周　琰，彭金方，趙　磊，王文健，李　煒，金學(xué)松，朱旻昊,

(1 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)松2，朱旻昊1,2

(1 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

在MMS-2A滾滑試驗(yàn)機(jī)上采用法向載荷120N(模擬軸重16t)，轉(zhuǎn)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(duì)不同滑滾比下的磨痕及剖面形貌和磨損表面元素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：不同滑滾比下摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)反映材料損傷的過(guò)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(jī)制不同：在近似滾動(dòng)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(fā)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(fā)展的永恒主題，隨著高速鐵路快速發(fā)展，以及“高鐵走出去”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，高速鐵路服役安全顯得尤為重要。輪/軌作為鐵路關(guān)鍵部件，高速輪軌材料的損傷是目前關(guān)注的重點(diǎn)。輪軌材料在滾動(dòng)接觸條件下易形成如表面剝離、表面擦傷、輪軌側(cè)磨、波浪形磨損、壓潰等滾動(dòng)接觸疲勞損傷[1-4]，這些現(xiàn)象本質(zhì)上是材料組織性能改變而導(dǎo)致的(如塑性變形、裂紋形成、表層組織轉(zhuǎn)變(即白層)、顆粒剝落等)[5,6]，但是，目前輪軌材料組織結(jié)構(gòu)演變與性能衰退關(guān)聯(lián)性并未被清楚揭示；Baumann等[7,8]最初針對(duì)鋼軌上波浪形磨耗考察鋼軌材料的組織轉(zhuǎn)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(dǎo)致。Carroll等[9]基于輪軌滾動(dòng)接觸中珠光體鋼軌白層結(jié)構(gòu)中的裂紋行為，根據(jù)裂紋擴(kuò)展形態(tài)建立了不同裂紋形成模型。Pal等[10]針對(duì)輪軌接觸表面的制動(dòng)擦傷痕跡，分析發(fā)現(xiàn)是由于嚴(yán)重的車輪打滑引起，且會(huì)形成硬度高達(dá)880HV且厚度約幾百微米的馬氏體組織，說(shuō)明不同滑滾比對(duì)于車輪鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷有著重大的影響。

盡管國(guó)內(nèi)外關(guān)于輪軌材料損傷行為有了一定的研究，但目前針對(duì)不同滑滾比對(duì)輪軌材料損傷行為研究仍不充分[11,12]。本工作針對(duì)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(duì)輪軌材料損傷的影響，重點(diǎn)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(dǎo)，也為車輪和鋼軌材料的鏇修加工提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)在MMS-2A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)

采用赫茲模擬準(zhǔn)則，即保證實(shí)驗(yàn)室條件下輪軌試樣間的平均接觸應(yīng)力和橢圓形接觸斑的長(zhǎng)短軸之比與現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。實(shí)驗(yàn)材料選用京滬高速鐵路用鋼軌和車輪(U71MnK、ER8鋼)，其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)及分析方法

在室溫±20℃，法向載荷為120N，對(duì)應(yīng)接觸應(yīng)力為1500MPa (模擬16t軸重)，設(shè)下試樣的轉(zhuǎn)速為500r/min，上試樣的轉(zhuǎn)速分別為499,488,455r/min，則滑滾比分別為I(0.17%，接近于純滾動(dòng))、II(2.38%)和III(9.43%)；取實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為5×104次。

實(shí)驗(yàn)后利用維氏硬度儀(MVK-H21)測(cè)量試樣的硬度，每個(gè)試樣在圓周方向均勻分布測(cè)量10次取平均值；利用金相顯微鏡(BX60MF5)、光學(xué)數(shù)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(jié)果與分析

2.1摩擦因數(shù)曲線

圖3為不同滑滾比下的摩擦因數(shù)曲線。在不同滑滾比下，摩擦因數(shù)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(shù)(前期穩(wěn)定-下滑-后期基本穩(wěn)定)一直保持較低水平并呈現(xiàn)稍下降的趨勢(shì)，可能由于接觸界面近似滾動(dòng)接觸，界面間摩擦小；在滑滾比II(2.38%)條件下的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)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(wěn)定的4個(gè)階段；而滑滾比III(9.43%)條件下的摩擦因數(shù)始終保持較高值，呈現(xiàn)迅速上升—緩慢爬升—波動(dòng)下降的趨勢(shì)，而后期摩擦因數(shù)的下降趨勢(shì)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(shù)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(shí)驗(yàn)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(shì)。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(huì)超過(guò)車輪材料。這可以解釋為：一般金屬原始狀態(tài)，位錯(cuò)密度很低，隨著承受循環(huán)應(yīng)力次數(shù)的增加，位錯(cuò)密度顯著增加[13]，材料強(qiáng)度增加，硬度增加；增大滑滾比，接觸面間滑動(dòng)分量增加，剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致材料加工硬化行為增強(qiáng)。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(duì)硬度高的鋼軌與車輪滾動(dòng)接觸時(shí)，車輪材料則以鐵素體先發(fā)生塑性變形來(lái)增加其硬度[14]，故在I(0.17%)滑滾比條件下，車輪硬化程度會(huì)略大于鋼軌；隨著滑滾比的增加，車輪材料的強(qiáng)度硬度逐漸達(dá)到飽和甚至超過(guò)鋼軌材料，使鋼軌材料發(fā)生塑性變形來(lái)增加強(qiáng)度硬度，而珠光體組織具有更高強(qiáng)度、更好的塑性和韌性，因而在滑滾比為III(9.43%)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jiàn)隨著滑滾比增加，輪軌試樣磨痕接觸寬度逐漸增加，說(shuō)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(duì)輪軌材料剖面的損傷形貌分析發(fā)現(xiàn)，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(kuò)展(圖5(b))；當(dāng)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(duì)剖面樣品進(jìn)行顯微組織觀察(見(jiàn)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(zhǎng)形成塑變流線，流線方向與滾動(dòng)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(yuǎn)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(jī)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(jù)EDX分析知，其中磨損區(qū)深色B區(qū)域的氧含量較基體A區(qū)域高(圖7(a))，表明發(fā)生了氧化磨損。鋼軌試樣表面局部呈現(xiàn)氧化磨屑層剝落的現(xiàn)象(圖7(c))。滾動(dòng)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(jié)構(gòu)(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(shù)保持較低值(圖3)，界面摩擦剪切應(yīng)力較小，裂紋不易萌生。輪軌材料損傷機(jī)理主要表現(xiàn)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(qū)表面光滑，而剖面分析發(fā)現(xiàn)這層結(jié)構(gòu)隆起且中間為破碎層(圖7(b))，可能由于最大接觸應(yīng)力位于次表層，微裂紋在該處萌生、擴(kuò)展。鋼軌表面則主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)(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(shuō)明材料處于剝層行為[16]的發(fā)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(shù)由水平逐漸增加，滾動(dòng)接觸界面間摩擦切應(yīng)力逐漸增加，輪軌材料的損傷機(jī)理主要表現(xiàn)為疲勞磨損和氧化磨損，損傷處于剝層的裂紋萌生擴(kuò)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(xiàn)大量剝落坑(圖9(b), (c))，說(shuō)明在此階段裂紋的擴(kuò)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(shù)迅速增加并保持較高值，滾動(dòng)接觸界面間摩擦切應(yīng)力大，輪軌材料的損傷機(jī)理主要表現(xiàn)為疲勞磨損、磨粒磨損和氧化磨損。大量的剝落坑[18]說(shuō)明輪軌材料裂紋萌生和擴(kuò)展速率快，剝落發(fā)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，材料損傷嚴(yán)重。

3　結(jié)論

(1)不同滑滾比的摩擦因數(shù)初值不同，不同滑滾比摩擦因數(shù)的演變規(guī)律不同，與輪軌材料的損傷有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即摩擦因數(shù)的演變是材料損傷過(guò)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(jī)制不同：在近似滾動(dòng)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(fā)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1134202, 51025519) ；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(IRT1178)

2014-10-31;

2015-04-09

朱旻昊(1968-)，男，教授、博導(dǎo)，主要從事摩擦學(xué)及表面工程研究，聯(lián)系地址：四川省成都市二環(huán)路北一段111號(hào)西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所(610031)，E-mail：zhuminhao@swjtu.cn