趙 海，丁 毅，張明如

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司；2.軌道交通關(guān)鍵零部件制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心 安徽馬鞍山 243000）

近些年，隨著高速列車的運行速度增加，輪軌材料的磨損問題也越加嚴重，例如鋼軌波磨和車輪多邊化［1］、［2］，車輪偏磨，車輪踏面擦傷［3］。輪軌材料的磨損失效是一個復雜的過程，很多因素都會影響輪軌材料的磨損性能。輪軌之間存在的滑差會明顯增加輪軌接觸面的剪切應(yīng)力從而使表層組織發(fā)生嚴重的塑性變形并改變表層的磨損機制。隨著滑差率的增加，表層塑性變形層的厚度會逐漸增加［4］-［6］，干摩擦條件下隨著滑差率的增加，輪軌材料之間磨損形式逐漸由氧化磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p方式，疲勞磨損過程中表面形成淺層的疲勞裂紋。而車速的增加卻使表層的硬度和塑性變形層厚度逐漸降低，車輪材料的磨損量是逐漸增加的，而鋼軌材料的磨損量是逐漸減少的［7］。

現(xiàn)利用GPM-30摩擦磨損試驗機模擬輪軌的運行，研究了不同磨損周次下ER8C高速車輪材料表層微觀組織的變化和疲勞磨損裂紋的形成與發(fā)展，探討ER8C高速車輪材料的滾動摩擦磨損性能。

1 試驗材料與方法

試驗選用材料分別為主試樣為ER8C車輪鋼，陪試樣為U71Mn鋼軌鋼。車輪鋼和鋼軌鋼的化學成分如表1所示。ER8C車輪鋼原始顯微組織的照片如圖1所示。由圖可知，ER8C車輪鋼的原始組織為網(wǎng)狀的先共析鐵素體+珠光體。ER8C車輪鋼的原始硬度為290 HV。

表1 車輪試樣化學成分

圖1 ER8C車輪試樣原始組織金相照片500×

使用GPM-30滾動摩擦磨損試驗機研究滾動條件對ER8C車輪鋼進行摩擦磨損試驗。試驗運行條件分別為純滾動接觸。試驗的接觸應(yīng)力1140 MPa，模擬17 t軸重，試驗的轉(zhuǎn)速為1440 r/min，模擬250 km/h。試驗磨損周次分別為：10萬，40萬和70萬，全部試驗均在干摩擦條件下進行，試樣在運行過程中用風扇冷卻，試樣表面整體溫度不超過80℃。試驗后，車輪試樣的表面宏觀形貌用Universal Serial Bus microscope進行觀察。不同運行轉(zhuǎn)數(shù)試樣的微觀組織分別Lecia DM8i萊卡金相顯微鏡和Zeiss Supra 55場發(fā)射掃描電鏡進行觀察。使用FM-700顯微硬度計對試樣表層硬度進行測量。利用iXRD型X射線殘余應(yīng)力測試儀進行表面殘余應(yīng)力測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表面磨損形貌

圖2是ER8C車輪鋼試樣不同磨損周次的表面宏觀磨損形貌。從圖中可以看出，在10萬周次，車輪試樣表面相對比較平滑（圖2a）。在運行到40萬周次時，車輪試樣表面產(chǎn)生多邊形磨損（圖2b），在運行到70萬周次，車輪試樣的表面多邊形磨損程度加劇（圖2c）。

圖2 試樣不同磨損周次下表面宏觀形貌

圖3 為不同磨損周次下試樣表面微觀磨損形貌。在10萬磨損周次下，ER8C車輪鋼試樣表面主要是黏著磨損，如圖3a所示。在運行到40萬周次。試樣表面形成波磨，從圖中可以看出，波峰為黏著磨損（圖3b），而波谷為疲勞磨損，疲勞磨損裂紋在表面萌生，疲勞裂紋深度大約為10μm，如圖3c和圖3d所示，這與Pan等的研究結(jié)果相似［2］。疲勞裂紋主要是沿珠光體和先共析鐵素體界面擴展或者在先共析鐵素體內(nèi)部擴展［6］。

圖3 試樣不同磨損周次表面微觀磨損形貌

2.2 磨損量與表層硬度

圖4 是ER8C車輪鋼試樣不同磨損周次的磨損量變化曲線。從圖中可以看出，隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼試樣的磨損量逐漸增加。在40萬周次后，車輪試樣的磨損速率明顯的增加。主要是因為在40萬磨損周次后，試樣表面形成多邊形磨損。

圖4 不同磨損周次下ER8C車鋼磨損量變化曲線

ER8C車輪鋼試樣經(jīng)過不同周次磨損后表層硬度變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼試樣的表層的硬度逐漸增加。在10萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度為498 HV；在40萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度分別為529 HV；在70萬磨損周次，ER8C車輪鋼試樣表面硬度分別為583 HV。

圖5 不同磨損周次下車輪試樣表層硬度分布

2.3 表層微觀組織

圖6 為ER8C車輪鋼經(jīng)過不同周次磨損后截面金相顯微組織圖像。從圖中可以看出，經(jīng)過磨損后ER8C車輪鋼表面形成一定厚度塑性變形層。經(jīng)過10萬周次磨損后，ER8C車輪鋼的塑性變形層厚度大約為18μm。隨著磨損周次的增加，塑性變形層的厚度也是逐漸增加的。在磨損到40萬周次，ER8C車輪鋼的變形層厚度增加到大約32μm。在磨損到70萬周次，ER8C車輪鋼的變形層厚度進一步增加到大約45μm。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對ER8C車輪鋼在磨損70萬周次試樣從表面到心部微觀組織進行系統(tǒng)分析，如圖7所示。從圖中可以看出，在40 um-70 um處，珠光體沒有發(fā)生明顯變形，先共析鐵素體內(nèi)晶粒仍然為等軸狀。而在20 um-30 um區(qū)域，先共析鐵素體內(nèi)晶粒進一步發(fā)生細化，但是珠光體內(nèi)滲碳體仍然為片層狀。在0 um-10 um區(qū)域，先共析鐵素體內(nèi)片層狀晶粒進一步細化，而且是珠光體內(nèi)滲碳體部分碎化成顆粒狀。

圖6 車輪試樣金相顯微組織

圖7 在磨損70萬周次的車輪試樣距表面不同距離SEM圖像

為了進一步弄清楚車輪試樣磨損后的鐵素體晶粒變化，對車輪試樣磨損70萬周次后距表面不同距離的鐵素體晶粒進行EBSD分析，結(jié)果如圖8所示。由于在距離表面0 um-10μm的區(qū)域，試樣表面的應(yīng)力比較大，從而導致EBSD的解析分辨率比較低。因此對不同轉(zhuǎn)數(shù)的試樣在距離表面10μm之后的區(qū)域進行EBSD解析。

從圖8中可以看出，試樣經(jīng)過70萬周次磨損后，在10μm區(qū)域大角度晶界增加到60%，鐵素體晶粒細化到大約200 nm。鐵素體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的層錯能，在變形過程中形成的位錯難于擴展，并且由于同方向的滑移系較多，極易發(fā)生交滑移，呈現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)和纏結(jié)的位錯組態(tài)在初始的鐵素體晶粒內(nèi)。隨著磨損周次增加，胞狀的位錯結(jié)構(gòu)或者位錯纏結(jié)逐漸轉(zhuǎn)變成小角度晶界（θ＜10°），最后，隨著變形的逐漸嚴重，鐵素體晶粒內(nèi)的小角度晶界逐漸轉(zhuǎn)變成大角度晶界（θ＞10°），從而使鐵素體晶粒細化。

圖8 在磨損70萬周次的距離表面10 um處兩種車輪試樣EBSD圖像（紅線小角度晶界，藍線大角度晶界）

2.4 表面殘余應(yīng)力

車輪試樣磨損過程中表面的殘余應(yīng)力會發(fā)生變化，原始未經(jīng)過磨損的試樣表面是存在殘余拉應(yīng)力，軸向拉應(yīng)力值約為155 MPa，經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，表面的殘余應(yīng)力測量結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，ER8C車輪鋼試樣表面形成殘余壓應(yīng)力。隨著磨損周次的增加，表面殘余壓應(yīng)力是逐漸增加的。不同磨損轉(zhuǎn)數(shù)下試樣表面的軸向殘余壓應(yīng)力是大于試樣表面周向殘余壓應(yīng)力的。在磨損40萬周次車輪試樣表面形成波磨，對車輪試樣波峰和波谷表面進行殘余應(yīng)力測量，結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，周向和軸向的波谷殘余應(yīng)力都是大于波峰的殘余應(yīng)力。因為波谷的變形相對于波峰更嚴重，從而使表面產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。

表2 試樣不同磨損轉(zhuǎn)數(shù)表面殘余應(yīng)力（MPa）

表3 試樣波峰和波谷表面殘余應(yīng)力（MPa）

3 結(jié)論

本文對ER8C車輪鋼進行不同周次的滾動摩擦磨損試驗試驗，試驗后對試樣的表面形貌、表層微觀組織、表面硬度、表面殘余應(yīng)力和表層疲勞裂紋進行對比分析和深入研究，得出以下主要結(jié)論：

隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼的磨損量都逐漸增加；

摩擦磨損過程中，ER8C車輪鋼在表面形成波磨。在10萬周次，車輪試樣的磨損機制為黏著磨損，隨著轉(zhuǎn)數(shù)增加，疲勞磨損裂紋逐漸增加，在70萬周次，車輪試樣的磨損機制轉(zhuǎn)為疲勞磨損；

隨著磨損周次的增加，ER8C車輪鋼的塑性變形層厚度和表面硬度逐漸增加；

加工后未經(jīng)過磨損的試樣表面存在殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值約為155 MPa。經(jīng)過不同轉(zhuǎn)數(shù)磨損后，ER8C車輪鋼試樣表面形成殘余壓應(yīng)力。隨著磨損周次的增加，表面殘余壓應(yīng)力是逐漸增加的。不同磨損周次時，試樣表面的軸向殘余壓應(yīng)力大于其周向殘余壓應(yīng)力，且試樣表面波谷處的周向和軸向殘余應(yīng)力都大于波峰處的殘余應(yīng)力。