滾滑磨損對U75V鋼組織性能影響

孟慶艷，劉德義，劉鵬濤，趙秀娟，任瑞銘

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

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滾滑磨損對U75V鋼組織性能影響

孟慶艷，劉德義，劉鵬濤，趙秀娟，任瑞銘

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

采用純滾動和滾動加滑動接觸方式進行干摩擦磨損，研究U75V鋼磨損后組織和性能變化規律．結果表明，U75V鋼試樣經純滾和滾滑磨損后，表面至心部出現硬度梯度分布，距離表面越近，硬化程度越高．純滾動狀態下硬度梯度比較大，表面平均硬度較高，滾滑狀態下硬度梯度較小，表面平均硬度較低．隨著距表面距離減小，變形組織逐漸纖維化，纖維方向逐漸平行于試樣表面．在表面附近，珠光體出現片層斷裂、碎化、細化．純滾狀態下磨損機制為表面微觀疲勞磨損，滾滑狀態下磨損機制為表面微觀疲勞磨損和少量黏著磨損．

U75V鋼；滾滑；磨損；組織

0 引言

隨著中國經濟的發展，客運的高速化、貨運的重載化和城際鐵路的公交化成為當今鐵路發展的主旋律．隨著列車速度的提高和軸重的加大，輪軌系統的安全也受到了威脅．輪軌的失效會影響鐵路的正常運行甚至存在著安全隱患．實際運行中輪軌的主要失效形式為磨損和接觸疲勞兩大類[1]，而重載時的主要失效形式是磨損．

國內外針對鋼軌磨損性能進行了諸多的研究．文獻[2]中對4種珠光體鋼進行了純滑和滾滑磨損試驗，研究了珠光體鋼軌鋼磨損過程中微觀組織的變化和抗磨損性能．王文建等[3]研究了接觸應力對輪軌材料的滾動摩擦磨損性能影響，認為相同接觸應力水平下，鋼軌的磨損量小，磨損不嚴重且鋼軌試樣表面損傷主要表現為犁溝效應并伴隨有剝落現象．鐘雯等[1]研究了車速和軸重對對輪軌疲勞磨損的影響，得出隨車速的增加，鋼軌的磨損量減小，但出現大量的斜裂紋，接觸疲勞加劇，而隨軸重的增加，塑性變形明顯，磨損量迅速增加，但由于部分剛萌生的微裂紋被磨去，疲勞損傷較為輕微．

為了進一步研究鋼軌在磨損過程的損傷機理，本文通過純滾和滾滑兩種狀態比較，研究U75V重載鋼軌鋼表層組織和性能變化規律．

1 試驗材料與方法

試驗材料為實際運行重載輪軌材料，分別為CL65、U75V鋼，化學成分見表1．按標準[4]加工試樣，CL65鋼為JP-3號主試樣，U75V鋼為PS-1號陪試樣．磨損前CL65、U75V鋼試樣硬度分別為280、300 HV．

磨損試驗在GPM-40型滾動接觸疲勞試驗機上進行，線接觸方式，干摩擦加風冷．接觸應力模擬30 t軸重輪軌接觸應力[5]，為1150 MPa．轉速為1 000 r/mim，滑差率為0 %(純滾)和0.6 %(滾滑)．硬度測量和組織觀察在平行于運行方向的縱剖面上進行．用顯微硬度儀(FM-700型)測定摩擦表面至心部硬度分布，用光學顯微鏡(Olympus BX 51M型)和掃描電子顯微鏡(SEM)(JEM 2100F型)觀察表層組織及磨損表面形貌．

表1 輪軌材料化學成分 %

2 結果與討論

2.1 磨損后試樣硬度

經不同循環周次純滾和滾滑磨損后，U75V鋼試樣由磨損表面至心部的顯微硬度分布如圖1所示．最靠近表面處硬化程度最高，隨著深度的增加，硬化程度逐漸降低直至接近于基體硬度．純滾狀態下(圖1a)，在1.0×105、2.4×105、4.5×105循環周次下硬化層深度分別為630、480、420 μm，表面硬度提高分別為75.5%、39.8%、66.7%．滾滑狀態下(圖1b)，在1.0×105、2.4×105、4.5×105循環周次下硬化層深度分別為270、750、990 μm．表面硬度提高分別為23.0%、24.8%、39.9 %．純滾狀態下硬化程度比較高，滾滑狀態下硬化程度比較低．可見滑差使試樣硬化程度越低．

(a) 0%

(b) 0.6%

2.2 磨損后試樣組織

經不同循環周次純滾和滾滑磨損后，U75V鋼試樣縱剖面的光學顯微組織如圖2所示．各試樣表層均發生明顯的塑性流動，塑性流動方向與運行方向相同．靠近表面的珠光體在接觸應力的作用下逐漸發展成為纖維狀組織．越靠近接表面，流線方向與表面夾角越小，材料塑性流動越顯著，組織越細，致使越靠近表面硬度越高(圖1)．隨著循環次數增加，純滾狀態下塑性變形層厚度明顯增加，而滾滑狀態下塑性變形層變化不大(圖中箭頭標出明顯變形層的厚度)．這是由于滑差使材料磨損加劇，導致塑性變形層不能積累．在相同循環周次下，純滾狀態下近表層組織較細，滾滑狀態下組織變形層較厚，這與硬度測試結果相吻合．滾滑下近表層平均硬度較低，硬化層比較厚，硬度變化比較平緩(圖1(b))．

(a) 0%, 1×105

(b) 0.6%, 1×105

(c) 0%, 2.5×105

(d) 0.6%, 2.5×105

(e) 0%, 6×105

(f) 0.6%, 6×105

圖3為U75V鋼試樣在純滾和滾滑狀態下磨損1×105循環周次后縱剖面表面至距表面100 μm處的SEM顯微組織．在表層組織中可見沿運行方向組織逐漸變成纖維狀，鐵素體仍保持片層結構，滲碳體片逐漸碎化成不連續的碎片存在于鐵素體片層之間．隨著離表面距離減小，不連續滲碳體碎片逐漸變為顆粒狀形態．在距表面2 μm左右內，滲碳體量明顯減少，可能是溶解到鐵素體中[6-8](圖3(a))．與純滾狀態相比，滾滑狀態下U75V鋼試樣變形層較厚，在距表面相同距離處的組織纖維化程度更高，組織更細小． 由圖3(d)～圖3(e)可以看出，在距表面較近處出現纖維組織區交替分布的特征(圖中虛線分隔區)，隨距表面距離減小，纖維區寬度減小，纖維方向逐漸平行于表面．交替分布的纖維區是觀察面上鐵素體/滲碳體片層高度平行的珠光體團和鐵素體/滲碳體片層不平行的珠光體團或有少量先共析鐵素體的高度變形區域．在距表面～ 4 μm范圍內，珠光體發生扭曲、斷裂、碎化和細化(圖3(g))．在距表面～ 0.5 μm(圖3(d)、圖3(g)最左側虛線)范圍內出現等軸狀小晶粒(尺寸約35～250 nm)，這可能是由于表面溫度升高而發生了再結晶，使劇烈變形組織變為細小等軸狀晶粒．由于再結晶會使得表面硬度有所降低，這與硬度測試結果一致(圖1(b))．

(a) 0%, 近表面組織

(b) 0%, 距表面25 μm處組織

(c) 0%, 距表面100 μm處組織

(d) 0.6%, 近表面組織

(e) 0.6%, 距表面25 μm處組織

(f) 0.6%, 距表面100 μm處組織

(g) 圖 (d) 中A區放大

2.3 表面磨損形貌

圖4是U75V鋼試樣表面磨損宏觀(內插圖)與微觀形貌．可以看出不同循環次數下的表面磨痕損傷形貌存在一定差別，但純滾和滾滑狀態下試樣均主要為微觀表面疲勞磨損形式．純滾狀態下試樣在1×105循環周次下有明顯平行于運行方向的條紋．隨著循環周次增加，條紋逐漸消失并出現起皮和剝落現象．從試樣表面損傷SEM圖片中可以看到，在條紋上或條紋之間出現平行于運行方向的起皮開裂．隨著循環周次增加，表面開裂失去方向性，層狀剝落趨勢增加，剝落痕跡變得平坦．滾滑狀態下試樣在1×105循環周次下，可以看到表面有起皮現象．隨著循環周次增加，表面變得比較粗糙而且接觸表面變寬．從試樣表面損傷SEM圖片中可以看出在1×105循環周次下，表面有明顯的層狀剝落．剝落程度較相同循環周次下純滾動試樣的剝落程度大，且滾滑狀態層狀剝落較多，剝落層片較大較厚．隨著循環周次增加，表面形貌出現了類似魚鱗狀的層狀剝落．在6×105循環周次下表面有撕裂痕跡，為黏著磨損典型形貌，說明滾滑狀態下有少量黏著磨損．

(a) 0%, 1×105

(b) 0.6%, 1×105

(c) 0%, 2.5×105

(d) 0.6%, 2.5×105

(e) 0%, 6×105

(f) 0.6%, 6×105

3 結論

(1)U75V鋼試樣經純滾和滾滑磨損后，表面至心部出現硬度梯度分布，距離表面近，硬化程度越高．純滾動狀態下硬度梯度比較大，表面平均硬度較高；滾滑狀態下硬度梯度較小，表面平均硬度較低;

(2)U75V鋼試樣磨損后，隨著距表面距離減小，變形組織逐漸纖維化，纖維方向逐漸平行于試樣表面．在表面附近，珠光體出現片層斷裂、碎化、細化;

(3)純滾狀態下U75V試樣磨損機制為表面微觀疲勞磨損，滾滑狀態下磨損機制為表面微觀疲勞磨損和少量黏著磨損．

[1]鐘雯，董霖，王宇，等．高速與重載鐵路的疲勞磨損對比研究[J]．摩擦學學報，2012, 32 (1): 96-101.

[2]PEREZ-UNZUETA A J, BEYNON J H. Microstructure and wear resistance of pearlitic rail steels[J]. Wear, 1993, 162-164 (1): 173-182.

[3]王文健，郭俊，劉啟躍．接觸應力對輪軌材料滾動摩擦磨損性能影響[J]．摩擦學學報，2011, 31 (4): 352-356.

[4]冶金工業信息標準研究院．GB10622-89金屬材料滾動接觸疲勞試驗方法[S].北京:中國標準出版社,1989.

[5]雷騰．輪軌接觸應力的計算與分析[J]．中國鐵道科學，1985, 6 (1): 53-66.

[6]趙曉．鋼中滲碳體的冷變形與溶解機制[D]．秦皇島：燕山大學，2014.

[7]任晨輝，王伯健．冷拉珠光體鋼絲中滲碳體的溶解行為[J]．金屬熱處理，2011, 36 (6): 46-49.

[8]張俊寶，王愛香，張宇軍．表面納米化誘導GCr15鋼滲碳體溶解行為研究[J]．包鋼技術，2011(2): 18-22.

Influence of Rolling and Sliding Wear on Microstructure and Properties of U75V Steel

MENG Qingyan, LIU Deyi, LIU Pengtao, ZHAO Xiujuan, REN Ruiming

(School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Microstructure and properties of U75V steel worn by rolling and rolling-sliding contact dry friction respectively were investigated. A surface hardness gradient distribution existed from the surface to the core of worn U75V steel samples. The closer to the surface, the higher degree of hardening is. The hardness gradient is relatively larger, and the surface hardness is higher under the rolling contact, while the hardness gradient is relatively smaller and the surface hardness is lower under the rolling-sliding contact. The deformed microstructure is gradually evolved to the fibers, and their directions are gradually parallel to the surface with decreased distance to the surface. Nearing to the surface, the lamellae of the pearlite are fractured, fragmented and refined. The worn mechanism of rolling contact is the surface microscopic fatigue, and that of rolling-sliding contact is the surface microscopic fatigue with little adhesive wear.

U75V steel; rolling-sliding; wear; microstructure

1673-9590(2016)04-0100-05

2015-12-16

國家973計劃資助項目(2015CB654802)

孟慶艷(1989-)，女，碩士研究生;劉德義(1965-)，男，博士，教授，主要從事金屬材料的研究E-mail:ldy@djtu.edu.cn.

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