水介質下打磨磨痕對鋼軌疲勞損傷的影響

郭 帥 趙相吉 何成剛 劉啟躍 郭 俊 王文健

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都，610031

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，建設高效的運輸系統(tǒng)變得越來越迫切，鐵路運輸作為我國交通運輸行業(yè)中重要的組成部分，迅速發(fā)展高速、重載鐵路線路也成為了重中之重［1］。線路上的列車頻繁運行，鋼軌在反復載荷的作用下，塑性變形逐漸積累，其表面會形成各種微裂紋，然后在循環(huán)應力的作用下，容易擴展為嚴重的疲勞裂紋，對鋼軌壽命造成嚴重的影響［2－3］。鋼軌打磨作為經(jīng)濟有效的維修方式，可以很好地去除輪軌運行過程中出現(xiàn)在鋼軌表面上的損傷層［4］。鋼軌打磨是利用安裝于打磨列車上的磨石的高速旋轉來去除鋼軌表面材料，磨石在去除鋼軌損傷層的過程中必然產生大量的熱，這些熱量會使鋼軌表面發(fā)生組織變化，產生有危害作用的白層和磨削裂紋［5－6］。鋼軌打磨所用的磨石是由磨粒組成的，打磨過后鋼軌表面上會留下大量肉眼可見的磨削溝痕［7］，在鋼軌上存在水、油等第三介質時，這種磨痕的存在使得輪軌接觸面間的壓力分布極不均勻，可能會大大加速鋼軌的疲勞破壞，嚴重危害到鋼軌的壽命［8－9］。

國內外學者對存在不同表面形貌的鋼軌服役行為進行了大量研究。CHEN等［10］以塑性流動、硬度、晶體軸密度三種手段表征了干態(tài)下打磨磨痕粗糙度對鋼軌疲勞損傷的影響，結果表明干態(tài)下粗糙度的影響作用很小。GAO等［11－12］通過相關試驗探究水油介質下鋼軌表面存在缺陷時疲勞裂紋的擴展情況，指出橫向的犁溝缺陷會促使表面出現(xiàn)網(wǎng)絡狀裂紋。KHALLADI等［13］研究了表面具有不同磨痕方向鋼軌的磨損行為，發(fā)現(xiàn)45°方向磨痕造成的磨損最大。SVAHN等［14］利用銷盤試驗機研究了純滑動時不同輪軌表面形貌對磨損、摩擦因數(shù)、噪聲的影響。蔡寶春等［15］通過試驗和仿真計算分析了輪軌試樣表面粗糙度取向對油潤滑條件下摩擦因數(shù)的影響。方新燕［16］通過開展紋理表面的油膜潤滑數(shù)值模擬研究，揭示了表面紋理角度對表面潤滑性能、流體承載能力的影響規(guī)律。然而，對于水介質下不同打磨磨痕角度鋼軌的滾動接觸疲勞損傷行為研究，國內外學者尚未涉足。本文利用MMS-2A摩擦磨損試驗機研究了水介質下不同打磨磨痕角度鋼軌的滾動接觸疲勞損傷行為，揭示打磨磨痕角度對鋼軌滾動接觸疲勞損傷的影響規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 輪軌材料及鋼軌試樣處理

試驗使用的鋼軌試樣取自鋼軌軌頭，材料為U71MnG，車輪試樣取自車輪踏面，材料為CL60，試樣取樣位置和尺寸如圖1所示。初始的輪軌試樣表面粗糙度約為0.8μm，其化學成分和機械性能分別見表1和表2。

圖1 輪軌試樣取樣位置及尺寸Fig.1 Sampling position and scheme of wheel and rail rollers

表1 輪軌材料化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of wheel／rail materials（mass fraction） %

表2 輪軌材料機械性能Tab.2 Mechanical properties of the wheel／rail materials

為了模擬出實際打磨后鋼軌表面的打磨磨痕，并達到現(xiàn)場粗糙度Ra小于10μm的標準，試驗前使用80號棕剛玉砂紙對鋼軌試樣表面進行反復打磨。鋼軌試樣表面打磨為分別與滾動方向成0°、20°、45°、70°、90°夾角的磨痕，考慮到實驗室打磨處理的條件，打磨后的鋼軌試樣表面粗糙度Ra保持在1.5μm左右。結合試樣的大小，一個試樣上只能達到3處不同的磨痕，故5個角度的磨痕分別處理在2個試樣上。1號鋼軌試樣上處理成0°、45°和90°角度的磨痕，2號鋼軌試樣上處理成0°、20°、70°角度的磨痕，如圖2所示。處理后的鋼軌試樣表面如圖3所示。

1.2 試驗方法

試驗在MMS-2A輪軌摩擦磨損試驗機上進行，為了模擬現(xiàn)場中輪軌的接觸狀態(tài)，試驗采用兩個輪形試樣對滾的方法，其中，上試樣為鋼軌試樣，下試樣為車輪試樣。

圖2 鋼軌試樣處理示意圖Fig.2 Schematic of rail sample processing

圖3 處理過和未處理過的鋼軌試樣表面OM照片F(xiàn)ig.3 OM micrographs of treated and untreated surface of rail specimen

試驗參數(shù)如下：下試樣轉速為200r／min，蠕滑率為0.91%，結合文獻［9］并考慮預試驗中打磨磨痕的影響作用，利用赫茲接觸理論計算，最終選擇1 000MPa來模擬輪軌接觸應力。試驗在水介質下進行，以5mL／min的流速連續(xù)均勻地將常溫自來水滴到鋼軌試樣上方，這樣在輪軌接觸斑之間就能形成水膜，從而模擬降雨工況。考慮文獻［17］中相關論述，干態(tài)下5 000次循環(huán)后，鋼軌試樣表面會形成比較明顯的微裂紋，經(jīng)過表面打磨處理后，依舊會有一定的殘留微裂紋存在。所以試驗首先在干態(tài)工況下進行5 000次循環(huán)，然后在試樣表面不同位置進行統(tǒng)一的打磨處理，最后在水態(tài)工況下運行95 000次循環(huán)。

試驗均在室溫下進行，利用粗糙度輪廓儀（JB-6C，Japan）測量試驗前后鋼軌試樣表面粗糙度Ra的變化，為了保證試驗前磨痕粗糙度測量的準確性，儀器測針運行方向與試樣表面打磨磨痕垂直；利用光學顯微鏡（OM）（OLYMPUS BX60M，Japan）分析試驗完成后試樣剖面裂紋情況并統(tǒng)計裂紋數(shù)據(jù)；然后使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，利用掃描電子顯微鏡（SEM）（JSM-7001F，Japan）進一步觀察不同磨痕角度區(qū)域剖面裂紋的特征。

2 結果與討論

2.1 表面粗糙度

圖4 試驗前后鋼軌試樣表面粗糙度Fig.4 Surface roughness Ra of rail specimens before and after testing

試驗前后鋼軌試樣表面粗糙度Ra變化情況如圖4所示。可以看出，試驗前打磨造成的較大粗糙度差異，經(jīng)過輪軌試樣滾動運行后并沒有繼續(xù)呈現(xiàn)，但是在不同的打磨磨痕角度試驗區(qū)域表現(xiàn)出來，隨著磨痕角度的增大，粗糙度比光滑對比區(qū)域分別高出18.3%、26.4%、21.5%、－6.7%、－14.6%，這是因為鋼軌試樣上的打磨磨痕使得水介質的流動呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。打磨磨痕角度在0°～45°范圍時，磨痕偏向于“儲水”功用，儲水造成磨痕中的水壓增大，這對試樣的破壞較為嚴重，表面剝離起皮等損傷現(xiàn)象突出，使得粗糙度相對偏高；打磨磨痕角度大于45°后，磨痕的“排水”功用更為突出，當輪軌接觸時，裂紋內的部分水介質會被擠出并沿著磨痕流出，該區(qū)域的疲勞剝離就輕微許多，表面則相對光滑一些。

2.2 鋼軌疲勞裂紋

不同打磨磨痕角度區(qū)域和光滑區(qū)域的鋼軌試樣剖面照片見圖5。由圖5a可以看到，沒有預制打磨磨痕的光滑區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的疲勞裂紋，這是因為試樣在干態(tài)條件下經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，其表面已經(jīng)出現(xiàn)了微裂紋。當鋼軌表面出現(xiàn)水介質時，車輪試樣滾向裂紋，水介質會隨著裂紋的張開而進入裂紋，隨后裂紋面受擠壓閉合，裂紋中的液體將無法被排出。同時由于液體的不可壓縮性，使得裂紋表面受到垂直壓力從而阻止裂紋閉合，在 一定程 度上加速 了裂紋 擴 展［8，18－19］。因為光滑區(qū)域沒有打磨磨痕，水介質只能無規(guī)則地沿運行方向流動，對凹陷或者較為脆弱處容易形成比較大的破壞，所以該處會出現(xiàn)共用一個開口的平行裂紋，如圖5a所示。

圖5 不同打磨磨痕角度鋼軌試樣疲勞裂紋Fig.5 Fatigue crack of rail specimens with different angles of grinding marks

0°打磨磨痕的情況下，磨痕的凹槽主要起到儲水的作用，如圖6所示，0°磨痕末端不處于開放區(qū)，水介質無法從試樣側面流出，只能在磨痕中受擠壓向前運動，而流動的水介質不斷沖擊表面微裂紋，會提前促進它的擴展。當擴展過的裂紋進入輪軌接觸區(qū)域時，水介質被封閉在裂紋內部，在垂向載荷的作用下，裂紋內部形成更大的水壓，再次促進裂紋擴展。相比光滑區(qū)域，0°磨痕處的裂紋每經(jīng)過一次循環(huán)轉動，要受到兩次促進作用，所以0°磨痕處的裂紋要比光滑區(qū)域深，分布也比較密集（圖5b）。

圖6 鋼軌試樣上0°～70°磨痕中水介質示意圖Fig.6 Water medium schematic in the 0°～70°grinding marks of rail specimen

當打磨磨痕與運行方向成20°時，磨痕的存在同樣主要起到“儲水”功能，且其作用與0°磨痕接近相同，對裂紋的擴展作用要大于光滑區(qū)域。但是0°磨痕與20°磨痕中水介質的流速是不同的。圖6中，L1表示鋼軌試樣上試驗區(qū)域0°磨痕的長度，L2表示20°磨痕的長度。磨痕中的水介質從磨痕始端到末端，在0°磨痕區(qū)域流動的距離為L1，20°磨痕區(qū)域流動的距離為L2，根據(jù)幾何關系，L2＞L1。因為鋼軌試樣的轉速是一定的，即無論0°磨痕還是20°磨痕，其中的水介質從磨痕始端流到末端的時間是相等的，所以20°磨痕中的水介質流速v2要大于0°磨痕中水介質流速v1，相對而言，20°磨痕區(qū)域的微裂紋就會受到更大的沖擊作用，擴展則更為嚴重。而當裂紋的擴展達到一定深度時，根據(jù)文獻［20］，深的裂紋進入輪軌接觸區(qū)域，水介質可能沒有足夠的時間到達裂紋的尖端，這使得裂紋尖端受到的剪切應力強度幅值低于裂紋擴展機制的臨界值，裂紋則會出現(xiàn)分支現(xiàn)象，如圖5c所示。

當打磨磨痕角度為45°時，相比前兩者，磨痕的一側是開放的，同樣如圖6所示，45°磨痕的末端處于鋼軌試樣的側面，屬于開放區(qū)域，水介質受擠壓向前流動并由側面流出，使得磨痕中的水壓小于0°、20°磨痕區(qū)域，水介質對損傷的作用弱于0°磨痕與20°磨痕區(qū)域，所以該區(qū)域的疲勞裂紋擴展表現(xiàn)得較為輕微，如圖5d所示。

70°磨痕區(qū)域（圖5e），同樣是單側開放，但是磨痕在運行方向的分量比較小，水介質對裂紋在試樣運行方向的擴展作用較小，且從圖6可以看出，70°磨痕中的水介質較45°磨痕更早地流出，則在相同的時間內70°磨痕排出更多的水介質，使得70°磨痕中的水壓比45°磨痕更小，所以裂紋的擴展比45°磨痕更為輕微。

當磨痕方向與運行方向成90°時，磨痕兩側開放，嚴重的側流現(xiàn)象使得水介質大多向外流出［21－23］，只有較少一部分進入裂紋中，所以此處的裂紋大多生長在表層，水介質頻繁作用于裂紋的開口處，使得該區(qū)域裂紋的開口比較明顯，如圖5f所示。

綜上所述，水介質下打磨磨痕的存在對鋼軌疲勞裂紋的擴展有很大的影響。0°～45°角度的磨痕區(qū)域，其疲勞裂紋的擴展比較明顯，20°磨痕區(qū)域的裂紋甚至出現(xiàn)了嚴重的分支；磨痕角度大于45°時，疲勞裂紋的擴展情況較為輕微，且磨痕角度越大，裂紋深度方向的擴展越不明顯。

2.3 鋼軌疲勞裂紋深度和角度

通過對鋼軌試樣切割、磨樣、光學顯微鏡拍照儲存、CAD軟件測量換算裂紋實際深度，統(tǒng)計出試樣運行方向上5mm區(qū)域內所有裂紋的尖端到試樣表面垂直距離的平均值。數(shù)據(jù)整理后得到鋼軌試樣不同打磨磨痕角度區(qū)域疲勞裂紋擴展的平均深度，如圖7所示。可以看出，0°～45°打磨磨痕區(qū)域的裂紋擴展深度要比45°～90°磨痕區(qū)域和光滑區(qū)域大很多，且呈現(xiàn)先增大又減小的趨勢；當磨痕角度從45°開始增大時，裂紋的平均擴展深度迅速減小，甚至小于光滑區(qū)域的裂紋深度，即45°的打磨磨痕作為一個分界線，磨痕角度小于45°時，它引起的裂紋擴展情況要比正常擴展的光滑區(qū)域嚴重；而磨痕角度大于45°時，造成的裂紋擴展比光滑區(qū)域輕微。將打磨磨痕從0°～90°整體的情況來分析時，疲勞裂紋的擴展深度先增大然后逐漸減小。

圖7 疲勞裂紋平均深度Fig.7 Average depth of fatigue crack

試樣各對應區(qū)域疲勞裂紋的平均擴展角度如圖8所示。同理，統(tǒng)計了試樣運行方向上5mm區(qū)域所有裂紋擴展方向與試樣表面夾角的平均值。0°、20°打磨磨痕處的裂紋擴展角度相近（接近60°），而隨著打磨磨痕的角度繼續(xù)增大，裂紋擴展角度逐漸減小。這是因為輪軌試樣滾動運行中，水介質受擠壓對鋼軌試樣產生的沖擊力與鋼軌試樣受到的摩擦力方向相反，當水介質形成的沖擊力增大時，鋼軌試樣受到的切向合力在減小，那么與垂向力合成的力的角度在增大，由文獻［24］可知，載荷角度越大，加載復合比越大，裂紋擴展角度也越大。所以當磨痕角度大于或等于45°時，磨痕中水介質的沖擊減小，鋼軌試樣切向受到的力增加，合力角度卻減小，最終使得裂紋的擴展角度減小。

圖8 疲勞裂紋平均擴展角度Fig.8 Average propagation angle of fatigue crack

3 結論

（1）水介質下打磨磨痕對輪軌后續(xù)運行中的鋼軌表面粗糙度的影響主要取決于磨痕對水介質的功用，當打磨磨痕主要起到儲水功能（如0°～45°打磨磨痕）時，磨痕中的水壓較大，大的水壓對磨痕以及試樣表面的破壞比較嚴重，剝離起皮等損傷突出，使得鋼軌表面比較粗糙，粗糙度值就略高；而磨痕起到排水作用（如45°～90°打磨磨痕）時，水介質主要從磨痕端部或者試樣兩側流出，無法形成對磨痕起到較大破壞作用的水壓，則鋼軌表面較為光滑，粗糙度則略低。

（2）水介質下打磨磨痕的存在對鋼軌試樣疲勞性能有很大的影響。0°～45°的打磨磨痕在一定程度上削弱了鋼軌試樣的疲勞性能，使得磨痕區(qū)域裂紋擴展比較嚴重，20°磨痕區(qū)域甚至出現(xiàn)了分支裂紋；而打磨磨痕角度大于45°時，其側流現(xiàn)象比較突出，反而增強了鋼軌試樣的抗疲勞性能，磨痕區(qū)域的裂紋逐漸變得輕微，90°的磨痕區(qū)域基本只存在表層裂紋。

（3）打磨磨痕的存在使得疲勞裂紋的擴展深度和角度呈現(xiàn)了一定的規(guī)律性；打磨磨痕角度從0°～90°逐漸增大時，裂紋擴展深度先變大后變小，而裂紋擴展角度基本上呈減小趨勢。