不同滑滾比下輪軌材料損傷行為

周　琰，彭金方，趙　磊，王文健，李　煒，金學松，朱旻昊,

(1 西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

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不同滑滾比下輪軌材料損傷行為

周琰1，彭金方2，趙磊1，王文健1，李煒1，金學松2，朱旻昊1,2

(1 西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

在MMS-2A滾滑試驗機上采用法向載荷120N(模擬軸重16t)，轉速500r/min，研究京滬高速鐵路用鋼軌U71MnK和車輪ER8配副在不同滑滾比下的材料損傷行為。利用SEM，EDX對不同滑滾比下的磨痕及剖面形貌和磨損表面元素進行分析。結果表明：不同滑滾比下摩擦因數變化趨勢反映材料損傷的過程；輪軌材料的硬化程度隨滑滾比增加而增加；不同滑滾比條件下的損傷機制不同：在近似滾動條件下，輪軌材料損傷較輕，主要為氧化磨損和局部剝落。隨著滑滾比增加，輪軌材料損傷逐漸發展為疲勞磨損為主，并伴隨氧化磨損和磨粒磨損，且磨粒磨損程度隨滑滾比的增加而增加。

滑滾比；輪軌；材料損傷；磨損

安全是鐵路發展的永恒主題，隨著高速鐵路快速發展，以及“高鐵走出去”國家戰略的實施，高速鐵路服役安全顯得尤為重要。輪/軌作為鐵路關鍵部件，高速輪軌材料的損傷是目前關注的重點。輪軌材料在滾動接觸條件下易形成如表面剝離、表面擦傷、輪軌側磨、波浪形磨損、壓潰等滾動接觸疲勞損傷[1-4]，這些現象本質上是材料組織性能改變而導致的(如塑性變形、裂紋形成、表層組織轉變(即白層)、顆粒剝落等)[5,6]，但是，目前輪軌材料組織結構演變與性能衰退關聯性并未被清楚揭示；Baumann等[7,8]最初針對鋼軌上波浪形磨耗考察鋼軌材料的組織轉變，指出波峰的白層下可觀察到不同變形程度的珠光體組織，且珠光體組織溶解的原因是由于最外層的塑性變形導致。Carroll等[9]基于輪軌滾動接觸中珠光體鋼軌白層結構中的裂紋行為，根據裂紋擴展形態建立了不同裂紋形成模型。Pal等[10]針對輪軌接觸表面的制動擦傷痕跡，分析發現是由于嚴重的車輪打滑引起，且會形成硬度高達880HV且厚度約幾百微米的馬氏體組織，說明不同滑滾比對于車輪鋼軌滾動接觸疲勞損傷有著重大的影響。

盡管國內外關于輪軌材料損傷行為有了一定的研究，但目前針對不同滑滾比對輪軌材料損傷行為研究仍不充分[11,12]。本工作針對京滬高速鐵路用鋼軌和車輪材料(U71MnK/ER8鋼配副)，研究滑滾比對輪軌材料損傷的影響，重點從材料組織性能演變的角度，討論輪軌材料損傷的裂紋和白層行為。以期為輪軌材料的正確匹配提供理論指導，也為車輪和鋼軌材料的鏇修加工提供理論依據。

1　實驗材料與方法

1.1實驗裝置及材料

實驗在MMS-2A型摩擦磨損試驗機上進行，實驗

采用赫茲模擬準則，即保證實驗室條件下輪軌試樣間的平均接觸應力和橢圓形接觸斑的長短軸之比與現場工況相同，輪軌試樣直徑和厚度分別為40mm和10mm，試樣表面粗糙度為Ra=0.4μm，輪軌試樣結構尺寸如圖1所示。實驗材料選用京滬高速鐵路用鋼軌和車輪(U71MnK、ER8鋼)，其主要化學成分和力學性能見表1，其顯微組織如圖2所示。

圖1　輪軌試樣示意圖Fig.1　The sketch map of the wheel/rail specimens

MaterialMassfraction/%MainmechanicalpropertyCSiMnPSReH/MPaRm/MPaHBElongation/%U71MnKER80.6500.5600.150-0.3000.8201.000-1.5000.790≤0.0300.013≤0.0300.012—≥540≥880860-980260-300≥245≥12≥13

圖2　輪軌材料顯微組織　(a)車輪材料；(b)鋼軌材料Fig.2　The microstructure of the wheel/rail material　(a)wheel material;(b)rail material

1.2實驗參數及分析方法

在室溫±20℃，法向載荷為120N，對應接觸應力為1500MPa (模擬16t軸重)，設下試樣的轉速為500r/min，上試樣的轉速分別為499,488,455r/min，則滑滾比分別為I(0.17%，接近于純滾動)、II(2.38%)和III(9.43%)；取實驗循環次數為5×104次。

實驗后利用維氏硬度儀(MVK-H21)測量試樣的硬度，每個試樣在圓周方向均勻分布測量10次取平均值；利用金相顯微鏡(BX60MF5)、光學數碼顯微鏡(DSC-100)和掃描電子顯微鏡(JSM-6610)分別觀察試樣磨損后的表面磨痕及寬度和剖面的損傷形貌；采用電子能譜儀(X-MAX50 INCA-250)分析表面主要元素成分。

2　結果與分析

2.1摩擦因數曲線

圖3為不同滑滾比下的摩擦因數曲線。在不同滑滾比下，摩擦因數初始值隨著滑滾比增加分別約為0.1，0.2，0.3。在滑滾比I(0.17%)條件下，摩擦因數(前期穩定-下滑-后期基本穩定)一直保持較低水平并呈現稍下降的趨勢，可能由于接觸界面近似滾動接觸，界面間摩擦小；在滑滾比II(2.38%)條件下的摩擦因數呈現水平(跑和階段：金屬表面污染層去除)—迅速上升(新鮮金屬表面暴露，摩擦加劇)—緩慢爬升和基本穩定的4個階段；而滑滾比III(9.43%)條件下的摩擦因數始終保持較高值，呈現迅速上升—緩慢爬升—波動下降的趨勢，而后期摩擦因數的下降趨勢可能是由于界面間大量磨屑生成，第三體參與承載所致。

圖3　不同滑滾比條件下摩擦因數曲線的演變Fig.3　The evolution of friction coefficient curves under different slip rates

2.2材料硬度變化及磨損行為

圖4(a)所示為不同滑滾比下輪軌材料實驗前后的硬度值，圖4(b)為輪軌材料硬度增量與初始硬度之比隨著滑滾比變化趨勢。由圖可知，輪軌材料的硬度隨著滑滾比增加而增加，硬化程度也隨著滑滾比增加而增加，且鋼軌材料的硬化程度會超過車輪材料。這可以解釋為：一般金屬原始狀態，位錯密度很低，隨著承受循環應力次數的增加，位錯密度顯著增加[13]，材料強度增加，硬度增加；增大滑滾比，接觸面間滑動分量增加，剪切應力增大，導致材料加工硬化行為增強。其中，車輪材料碳含量略低于鋼軌，鐵素體組織含量也高于鋼軌，鐵素體延展性好且硬度值較低，車輪硬度則略低于鋼軌。硬度為材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，相對硬度高的鋼軌與車輪滾動接觸時，車輪材料則以鐵素體先發生塑性變形來增加其硬度[14]，故在I(0.17%)滑滾比條件下，車輪硬化程度會略大于鋼軌；隨著滑滾比的增加，車輪材料的強度硬度逐漸達到飽和甚至超過鋼軌材料，使鋼軌材料發生塑性變形來增加強度硬度，而珠光體組織具有更高強度、更好的塑性和韌性，因而在滑滾比為III(9.43%)時，鋼軌的硬化程度較車輪硬化程度大。

圖4　不同滾滑條件下實驗前后輪軌試樣的硬度變化　(a)硬度值；(b)硬度變化率Fig.4　The hardness variation of wheel/rail specimens before and after tests under different slip rates(a)the value of the hardness;(b)the variation rate of the hardness

2.3輪軌材料磨損行為

表2所示為不同滑滾比條件下車輪和鋼軌的磨痕

表2　不同滑滾比下磨痕寬度 (μm)

寬度，可見隨著滑滾比增加，輪軌試樣磨痕接觸寬度逐漸增加，說明車輪和鋼軌材料的磨損隨著滑滾比增加而有所增加。

2.4輪軌材料塑性變形及裂紋行為

對輪軌材料剖面的損傷形貌分析發現，在滑滾比I條件下，鋼軌試樣極難觀察到裂紋；滑滾比增至II，兩摩擦副試樣均有裂紋萌生，沿塑性變形方向擴展(圖5(b))；當滑滾比增至III，兩種試樣剖面觀察到磨損表面存大量剝落坑和微裂紋(圖5(c))。

圖5　不同滑滾比條件下的輪軌材料裂紋行為滑滾比I：(a)車輪，(a′)鋼軌；滑滾比II：(b)車輪，(b′)鋼軌；滑滾比III：(c)車輪，(c′)鋼軌Fig.5　The crack behaviors of wheel/rail material under different slip ratesunder I slip rate:(a)wheel,(a′) rail;under II slip rate:(b)wheel，(b′)rail;under III slip rate:(c)wheel，(c′)rail

對剖面樣品進行顯微組織觀察(見圖6)，鋼軌材料的珠光體晶粒、車輪材料的鐵素體晶粒被拉長形成塑變流線，流線方向與滾動方向相反，且塑性變形程度隨滑滾比增加而增加，其中I的塑性變形程度遠小于II和III(即：I?II

圖6　不同滑滾比條件下輪軌材料的塑性變形滑滾比I：(a)車輪，(a′)鋼軌；滑滾比II：(b)車輪，(b′)鋼軌；滑滾比III：(c)車輪，(c′)鋼軌Fig.6　The plastic flow deformation of wheel/rail material under different slip ratesunder I slip rate:(a)wheel，(a′)rail;under II slip rate:(b)wheel，(b′)rail;under III slip rate:(c)wheel，(c′)rail

2.5不同滑滾比的輪軌材料損傷機理

2.5.1滑滾比I下材料損傷

圖7所示為滑滾比I下車輪磨損表面及剖面形貌，根據EDX分析知，其中磨損區深色B區域的氧含量較基體A區域高(圖7(a))，表明發生了氧化磨損。鋼軌試樣表面局部呈現氧化磨屑層剝落的現象(圖7(c))。滾動接觸界面間形成氧化磨屑層，車輪材料未觀察到裂紋行為而是白層結構(圖7(b))，而鋼軌材料則有輕微表層裂紋萌生(圖5(a′))。近似純滾的I條件下，摩擦因數保持較低值(圖3)，界面摩擦剪切應力較小，裂紋不易萌生。輪軌材料損傷機理主要表現為車輪材料的氧化磨損和局部氧化皮剝落。

圖7　滑滾比I下車輪材料損傷形貌圖(a)車輪表面損傷形貌；(b)車輪截面損傷圖；(c)鋼軌表面損傷圖Fig.7　The SEM morphology of the wear surface of wheel damages under I slip rate　(a)the wear surface morphology of the wheel specimen;(b)the cross-section profile of the wheel specimen;(c)the wear surface of the rail specimen

2.5.2滑滾比II下材料損傷

圖8是車輪表面形成的氧化磨屑層形貌，接觸區表面光滑，而剖面分析發現這層結構隆起且中間為破碎層(圖7(b))，可能由于最大接觸應力位于次表層，微裂紋在該處萌生、擴展。鋼軌表面則主要表現為氧化磨損和剝落，氧化層零星分布(似圖9(a))。鋼軌試樣剖面觀察到未剝落的多層狀結構(圖8(c))，且厚薄均勻，縱向裂紋還未與平行裂紋溝通形成剝層，說明材料處于剝層行為[16]的發展階段。

圖8　滑滾比II下車輪/鋼軌材料損傷形貌(a)車輪表面損傷形貌；(b)車輪截面損傷圖；(c)鋼軌截面損傷圖Fig.8　The SEM morphology of wheel/rail material damage under II slip rate　(a)the wear surface morphology of the wheel specimen；(b)the cross-section profile of the wheel specimen;(c)the cross-section profile of the rail specimen

總之，滑滾比II條件下，摩擦因數由水平逐漸增加，滾動接觸界面間摩擦切應力逐漸增加，輪軌材料的損傷機理主要表現為疲勞磨損和氧化磨損，損傷處于剝層的裂紋萌生擴展階段。

2.5.3滑滾比III下材料損傷

圖9為滑滾比III下鋼軌材料損傷形貌，鋼軌表面存在犁溝，可以觀察到塑性變形的犁皺和殘留的少許未剝落氧化磨屑層(圖9(a))。車輪和鋼軌試樣剖面形貌都表現大量剝落坑(圖9(b), (c))，說明在此階段裂紋的擴展速率快，裂紋相互溝通形成剝落。

圖9　滑滾比III下車輪/鋼軌材料損傷形貌圖(a)車輪表面損傷形貌；(b)車輪截面損傷圖；(c)鋼軌截面損傷圖Fig.9　The SEM morphology of wheel/rail material damage under III slip rate　(a)the wear surface morphology of the rail specimen；(b)the cross-section profile of the rail specimen；(c)the cross-section profile of the wheel specimen

總之，在滑滾比III條件下，摩擦因數迅速增加并保持較高值，滾動接觸界面間摩擦切應力大，輪軌材料的損傷機理主要表現為疲勞磨損、磨粒磨損和氧化磨損。大量的剝落坑[18]說明輪軌材料裂紋萌生和擴展速率快，剝落發生在實驗結束前，材料損傷嚴重。

3　結論

(1)不同滑滾比的摩擦因數初值不同，不同滑滾比摩擦因數的演變規律不同，與輪軌材料的損傷有很好的對應關系，即摩擦因數的演變是材料損傷過程的反映。

(2)不同滑滾比下輪軌材料硬化程度隨滑滾比增加而增加。

(3)不同滑滾比條件下的損傷機制不同：在近似滾動條件下，輪軌材料損傷較輕，主要為氧化磨損。隨著滑滾比增加，輪軌材料表面損傷逐漸發展為疲勞磨損為主，并伴隨氧化磨損和磨粒磨損，磨粒磨損的程度也隨滑滾比的增加而增加。

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Damage Behavior of Wheel/Rail Materials Under Different Slip Rates

ZHOU Yan1,PENG Jin-fang2,ZHAO Lei1,WANG Wen-jian1,LI Wei1,JIN Xue-song2,ZHU Min-hao1,2

(1 Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials (Ministry of Education), Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

On the twin-disc MMS-2A rolling contact tester, the damage behavior of the friction pair of rail(U71MnK)/wheel(ER8) materials used for Beijing-shanghai high speed railway was investigated under different slip rates with the normal force of 120N(to simulate the axle mass of 16t) and the rotating speed of 500r/min. The morphology of wear surfaces, its cross-section profiles and the chemical elements on the wear surface under different slip rates were analyzed by the scanning electron microscope and the energy dispersive X-ray detector. The results show that the changing trend of the friction coefficient under different slip rates can reflect the materials damage process; the hardening degree of the rail/wheel materials goes up with the increasing of the slip rate; the damage mechanism is different under different slip rates; under the condition of quasi rolling contact, the slight damage of the wheel/rail materials can be observed and the wear mechanisms are mainly the oxidation wear and the local spalling. As the slip rate increases, the dominated wear mechanism of the wheel/rail materials is the fatigue wear accompanied by the oxidation wear and abrasive wear, furthermore, the degree of the abrasive wear also increases with the slip rate.

slip rate;rail/wheel;material damage;wear

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.012

TH117.3

A

1001-4381(2016)02-0075-06

國家自然科學基金項目(U1134202, 51025519) ；教育部創新團隊資助項目(IRT1178)

2014-10-31;

2015-04-09

朱旻昊(1968-)，男，教授、博導，主要從事摩擦學及表面工程研究，聯系地址：四川省成都市二環路北一段111號西南交通大學摩擦學研究所(610031)，E-mail：zhuminhao@swjtu.cn