塑性棘輪效應導致在接觸區域的邊緣位置，材料被擠出大量細小的條狀褶皺，并且接近軌頭表面區域的材料產生較大的塑性剪切應變。材料不能無限制地積累應變，在棘輪效應作用下，當應變積累到一定臨界值時，材料的塑性被完全耗盡，從而失效。裂紋往往在靠近鐵軌表面的失效材料處萌生，并且向鐵軌深度方向擴展，而鋼軌表面的失效材料作為磨損碎屑被移除。但是，高速滾動接觸疲勞損傷機理還沒有形成一個統一的結論，特別是對于高速鐵路輪軌滾動接觸疲勞損傷的機理分析還只是起步階段，缺乏系統的研究成果。

圖3 橫向和縱向斷裂處左側斷口宏觀形貌Fig.3 The macro fracture morphology on the left side of horizontal and vertical split

圖4 脆性斷口形貌Fig.4 Brittle fracture morphology

2 輪軌滾動接觸疲勞防損對策研究

對于輪軌滾動接觸疲勞防損對策研究，我國起步較早，在上世紀80年代，我國學者淡育煦等人從組織結構的角度出發，討論了鋼的接觸疲勞性能，發現使碳化物小、勻、圓是提高Cr12MoV鋼耐磨性和接觸疲勞強度的主要手段，同時指出提高表面層的硬度和強度是提高接觸疲勞強度的主要措施［25］；清華大學陳顏堂等人綜述了鋼軌鋼的滾動接觸疲勞特征及其成因，探討了提高鋼軌鋼接觸疲勞壽命的途徑，指出減小最大接觸應力、改善微觀組織結構、降低殘余應力和提高冶金質量對延緩滾動接觸疲勞損傷影響最大［26］。西南交通大學對于輪軌滾動接觸疲勞防損研究有較大的貢獻，張偉在分析了輪軌滾動接觸疲勞損傷成因的基礎上，指出提高輪軌強度是主要的減緩滾動接觸疲勞的措施之一，主要包括有表面機械處理以及化學改性等方法，具體有利用涂層技術、減少輪軌材料組織中的馬氏體組織、輪軌材料中加入鉻或釩鉻合金等方法，也指出了稀土可延緩鋼軌鋼表面疲勞裂紋的萌生與擴展，而改善工作狀況和優化輪軌型面也是減緩輪軌滾動接觸疲勞損傷的有效方法［27］；彭峰等人在分析高速鋼軌滾動接觸疲勞傷損原因的基礎上，提出了從鋼軌材料成分和微觀結構、制造工藝以及鋼軌打磨幾方面來預防滾動接觸疲勞傷損［11］；王文健等人針對重載鐵路和高速鐵路的損傷差異，提出分別采用潤滑技術、優化輪軌型面和鋼軌打磨技術等預防輪軌損傷［28］；劉啟躍等人結合多年的研究與調查，分析了高速與重載鐵路鋼軌損傷與預防技術差異，指出高速鐵路鋼軌主要表現為疲勞損傷特征，同時指出鋼軌潤滑會導致加速鋼軌疲勞裂紋的擴展，高速鋼軌不宜采用輪軌潤滑技術預防損傷，可采取打磨的方式消除和抑制軌面損傷［29-30］。

在國外，更多的學者選擇對輪軌表面進行處理，改善輪軌材料表面組織來抑制滾動接觸疲勞的產生，R J DiMelfi等人研究發現激光表面改性后的表面摩擦系數下降較為明顯，而表面硬度則明顯上升，從而導致抗接觸疲勞性能增強和磨損率降低［31］；英國學者F J Franklin和荷蘭學者G J Weeda針對曲線段鋼軌和道岔處鋼軌輪緣接觸導致的軌距角斜裂紋現象，提出在鋼軌表面附加涂層形成雙材料鋼軌從而抵制滾動接觸疲勞現象，并通過雙圓盤試驗機對涂層材料和工藝進行了試驗分析［32］；Jonas W Ringsberg 在UIC標準的900 A材料表層熔覆Co-Cr合金并稱之為雙材料鋼軌，通過數值分析、雙圓盤試樣試驗和現場試驗發現鋼軌表面熔覆處理之后能有效阻止棘輪效應的產生，從而抑制滾動接觸疲勞損傷［32］；F J Franklin重點研究開發了延緩滾動接觸疲勞的雙材料鋼軌，通過試驗討論了潤滑、載荷以及熔覆層厚度等參數對抗疲勞性能的影響［34］；M Vrbka等人研究了滾動體表面織構對于滾動接觸疲勞的影響，研究發現表面織構能增加滾動接觸疲勞壽命［35］。國內學者在降低輪軌磨耗方面也開始采用激光表面處理或表面熔覆等技術，何柏林等人利用HJ-II對U70鋼軌表面進行超聲沖擊處理，鋼軌表面硬度明顯增加，耐磨性得到提高［36］；楊膠溪等人利用激光熔覆技術對U71Mn鋼軌進行表面強化從而提高鋼軌的耐用性，研究過程中發現保證涂層與裂紋等缺陷以及涂層與基體的優良結合較為困難［33］；而周清躍等人指出不同運輸條件下的輪軌硬度的合理匹配對提高輪軌的綜合使用壽命具有十分重要的作用，在硬度等級超過450 HB時，輪或軌硬度的增加會使輪軌試樣的總磨耗降低的程度更大，而輪軌硬度匹配不能單從輪軌磨耗來考慮，還應當考慮輪軌磨合以及對滾動疲勞壽命的影響，高硬度的合金軌雖然耐磨性好，但由于韌、塑性及焊接性能不好而被限制使用［37］。相對于激光熱處理和激光熔覆技術來說，激光熔凝技術應用工藝靈活、對基體組織影響小，且表面能獲得超細、均勻的組織結構［38］。西南交通大學曾東方等人采用激光離散熔凝技術對于車輪材料試樣進行了表面處理，通過干態下和潤滑狀態下的滾動接觸試驗發現處理后的試樣磨耗率大大降低，抗滾動接觸疲勞性能也有所升高，但沒有考慮到輪軌關系中如硬度匹配、輪軌黏著等其它問題［39］。

3 結論

綜上所述，輪軌滾動接觸疲勞損傷問題一直以來都是國內外學者的研究熱點，但多數停留在疲勞損傷影響因素分析和數值預測方面，輪軌防損對策主要考慮降低輪軌磨耗，減小最大接觸應力、改善微觀組織結構、降低殘余應力和提高冶金質量，改善鋼軌材料成分和微觀結構、制造工藝以及打磨鋼軌。特別是高速鐵路迅猛發展，高速列車的安全性和舒適性需求也日益提高，系統地開展高速輪軌滾動接觸疲勞損傷及其防損對策研究顯得尤為迫切。因此，后續工作可著手研究高速輪軌滾動接觸疲勞損傷機理和特點，在此基礎上提出充分考慮輪軌磨耗、輪軌黏著等其它輪軌接觸問題的高速輪軌防損對策。

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