肖 乾，方 駿

（華東交通大學(xué)現(xiàn)代軌道車(chē)輛研究所，江西 南昌330013）

軌頭踏面在輪軌接觸應(yīng)力作用下形成的沿鋼軌全長(zhǎng)密集分布的表面裂紋稱(chēng)為輪軌接觸疲勞裂紋。當(dāng)輪軌接觸應(yīng)力超過(guò)鋼軌的接觸疲勞強(qiáng)度，疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展速率大于軌頭磨耗速率，疲勞裂紋就會(huì)萌生和擴(kuò)展。疲勞裂紋在疲勞擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生的掉塊稱(chēng)為剝離掉塊。當(dāng)剝離裂紋發(fā)展到較大尺寸并導(dǎo)致踏面局部凹陷，表面呈暗斑狀時(shí)，稱(chēng)為局部凹陷。當(dāng)剝離裂紋發(fā)展為軌頭橫向疲勞裂紋或?qū)е落撥墮M向疲勞斷裂時(shí)，稱(chēng)為核傷。根據(jù)剝離裂紋在踏面的分布位置、形狀及其擴(kuò)展特點(diǎn)，可將接觸疲勞裂紋分為軌距角處魚(yú)鱗狀剝離裂紋、掉塊和核傷，軌頭踏面斜線(xiàn)狀剝離裂紋、局部凹陷和核傷，以及曲線(xiàn)內(nèi)股踏面剝離裂紋和淺層狀剝離掉塊等三種。

滾動(dòng)接觸引起的鋼軌表面裂紋已成為鐵路運(yùn)行安全的主要問(wèn)題，在循環(huán)載荷的作用下，裂紋萌生并且不斷擴(kuò)展，直至達(dá)到疲勞極限，導(dǎo)致鋼軌斷裂，引發(fā)列車(chē)脫軌事故。英國(guó)一列速度為185 km·h-1的高速列車(chē)曾因踏面斜裂紋引起的鋼軌橫向斷裂而出軌［1］。而中國(guó)廣深線(xiàn)的準(zhǔn)高速區(qū)段先后也有2處因踏面斜裂紋導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂［2］。由此可見(jiàn)，研究高速鐵路輪軌接觸疲勞和損傷問(wèn)題，提出有效的預(yù)防措施具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義與科學(xué)價(jià)值。

隨著我國(guó)客貨鐵路運(yùn)輸朝著高速化和重載化方向發(fā)展，出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象越來(lái)越頻繁，這種現(xiàn)象已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的重視。研究重點(diǎn)主要包括疲勞裂紋發(fā)生機(jī)理和預(yù)防或減輕裂紋產(chǎn)生的措施。

1 滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)理研究現(xiàn)狀

為了研究高速鐵路由于輪軌滾動(dòng)接觸而導(dǎo)致鋼軌裂紋萌生的安全問(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真兩個(gè)方面綜述了滾動(dòng)接觸疲勞作用下裂紋萌生機(jī)理。

1.1 試驗(yàn)研究

滾動(dòng)接觸疲勞導(dǎo)致接觸表面如軌距角、踏面處產(chǎn)生麻點(diǎn)、剝落、裂紋甚至斷裂等現(xiàn)象，如圖1、圖2所示，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞其成因開(kāi)展了大量科學(xué)研究，對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)理說(shuō)法不一，但其中多數(shù)人認(rèn)為輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷時(shí)由于輪軌表面材料在循環(huán)載荷作用下塑性變形累積所致。

圖1 軌距角魚(yú)鱗狀剝離裂紋和掉塊Fig.1 Fish scale stripping cracks and falling chip at the angle of gauge

圖2 踏面斜線(xiàn)狀剝離裂紋Fig.2 Oblique line stripping crack in the tread

Bernasconi A等人采用試驗(yàn)方法研究了高速鐵道車(chē)輪材料R7T鋼的多軸疲勞特性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在滾動(dòng)接觸循環(huán)載荷作用下，車(chē)輪表面材料發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形累積，從而導(dǎo)致車(chē)輪表面裂紋的產(chǎn)生［3］；Eadie D T指出輪軌間的切向摩擦力造成輪軌表面材料塑性流動(dòng)而產(chǎn)生疲勞損傷［4］；R Stock等利用原尺寸輪軌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鋼軌采用珠光體鋼和貝氏體鋼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)珠光體硬度等級(jí)與鋼軌耐疲勞性具有密切聯(lián)系，然而貝氏體鋼軌顯示出微小的差別，與同等硬度的珠光體鋼軌比較，貝氏體鋼軌耐磨性降低，耐疲勞性提高［5］。

國(guó)內(nèi)外也有一些學(xué)者從材料的微觀角度分析了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷的起源，Garnham等人從微觀角度揭示鋼軌表面在循環(huán)載荷作用下使得晶粒破碎細(xì)化，硬度升高，產(chǎn)生塑性變形層［6］；Takikawa等人使用雙盤(pán)滾動(dòng)試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了鋼軌曲線(xiàn)段軌頭裂紋的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料硬度對(duì)表面裂紋的形成有較大影［7］；Alfredsson［8］認(rèn)為輪軌表面粗糙引起的高應(yīng)力區(qū)域是裂紋萌生源；Sato等人的研究又表明裂紋萌生于表面并沿著塑性流線(xiàn)而不是沿著局部最大拉應(yīng)力的法向發(fā)展；G Donzella等人在雙盤(pán)試驗(yàn)機(jī)上完成了輪軌材料配副的棘輪效應(yīng)試驗(yàn)，借助掃描電鏡觀察了不同階段的輪軌表面損傷的演化［9］［10］；彭峰針對(duì)廣深線(xiàn)準(zhǔn)高速區(qū)段出現(xiàn)的斜線(xiàn)狀裂紋情況，取下U75V、U71Mn鋼軌軌樣進(jìn)行宏觀形貌、微觀形貌分析及金相試驗(yàn)得到鋼軌的傷損機(jī)理，指出鋼軌材料自身的條件是影響滾動(dòng)接觸疲勞的主要因素，合金組織穩(wěn)定性和均勻性越好，材料的疲勞強(qiáng)度越高［11］；鐘雯等人針對(duì)廣深線(xiàn)鐵路使用的U75V和U71Mn鋼軌進(jìn)行了一系列試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)U71Mn的組成成分和金相組織決定的鋼軌抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能更適合高速鐵路鋪設(shè)使用［12］。然而迄今為止，缺乏系統(tǒng)的研究輪軌表面材料在滾動(dòng)接觸循環(huán)載荷作用下的演變規(guī)律。

1.2 數(shù)值仿真

日本赤間誠(chéng)［13］、瑞典Ringsberg等人［14］利用有限元技術(shù)、Jiang Sehitoglu棘輪效應(yīng)本構(gòu)模型及其疲勞損傷預(yù)測(cè)模型完成了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷分析；Yongming Liu和Sankaran Mahade van又提出了考慮輪軌塑性變形累積的金屬高周疲勞準(zhǔn)則和壽命預(yù)測(cè)方法，結(jié)合有限元分析預(yù)測(cè)了輪軌滾動(dòng)接觸表面裂紋的萌生，得到了與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相對(duì)一致的結(jié)論［15-16］。B Alfredsson 針對(duì)滾動(dòng)軸承的表面損傷問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力和表面粗糙度直接影響滾動(dòng)接觸疲勞損傷［17］，胡軍等［18］以直徑為860 mm的LMA型踏面輪對(duì)和60 kg·m-1鋼軌為例建立三維實(shí)體模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析不同軸重和摩擦系數(shù)對(duì)最大接觸法向應(yīng)力、接觸剪切應(yīng)力以及最大Mises應(yīng)力的影響。分析結(jié)果表明：隨著軸重的增加輪軌最大接觸法向應(yīng)力和最大Mises應(yīng)力會(huì)逐漸增大，接觸疲勞裂紋萌生的速度則隨之增大。隨著摩擦系數(shù)的的增加，最大接觸法向應(yīng)力和最大Mises 應(yīng)力的變化不顯著，而接觸剪切應(yīng)力則隨之增大，加快接觸疲勞裂紋的萌生。劉圓［17］為研究影響鋼軌表面斜裂紋擴(kuò)展的因素，通過(guò)建立三維有限元模型，計(jì)算不同裂紋間距條件下原有裂尖前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子。分析結(jié)果表明，隨著裂紋間距的減小，新裂紋的萌生能降低原有裂紋的擴(kuò)展速率，但原有裂紋擴(kuò)展方向向新裂紋彎曲，容易導(dǎo)致兩裂紋融合，從而形成新的裂紋，其擴(kuò)展速率可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有裂紋。王少鋒等［20］基于臨界平面法研究鋼軌裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型。Taraf等人采用移動(dòng)赫茲接觸壓力，在二維的輪軌滾動(dòng)接觸彈塑性有限元模型基礎(chǔ)上分析了車(chē)輪踏面的表面裂紋萌生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)材料缺陷、軸重和摩擦系數(shù)直接影響輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷［21］；D I Fletcher等人采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)分析的方法發(fā)現(xiàn)液體對(duì)裂紋擴(kuò)展在不同情況下有加速和延緩的作用［22］；L Yongming 建立三維彈塑性模型計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過(guò)混合模式疲勞裂紋擴(kuò)展模型預(yù)測(cè)車(chē)輪表面損傷，同時(shí)分析了車(chē)輪參數(shù)、裂紋初始位置和尺寸以及裂紋面間摩擦系數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展的影［23-24］。

對(duì)于鐵軌裂紋萌生機(jī)理的研究，目前主要集中在鐵軌材料的塑性棘輪效應(yīng)上，研究方法主要有安定圖和損傷函數(shù)。通過(guò)觀察鋼軌疲勞斷口如圖3和脆性斷口如圖4可以看出，接近鋼軌表面區(qū)域的材料積累大量的塑性剪切應(yīng)變。由于軌鋼材料和載荷條件的差異性，變形區(qū)域的厚度從幾微米到幾毫米不等。塑性材料對(duì)載荷的響應(yīng)取決于載荷大??；如果載荷超過(guò)塑性屈服極限，塑性應(yīng)變將不斷積累，該過(guò)程即為塑性棘輪效應(yīng)。因此，材料的塑性屈服極限也稱(chēng)為棘輪效應(yīng)的門(mén)檻值。塑性棘輪效應(yīng)導(dǎo)致在接觸區(qū)域的邊緣位置，材料被擠出大量細(xì)小的條狀褶皺，并且接近軌頭表面區(qū)域的材料產(chǎn)生較大的塑性剪切應(yīng)變。材料不能無(wú)限制地積累應(yīng)變，在棘輪效應(yīng)作用下，當(dāng)應(yīng)變積累到一定臨界值時(shí)，材料的塑性被完全耗盡，從而失效。裂紋往往在靠近鐵軌表面的失效材料處萌生，并且向鐵軌深度方向擴(kuò)展，而鋼軌表面的失效材料作為磨損碎屑被移除。但是，高速滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)理還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論，特別是對(duì)于高速鐵路輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷的機(jī)理分析還只是起步階段，缺乏系統(tǒng)的研究成果。

圖3 橫向和縱向斷裂處左側(cè)斷口宏觀形貌Fig.3 The macro fracture morphology on the left side of horizontal and vertical split

圖4 脆性斷口形貌Fig.4 Brittle fracture morphology

2 輪軌滾動(dòng)接觸疲勞防損對(duì)策研究

對(duì)于輪軌滾動(dòng)接觸疲勞防損對(duì)策研究，我國(guó)起步較早，在上世紀(jì)80年代，我國(guó)學(xué)者淡育煦等人從組織結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，討論了鋼的接觸疲勞性能，發(fā)現(xiàn)使碳化物小、勻、圓是提高Cr12MoV鋼耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度的主要手段，同時(shí)指出提高表面層的硬度和強(qiáng)度是提高接觸疲勞強(qiáng)度的主要措施［25］；清華大學(xué)陳顏堂等人綜述了鋼軌鋼的滾動(dòng)接觸疲勞特征及其成因，探討了提高鋼軌鋼接觸疲勞壽命的途徑，指出減小最大接觸應(yīng)力、改善微觀組織結(jié)構(gòu)、降低殘余應(yīng)力和提高冶金質(zhì)量對(duì)延緩滾動(dòng)接觸疲勞損傷影響最大［26］。西南交通大學(xué)對(duì)于輪軌滾動(dòng)接觸疲勞防損研究有較大的貢獻(xiàn)，張偉在分析了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷成因的基礎(chǔ)上，指出提高輪軌強(qiáng)度是主要的減緩滾動(dòng)接觸疲勞的措施之一，主要包括有表面機(jī)械處理以及化學(xué)改性等方法，具體有利用涂層技術(shù)、減少輪軌材料組織中的馬氏體組織、輪軌材料中加入鉻或釩鉻合金等方法，也指出了稀土可延緩鋼軌鋼表面疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，而改善工作狀況和優(yōu)化輪軌型面也是減緩輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷的有效方法［27］；彭峰等人在分析高速鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損原因的基礎(chǔ)上，提出了從鋼軌材料成分和微觀結(jié)構(gòu)、制造工藝以及鋼軌打磨幾方面來(lái)預(yù)防滾動(dòng)接觸疲勞傷損［11］；王文健等人針對(duì)重載鐵路和高速鐵路的損傷差異，提出分別采用潤(rùn)滑技術(shù)、優(yōu)化輪軌型面和鋼軌打磨技術(shù)等預(yù)防輪軌損傷［28］；劉啟躍等人結(jié)合多年的研究與調(diào)查，分析了高速與重載鐵路鋼軌損傷與預(yù)防技術(shù)差異，指出高速鐵路鋼軌主要表現(xiàn)為疲勞損傷特征，同時(shí)指出鋼軌潤(rùn)滑會(huì)導(dǎo)致加速鋼軌疲勞裂紋的擴(kuò)展，高速鋼軌不宜采用輪軌潤(rùn)滑技術(shù)預(yù)防損傷，可采取打磨的方式消除和抑制軌面損傷［29-30］。

在國(guó)外，更多的學(xué)者選擇對(duì)輪軌表面進(jìn)行處理，改善輪軌材料表面組織來(lái)抑制滾動(dòng)接觸疲勞的產(chǎn)生，R J DiMelfi等人研究發(fā)現(xiàn)激光表面改性后的表面摩擦系數(shù)下降較為明顯，而表面硬度則明顯上升，從而導(dǎo)致抗接觸疲勞性能增強(qiáng)和磨損率降低［31］；英國(guó)學(xué)者F J Franklin和荷蘭學(xué)者G J Weeda針對(duì)曲線(xiàn)段鋼軌和道岔處鋼軌輪緣接觸導(dǎo)致的軌距角斜裂紋現(xiàn)象，提出在鋼軌表面附加涂層形成雙材料鋼軌從而抵制滾動(dòng)接觸疲勞現(xiàn)象，并通過(guò)雙圓盤(pán)試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層材料和工藝進(jìn)行了試驗(yàn)分析［32］；Jonas W Ringsberg 在UIC標(biāo)準(zhǔn)的900 A材料表層熔覆Co-Cr合金并稱(chēng)之為雙材料鋼軌，通過(guò)數(shù)值分析、雙圓盤(pán)試樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼軌表面熔覆處理之后能有效阻止棘輪效應(yīng)的產(chǎn)生，從而抑制滾動(dòng)接觸疲勞損傷［32］；F J Franklin重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)了延緩滾動(dòng)接觸疲勞的雙材料鋼軌，通過(guò)試驗(yàn)討論了潤(rùn)滑、載荷以及熔覆層厚度等參數(shù)對(duì)抗疲勞性能的影響［34］；M Vrbka等人研究了滾動(dòng)體表面織構(gòu)對(duì)于滾動(dòng)接觸疲勞的影響，研究發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)能增加滾動(dòng)接觸疲勞壽命［35］。國(guó)內(nèi)學(xué)者在降低輪軌磨耗方面也開(kāi)始采用激光表面處理或表面熔覆等技術(shù)，何柏林等人利用HJ-II對(duì)U70鋼軌表面進(jìn)行超聲沖擊處理，鋼軌表面硬度明顯增加，耐磨性得到提高［36］；楊膠溪等人利用激光熔覆技術(shù)對(duì)U71Mn鋼軌進(jìn)行表面強(qiáng)化從而提高鋼軌的耐用性，研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)保證涂層與裂紋等缺陷以及涂層與基體的優(yōu)良結(jié)合較為困難［33］；而周清躍等人指出不同運(yùn)輸條件下的輪軌硬度的合理匹配對(duì)提高輪軌的綜合使用壽命具有十分重要的作用，在硬度等級(jí)超過(guò)450 HB時(shí)，輪或軌硬度的增加會(huì)使輪軌試樣的總磨耗降低的程度更大，而輪軌硬度匹配不能單從輪軌磨耗來(lái)考慮，還應(yīng)當(dāng)考慮輪軌磨合以及對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命的影響，高硬度的合金軌雖然耐磨性好，但由于韌、塑性及焊接性能不好而被限制使用［37］。相對(duì)于激光熱處理和激光熔覆技術(shù)來(lái)說(shuō)，激光熔凝技術(shù)應(yīng)用工藝靈活、對(duì)基體組織影響小，且表面能獲得超細(xì)、均勻的組織結(jié)構(gòu)［38］。西南交通大學(xué)曾東方等人采用激光離散熔凝技術(shù)對(duì)于車(chē)輪材料試樣進(jìn)行了表面處理，通過(guò)干態(tài)下和潤(rùn)滑狀態(tài)下的滾動(dòng)接觸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理后的試樣磨耗率大大降低，抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能也有所升高，但沒(méi)有考慮到輪軌關(guān)系中如硬度匹配、輪軌黏著等其它問(wèn)題［39］。

3 結(jié)論

綜上所述，輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷問(wèn)題一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但多數(shù)停留在疲勞損傷影響因素分析和數(shù)值預(yù)測(cè)方面，輪軌防損對(duì)策主要考慮降低輪軌磨耗，減小最大接觸應(yīng)力、改善微觀組織結(jié)構(gòu)、降低殘余應(yīng)力和提高冶金質(zhì)量，改善鋼軌材料成分和微觀結(jié)構(gòu)、制造工藝以及打磨鋼軌。特別是高速鐵路迅猛發(fā)展，高速列車(chē)的安全性和舒適性需求也日益提高，系統(tǒng)地開(kāi)展高速輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷及其防損對(duì)策研究顯得尤為迫切。因此，后續(xù)工作可著手研究高速輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)理和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出充分考慮輪軌磨耗、輪軌黏著等其它輪軌接觸問(wèn)題的高速輪軌防損對(duì)策。

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