李英奇 劉佳朋 張銀花 胡月 丁昊昊 王文健

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)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；3.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）

隨著新鋼種的研發(fā)應(yīng)用和鋼軌制造、焊接等技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼軌的使用壽命得以大幅延長(zhǎng)［1-2］。近年來(lái)貝氏體鋼軌因其強(qiáng)韌性高、抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)［3］倍受青睞。本文在接觸應(yīng)力不變的條件下進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，研究貝氏體鋼軌的磨損率、表面粗糙度、硬度，并結(jié)合磨損表面和剖面的微觀形貌特征分析不同滑差條件下的貝氏體鋼軌的磨損行為。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

鋼軌試件選用貝氏體鋼軌U22SiMn，車(chē)輪試件選用CL60，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。車(chē)輪和鋼軌試件分別取自車(chē)輪踏面和鋼軌軌頭，試件直徑60 mm，接觸寬度為5 mm，取樣位置及尺寸如圖1所示。

表1 鋼軌和車(chē)輪的化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 對(duì)磨試驗(yàn)取樣位置及尺寸（單位：mm）

微觀上，貝氏體鋼軌鋼母材組織中主要為板條狀貝氏體；CL60車(chē)輪鋼母材組織中存在晶界析出的鐵素體，主體為層片狀珠光體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼軌和車(chē)輪的微觀組織形貌

1.2 試驗(yàn)方法

采用雙盤(pán)式對(duì)磨試驗(yàn)機(jī)MJP-30A 進(jìn)行輪軌對(duì)磨試驗(yàn)，應(yīng)用赫茲接觸準(zhǔn)則計(jì)算輪軌接觸應(yīng)力。將輪軌試件裝夾在試驗(yàn)機(jī)的2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，這2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是由相互獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)滑差，并通過(guò)控制液壓裝置施加法向荷載。本文選取2 組不同參數(shù)進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。每組重復(fù)2次，取2次試驗(yàn)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 對(duì)磨試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)步驟為：

1）試驗(yàn)前，測(cè)量貝氏體鋼軌試件的質(zhì)量及其對(duì)磨表面的粗糙度和硬度。

2）將輪軌試件裝夾到試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行5 萬(wàn)次滾動(dòng)對(duì)磨后取下，用酒精和超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干，再次測(cè)量貝氏體鋼軌試件的質(zhì)量及其對(duì)磨表面的粗糙度和硬度。

3）對(duì)試驗(yàn)后的貝氏體鋼軌試件進(jìn)行切取，拋光后用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其剖面并對(duì)母材及剖面近表層磨損情況進(jìn)行表征，分析表面?zhèn)麚p情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨損率

磨損率是鋼軌磨損性能的直觀反映。采用精度為100 μg 的電子分析天平測(cè)量試驗(yàn)前后鋼軌試件的質(zhì)量并計(jì)算其磨損率，見(jiàn)圖3?？芍夯顬?%和10%時(shí)，貝氏體鋼軌的磨損率分別為0.81，7.23 μg/r；磨損率隨滑差的增大而增大；在接觸應(yīng)力為500 MPa 條件下，滑差由2%增大到10%時(shí)磨損率增大了8倍。

圖3 貝氏體鋼軌磨損率

2.2 表面粗糙度

試驗(yàn)過(guò)程中輪軌對(duì)磨表面的粗糙度顯著增加，致使產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力并對(duì)材料的塑性變形有顯著影響［4］。由于棘輪效應(yīng)，塑性應(yīng)變累積到金屬塑性變形極限后，裂紋萌生、擴(kuò)展以至斷裂而產(chǎn)生磨屑，引起表面粗糙度變化。試驗(yàn)測(cè)得的貝氏體鋼軌試件對(duì)磨表面粗糙度見(jiàn)圖4。可知，滑差為2%和10%時(shí)，對(duì)磨試驗(yàn)后的貝氏體鋼軌表面粗糙度分別為原始試件表面粗糙度的3 倍和10 倍。因此，在接觸應(yīng)力不變的情況下，增大滑差會(huì)使貝氏體鋼軌表面粗糙度顯著增大。

圖4 貝氏體鋼軌表面粗糙度

磨損機(jī)制主要分為4類(lèi)：黏著磨損、表面接觸疲勞磨損、磨料磨損、腐蝕磨損［5］。為進(jìn)一步分析磨損行為，探究滑差對(duì)貝氏體鋼軌表面的影響，對(duì)磨損表面進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)。貝氏體鋼軌在對(duì)磨試驗(yàn)后表面形貌見(jiàn)圖5。可知：2種試驗(yàn)條件下貝氏體鋼軌對(duì)磨表面產(chǎn)生的損傷均為典型的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋且尺寸極?。粓D5（b）比圖5（a）的表面?zhèn)麚p更多且裂紋尺寸更大?？梢?jiàn)，增大滑差使貝氏體鋼軌表面的微裂紋數(shù)量和尺寸增加，加之表面因劃擦痕跡和較大剝落坑而變得凹凸不平，致使貝氏體鋼軌表面粗糙度增大。圖5（b）中存在明顯的劃擦痕跡，說(shuō)明在大滑差（10%）條件下磨損行為發(fā)生改變，接近滑動(dòng)磨損行為，而表面的劃擦痕跡顯示發(fā)生過(guò)表面切削，因此大滑差條件下的主要磨損機(jī)制為磨料磨損。

圖5 不同滑差下貝氏體鋼軌磨損表面微觀形貌

2.3 塑性變形與裂紋

試驗(yàn)測(cè)得貝氏體鋼軌試件對(duì)磨表面顯微維氏硬度見(jiàn)圖6?？芍?，對(duì)磨試驗(yàn)后貝氏體鋼軌試件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化，且大滑差（10%）比小滑差（2%）的鋼軌磨損表面硬度略高。進(jìn)行加工硬化率計(jì)算，發(fā)現(xiàn)滑差為2%和10%時(shí)，對(duì)磨試驗(yàn)后的貝氏體鋼軌磨損表面的加工硬化率分別為35.3%和43.1%。在相同接觸應(yīng)力條件下，切應(yīng)力隨著滑差增大而增大，導(dǎo)致大滑差條件下的磨損表面加工硬化率偏大。

磨損后貝氏體鋼軌試件表面產(chǎn)生滾動(dòng)接觸疲勞裂紋。為探究裂紋深度及裂紋擴(kuò)展情況，對(duì)貝氏體鋼軌試件剖面進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，見(jiàn)圖7?？芍顬?%和10%時(shí)塑性變形層分別為35，43 μm，即在接觸應(yīng)力為500 MPa 條件下，增大滑差可使貝氏體鋼軌試件塑性流變層深度小幅增大。在高應(yīng)力作用下，近表層晶粒細(xì)化［6］，近表層的貝氏體板條厚度比母材的貝氏體板條厚度小。近表層存在嚴(yán)重的塑性變形，晶粒取向更趨近于各向同性。由表層到材料內(nèi)部，晶粒逐漸由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋浴?/p>

圖7 不同滑差下貝氏體鋼軌剖面微觀形貌

測(cè)得圖7（a）的裂紋深度約6 μm，圖7（b）約5 μm，裂紋深度基本相同。裂紋基本沿著塑性變形層向材料內(nèi)部擴(kuò)展，且2 種試驗(yàn)條件下的裂紋傾斜角度接近（分別為11.2°和10.3°），說(shuō)明在接觸應(yīng)力為500 MPa的條件下，增大滑差對(duì)貝氏體鋼軌表面疲勞裂紋深度及裂紋傾角幾乎沒(méi)有影響。另外，在圖7（b）中發(fā)現(xiàn)次表層裂紋，而圖7（a）中沒(méi)有。這是因?yàn)榇蠡睿?0%）條件下，表面粗糙度增大導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，使得切應(yīng)力隨之增大，亞表層金屬達(dá)到塑性極限而產(chǎn)生裂紋［7-8］。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)磨試驗(yàn)，研究了接觸應(yīng)力為500 MPa條件下貝氏體鋼軌的磨損率、表面粗糙度、硬度，并結(jié)合掃描電鏡觀測(cè)到的磨損表面和剖面的形貌特征，分析不同滑差條件下的貝氏體鋼軌的磨損行為。結(jié)論如下：

1）接觸應(yīng)力為500 MPa 條件下，貝氏體鋼軌磨損率隨滑差的增大而顯著增大，滑差由2%增大到10%時(shí)磨損率增大8 倍。滑差對(duì)貝氏體鋼軌磨損率影響很大。

2）對(duì)磨試驗(yàn)后，小滑差（2%）條件下的貝氏體鋼軌表面較光滑，出現(xiàn)少量疲勞裂紋；大滑差（10%）條件下表面粗糙，主要傷損有疲勞裂紋、剝落坑。

3）滑差為2%和10%時(shí)，對(duì)磨試驗(yàn)后的貝氏體鋼軌磨損表面的加工硬化率分別為35.3%和43.1%。在相同接觸應(yīng)力條件下大滑差條件的磨損面加工硬化率偏大。

4）在接觸應(yīng)力為500 MPa 條件下，增大滑差對(duì)于貝氏體鋼軌表面的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋在深度方向的擴(kuò)展幾乎無(wú)影響。

5）當(dāng)滑差為2%時(shí)，亞表面無(wú)次表層裂紋，滑差為10%時(shí)出現(xiàn)次表層裂紋。大滑差條件下近表層材料更容易達(dá)到屈服極限萌生裂紋。