張關(guān)震，張澎湃，吳 斯，常崇義，張 斌，叢 韜，張 弘，任瑞銘

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116028）；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081

車輪是鐵道機(jī)車車輛走行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其服役安全受到高度關(guān)注［1-2］。近年來，隨著我國高速、重載鐵路技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，車輪研發(fā)、生產(chǎn)和制造的整體技術(shù)水平有了顯著提升［3-4］，在車輪材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝水平、工業(yè)化生產(chǎn)、綜合性能評價以及實(shí)車運(yùn)用考核等方面均取得長足進(jìn)步。高速動車組車輪是中國鐵路近年來大力推進(jìn)的研發(fā)項(xiàng)目，現(xiàn)已研發(fā)出時速250 km 和350 km 等級的高速動車組自主化車輪，并開始投入小批量應(yīng)用［5-6］。

踏面接觸疲勞損傷和磨損是車輪最為常見的失效形式［7］，其中嚴(yán)重的如踏面剝離和失圓（多邊形化）等，不僅會引起車輛的異常振動、影響鐵路正常的行車秩序，而且也會加重車輪自身鏇修或換輪的頻次，增加車輪維護(hù)成本。這在降低車輪使用壽命的同時，也帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失［8］。因此，車輪的抗接觸疲勞和耐磨性能可作為衡量車輪實(shí)際服役表現(xiàn)的重要指標(biāo)。

為研究高速動車組自主化車輪的踏面磨損和疲勞裂紋的擴(kuò)展行為，同時與進(jìn)口車輪進(jìn)行對比，最理想的方案是將踏面上有缺陷的2 種不同材質(zhì)車輪組成輪對，在實(shí)際線路上進(jìn)行定期跟蹤和監(jiān)測，但含缺陷車輪一旦失效有可能產(chǎn)生影響列車運(yùn)行安全的風(fēng)險。因此，宜采用實(shí)驗(yàn)室條件下的替代方案進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

本文借助能夠模擬車輪實(shí)際服役條件的1∶1高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺，在實(shí)驗(yàn)室條件下開展自主化D2 車輪與進(jìn)口ER8 車輪踏面磨損和滾動接觸疲勞損傷擴(kuò)展行為的對比研究，旨在為充實(shí)和完善高速動車組車輪的服役性能評價體系提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為自主化D2 材質(zhì)和進(jìn)口ER8 材質(zhì)高速動車組車輪。D2 車輪的成分及性能指標(biāo)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 638—2018《動車組車輪》，它的顯微組織由珠光體+先共析鐵素體組成，如圖1（a）和圖1（b）所示；ER8 車輪的成分及性能指標(biāo)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)TJ/CL 275A—2016《動車組車輪暫行技術(shù)條件》，它的顯微組織中除存在珠光體+先共析鐵素體外，還存在一定比例呈羽毛狀的上貝氏體，如圖1（c）所示，上貝氏體組織占比約為38%。上貝氏體組織中的滲碳體呈現(xiàn)短棒或顆粒狀，如圖1（d）和圖1（e）所示，與珠光體中片層狀的滲碳體結(jié)構(gòu)完全不同。

圖1 D2車輪與ER8車輪顯微組織形貌

試驗(yàn)時，將2 種材質(zhì)車輪組成1 個輪對，車輪采用CRH380B 型動車組車輪結(jié)構(gòu)，S1002CN 踏面廓形。在每個車輪踏面中部對應(yīng)位置預(yù)制相同形狀和深度的斜裂紋缺陷，缺陷的長度為10 mm、深度為2 mm，以模擬車輪實(shí)際服役中踏面出現(xiàn)的滾動接觸疲勞裂紋。試驗(yàn)輪對中人工預(yù)制缺陷和實(shí)際滾動接觸疲勞裂紋形貌如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖2 試驗(yàn)輪對中人工預(yù)制缺陷和實(shí)際滾動接觸疲勞裂紋形貌

在1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺上以350 km·h-1的速度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺主要由軌道輪（模擬軌道）系統(tǒng)、輪對系統(tǒng)、液壓激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺及其軌道輪形貌如圖3所示，其中軌道輪廓形為60軌標(biāo)準(zhǔn)廓形。

圖3 1∶1高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺及其軌道輪形貌

試驗(yàn)臺的主要技術(shù)性能指標(biāo)［9］：最高試驗(yàn)速度為500 km·h-1，最高激振頻率為15 Hz，最大激振振幅為±50 mm，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)輪對垂向、橫向及搖頭角3 個自由度的激振控制，軌道輪直徑為3 000 mm，軌道輪和輪對的電機(jī)功率均為2 400 kW，能夠?qū)Ω咚佘囕嗊M(jìn)行磨損、滾動接觸疲勞、制動、噪聲等試驗(yàn)研究。

1.3 試驗(yàn)工況及載荷

試驗(yàn)選取我國典型高速鐵路——京滬高鐵的代表性區(qū)段（直線段：K731—K734；曲線段：K739—K744 線路）作為試驗(yàn)用虛擬線路。試驗(yàn)過程中，直線和曲線工況交替進(jìn)行，其中直線工況考慮線路激擾，設(shè)置有線路不平順。試驗(yàn)載荷采用CRH380B 型動車組（軸重17 t）在上述虛擬線路上的車輛動力學(xué)模型和仿真分析結(jié)果。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用加速試驗(yàn)法（模擬的試驗(yàn)工況及載荷均苛刻），進(jìn)行里程為4.5×104km的滾動試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)前采用酒精清洗車輪和軌道輪踏面，以消除輪軌接觸表面污染物，保證輪軌接觸表面的清潔、干燥；

（2）每隔1.5×104km，觀察踏面預(yù)制缺陷的宏觀擴(kuò)展形貌，同時采用Miniprof踏面廓形測量儀和TIME 5610型超聲波硬度計，分別記錄2種車輪對應(yīng)位置踏面廓形和維氏硬度的變化，通過計算車輪踏面廓形實(shí)測線與基準(zhǔn)線滾動圓中心位置縱坐標(biāo)的差值表征車輪磨損量［5］，車輪耐磨性的優(yōu)劣通過磨損量進(jìn)行評價，2 種車輪滾動圓上對應(yīng)區(qū)域測量5次硬度；

（3）試驗(yàn)后，在車輪踏面預(yù)制缺陷處切取金相試樣，分別采用LeciaDMI5000M 型OM、SUPRA 55 型場發(fā)射SEM 及Tecnai G2 F30 S-TWIN 型高分辨TEM進(jìn)行微觀組織觀察，其中OM和SEM試樣經(jīng)磨制、拋光后，采用4%的硝酸酒精腐蝕，TEM 試樣采用聚焦離子束微納加工技術(shù)（FIB）制備。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 預(yù)制缺陷的宏觀擴(kuò)展形貌

D2 車輪與ER8 車輪踏面預(yù)制缺陷的宏觀擴(kuò)展形貌分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同試驗(yàn)里程后D2車輪預(yù)制缺陷處擴(kuò)展形貌

由圖4 可見：D2 車輪經(jīng)1.5×104km 試驗(yàn)后，踏面的預(yù)制缺陷有輕微擴(kuò)展，缺陷2 端可觀察到向外延伸的裂紋；但隨試驗(yàn)里程增加至3×104km，裂紋不再擴(kuò)展，同預(yù)制缺陷一起趨向閉合狀態(tài)；至4.5×104km 試驗(yàn)結(jié)束，預(yù)制缺陷及其擴(kuò)展裂紋已呈完全閉合態(tài)。

由圖5 可見：ER8 車輪經(jīng)1.5×104km 試驗(yàn)后，踏面的預(yù)制缺陷同樣存在輕微擴(kuò)展，但程度較D2車輪嚴(yán)重；隨試驗(yàn)里程增加至3×104km，缺陷的擴(kuò)展程度加劇，缺陷2 端已有小塊剝離出現(xiàn)；至4.5×104km 試驗(yàn)結(jié)束，預(yù)制缺陷已發(fā)展為大塊剝離，剝離面積約為30 mm（圓周方向）×30 mm，深度約為4 mm，剝離坑中可觀察到自踏面預(yù)制缺陷處向輪輞內(nèi)部擴(kuò)展的疲勞弧線存在，呈現(xiàn)典型疲勞擴(kuò)展特征。

圖5 不同試驗(yàn)里程后ER8車輪預(yù)制缺陷處擴(kuò)展形貌

2.2 磨損量及硬度

D2 車輪與ER8 車輪踏面對應(yīng)位置的圓周磨耗量變化曲線如圖6所示。由圖6 可見：里程為0～1.5×104km（磨損初期），2 種車輪的磨損量均相對較大，磨損率（曲線斜率）較高；里程為1.5×104～4.5×104km（磨損穩(wěn)定期），2 種車輪的磨損量增幅均減小，磨損率趨緩；在0～4.5×104km的整個試驗(yàn)過程中，D2 車輪的磨損量始終小于ER8車輪，至試驗(yàn)結(jié)束時，D2 車輪的磨損量為0.072 mm，ER8 車輪的磨損量為0.138 mm，D2 車輪的磨損量約為ER8車輪的1/2。

圖6 D2車輪與ER8車輪踏面對應(yīng)位置磨耗量變化曲線

2 種車輪踏面對應(yīng)位置的硬度變化規(guī)律如圖7所示。由圖7 可見：D2 車輪踏面初始硬度約為320 HV，ER8車輪踏面的初始硬度約為305 HV；隨試驗(yàn)里程的增加，D2 和ER8 車輪的踏面硬度均明顯增加，且運(yùn)行至1.5×104km 時2 種車輪的踏面硬度均基本達(dá)到穩(wěn)定，后續(xù)變化較小，其中D2 車輪的硬度穩(wěn)定在590 HV，較其初始硬度提高了84.3%，ER8 車輪的硬度穩(wěn)定在510 HV，硬度提高了67.2%。

圖7 D2車輪與ER8車輪踏面對應(yīng)位置表面硬度變化規(guī)律

上述結(jié)果表明，D2 車輪的初始硬度和硬度增幅均高于ER8 車輪，D2 車輪的磨損量小于ER8 車輪，2 種車輪的硬度與磨損量變化曲線有較好的對應(yīng)性。通常認(rèn)為金屬材料的耐磨性與H/E（H為材料硬度，E為彈性模量）成比例關(guān)系［10］，不同材質(zhì)車輪鋼的E值基本相同，因此，對于D2 車輪和ER8 這2 種車輪來說，耐磨性主要與硬度有關(guān)，即材料的硬度越高，耐磨性能越強(qiáng)。這就使得初始硬度和硬度增幅均較高的D2 車輪，其耐磨性始終優(yōu)于ER8車輪。

試驗(yàn)結(jié)束時，2 種車輪硬度及相對耐磨性的關(guān)系如圖8所示。由圖8可見，D2車輪的相對耐磨性約為ER8車輪的1.92倍。

圖8 試驗(yàn)結(jié)束時D2車輪和ER8車輪硬度及相對耐磨性關(guān)系

2.3 微觀形貌

2.3.1 裂紋擴(kuò)展形貌

D2車輪與ER8車輪踏面預(yù)制缺陷擴(kuò)展SEM 形貌如圖9所示。由圖9 可見：2 種車輪裂紋擴(kuò)展處的組織均伴有明顯的塑性變形；D2 車輪的裂紋主要沿珠光體團(tuán)界及團(tuán)界處的先共析鐵素體擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑相對曲折；而ER8 車輪中由于存在上貝氏體組織（見圖1（c）—圖1（e）），其裂紋主要沿上貝氏體和珠光體組織的邊界擴(kuò)展，當(dāng)遇到大面積的上貝氏體裂紋從上貝氏體組織的滲碳體顆粒間穿過，裂紋在該車輪中的擴(kuò)展路徑較為平直。從裂紋的擴(kuò)展路徑看，裂紋在ER8 車輪中的擴(kuò)展更為容易，這與2 種車輪踏面預(yù)制缺陷的宏觀擴(kuò)展程度（如圖4和圖5）相對應(yīng)。

圖9 D2車輪與ER8車輪踏面預(yù)制缺陷處裂紋擴(kuò)展SEM形貌

對比上述2 種車輪缺陷擴(kuò)展處的組織特征判斷，ER8車輪中存在的上貝組織應(yīng)是加速其裂紋擴(kuò)展的1 個重要因素。分析原因，一是上貝氏體和車輪基體組織（珠光體+先共析鐵素體）的微觀結(jié)構(gòu)不同，上貝氏體中的滲碳體多為斷續(xù)分布的短棒或顆粒狀形貌（見圖1（d）和圖1（e）），而珠光體中的滲碳體則為片層狀的結(jié)構(gòu)特征（見圖1（b）和圖1 （e）），該結(jié)構(gòu)對裂紋的擴(kuò)展阻力相對更大［11］；二是上貝氏體和基體組織在性能上存在顯著差異，有研究發(fā)現(xiàn)［12-13］，車輪中的上貝氏體組織，其硬度、彈性均高于基體組織，但塑性小于基體組織，在相同輪軌力作用下，這2 種組織彈-塑性變形的不協(xié)調(diào)，使得上貝氏體和基體組織邊界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而加速車輪踏面滾動接觸疲勞損傷的出現(xiàn)。

2.3.2 組織演變

D2 車輪與ER8 車輪未損傷處（踏面預(yù)制缺陷區(qū)域）組織的SEM 形貌如圖10所示。由圖10 可見：與2種車輪的原始組織相比（如圖1），隨著距表面距離的增大，2 種車輪的組織均發(fā)生不同程度的塑性變形，車輪中的鐵素體均沿滾動方向逐漸被拉長，與滾動方向呈一定夾角的滲碳體產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)且逐漸與滾動方向平行，片層滲碳體的間距不斷減小，越接近踏面表層，2 種車輪變形層中的組織越趨于纖維化，組織中的鐵素體和滲碳體邊界基本消失；ER8車輪踏面表層的塑性變形更為明顯，其變形嚴(yán)重處的深度約為120 μm，而D2 車輪踏面表層的塑性變形相對較淺，其變形嚴(yán)重處的深度約為40 μm，車輪踏面表層的塑變程度與其初始硬度有著較好的對應(yīng)性（如圖7），即初始硬度相對較高的D2車輪，其塑變層的深度較淺。

圖10 D2車輪與ER8車輪踏面未損傷處組織SEM形貌

采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)，分別從2 種車輪踏面最表層切取TEM 試樣（取樣位置見圖10），以進(jìn)一步放大觀察車輪表層處的組織形貌，結(jié)果如圖11所示。由圖11 可見：2 種車輪表層組織中滲碳體均發(fā)生了碎化、溶解；鐵素體的片條間距較車輪原始組織顯著減小，鐵素體晶粒均得到細(xì)化。

有研究發(fā)現(xiàn)［14］，在循環(huán)應(yīng)力作用下，車輪材料表層組織的演化大致可以分為3 個階段：首先，車輪材料中處于塑性變形軟取向的鐵素體，其內(nèi)部位錯源開動，位錯發(fā)生滑移，在塑變的同時伴隨材料的形變強(qiáng)化；其次，隨著形變的持續(xù)，鐵素體通過其位錯密度的不斷增殖和交互作用，形成位錯墻和亞晶粒；最后，位錯進(jìn)一步增殖，鐵素體中的亞晶粒逐漸轉(zhuǎn)化成超細(xì)晶粒，晶粒尺寸可達(dá)納米量級。圖11 中，D2 車輪的晶粒尺寸為50～100 nm，ER8車輪的晶粒尺寸為100～200 nm。可見，D2車輪晶粒細(xì)化的程度更為明顯，分析其原因應(yīng)與車輪微觀組織的強(qiáng)化機(jī)制有關(guān)。由于ER8 車輪中存在著上貝氏體，初始上貝氏體組織中的鐵素體，本身就具有較高的位錯密度（高于珠光體）［15］，使得其在后續(xù)形變過程中，位錯的增殖及其對碳化物的固溶程度均不及珠光體明顯，很容易達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，ER8車輪表層組織的細(xì)晶強(qiáng)化以及碳化物的固溶強(qiáng)化均不如D2車輪。

此外，根據(jù)材料的膠體平衡原理［16］，滲碳體在珠光體中的片層狀結(jié)構(gòu)比其在貝氏體中的短棒結(jié)構(gòu)在塑變過程中更容易發(fā)生斷裂和碎化。Kosco 等人提出的顆粒處位錯累積強(qiáng)化模型［17］為

圖11 D2車輪與ER8車輪踏面表層組織TEM形貌

式中：△σ為強(qiáng)度；M為泰勒因子；G為材料的剪切模量；b為材料的伯格斯矢量；f為粒子的體積分?jǐn)?shù)；r為粒子半徑；εt為實(shí)際應(yīng)變；D為恒量。

鋼鐵材料的M通常取值為2.75，G取值為81 GPa，b取值為0.248。由式（1）可知，當(dāng)εt相同時，滲碳體更易碎化的D2 車輪（f取值大、r取值?。?，其表層的強(qiáng)化（彌散）效果更好。

綜上，盡管ER8 車輪表層組織的形變明顯，但在形變過程中伴隨的細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及彌散強(qiáng)化能力均不及D2 車輪。因此，ER8 車輪表層組織的綜合強(qiáng)化效果不如D2 車輪顯著。該結(jié)果在2 種車輪表層硬度的增幅中得到了很好體現(xiàn)（見圖7）。2 種車輪組織強(qiáng)化效果的不同，直接導(dǎo)致其在抑制和延緩裂紋擴(kuò)展能力上的差異，經(jīng)4.5×104km試驗(yàn)后組織強(qiáng)化效果更好的D2車輪，其踏面預(yù)制缺陷已呈完全閉合態(tài)，而強(qiáng)化效果相對較弱的ER8車輪，其踏面預(yù)制缺陷完全擴(kuò)展為大面積剝離（見圖4和圖5）。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)4.5×104km 的滾動臺架試驗(yàn)后，自主化D2 車輪踏面預(yù)制缺陷呈現(xiàn)完全閉合態(tài)，而進(jìn)口ER8車輪踏面的預(yù)制缺陷出現(xiàn)明顯的疲勞擴(kuò)展，發(fā)展為30 mm（圓周方向）×30 mm面積大小的剝離掉塊。自主化D2 車輪的抗疲勞擴(kuò)展能力好于進(jìn)口ER8車輪。

（2）試驗(yàn)過程中，D2 車輪的磨損量始終小于ER8車輪。經(jīng)4.5×104km 試驗(yàn)后，D2車輪的磨損量為0.072 mm，約為ER8車輪磨損量（0.138 mm）的1/2，其相對耐磨性約為ER8車輪的1.92倍。自主化D2車輪的耐磨性優(yōu)于進(jìn)口ER8車輪。

（3）D2 車輪的組織由珠光體和鐵素體構(gòu)成，由于其組織的連續(xù)均勻性及綜合強(qiáng)化（細(xì)晶、固溶和彌散強(qiáng)化）機(jī)制均好于含有一定比例上貝氏體的ER8 車輪，使得D2 車輪阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展的能力以及硬化能力更強(qiáng)，進(jìn)而表現(xiàn)出更為優(yōu)異的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能和耐磨性能。