林 杰 曾東方 魯連濤 李 偉 鄒 朗 劉衛(wèi)東

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031)

車輪是鐵路車輛關(guān)鍵的零部件之一，承載著列車運(yùn)行的全部重量[1]。當(dāng)車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，輪軌間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨損，并可能出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞，這將會(huì)對(duì)鋼軌、車上設(shè)備產(chǎn)生危害，甚至導(dǎo)致列車出軌[2-3]。隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度的提高，車輪材料服役將面臨更多疲勞和磨損問(wèn)題的挑戰(zhàn)[4-6]。

車輪磨損和滾動(dòng)接觸疲勞隨運(yùn)行工況的變化而變化，學(xué)者們對(duì)此開(kāi)展了大量研究。MAKINO等[7]研究了滑差率對(duì)車輪鋼滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著滑差率增加，摩擦因數(shù)逐漸增大，滾動(dòng)接觸疲勞性能逐漸降低。MA等[8]研究了5種滑差率條件下車輪材料的磨損和滾動(dòng)接觸疲勞行為，結(jié)果表明，隨著滑差率的增大，車輪材料磨損方式由輕微氧化磨損向重度疲勞磨損轉(zhuǎn)變；輕微氧化磨損情況下，裂紋平行于表面擴(kuò)展，重度疲勞磨損情況下，材料出現(xiàn)大塊剝落坑。劉吉華[9]研究了接觸應(yīng)力對(duì)輪軌材料磨損量、塑性變形以及疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著接觸應(yīng)力的增大，車輪材料磨損量呈線性增加；低接觸應(yīng)力下，鋼軌材料疲勞裂紋比車輪材料疲勞裂紋深，高接觸應(yīng)力情況下，車輪材料疲勞損傷較鋼軌材料更嚴(yán)重。轉(zhuǎn)速也是影響車輪鋼滾動(dòng)接觸疲勞損傷的重要因素。HE等[10]利用小尺寸試樣研究了轉(zhuǎn)速對(duì)塑性變形層厚度、材料硬度、裂紋角度和深度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速增加，材料表層硬度和磨損速率逐漸減小，滾動(dòng)接觸損傷更加嚴(yán)重。丁昊昊等[11]采用ER9和U71Mn輪軌材料進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車輪磨損率隨速度增加而增加，但時(shí)間歷程上是先增加后略微減小，車輪材料裂紋變小，磨損表面更加粗糙[11]。上述轉(zhuǎn)速相關(guān)研究?jī)H在干態(tài)條件下進(jìn)行，但車輪運(yùn)行時(shí)也會(huì)遭遇雨雪等潮濕天氣。既有研究表明，滾動(dòng)接觸疲勞裂紋只有在液體存在的條件下才會(huì)發(fā)生Ⅰ型裂紋的擴(kuò)展，并引起剝離失效[12-13]。當(dāng)前，水潤(rùn)滑條件下轉(zhuǎn)速對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞和磨損的影響機(jī)制尚不清楚，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

本文作者采用滾動(dòng)接觸摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在水潤(rùn)滑條件下測(cè)試車輪材料在不同轉(zhuǎn)速下的剝離壽命、摩擦因數(shù)和磨損率，并結(jié)合磨損形貌和裂紋擴(kuò)展形貌觀察，分析轉(zhuǎn)速對(duì)車輪材料摩擦磨損和滾動(dòng)接觸疲勞損傷的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)用車輪和鋼軌試樣材料分別取自ER8車輪輪輞和U71Mn熱軋鋼軌軌頭，具體取樣示意圖參見(jiàn)圖1(a)。車輪、鋼軌試樣形狀尺寸參見(jiàn)圖2，試樣接觸面粗糙度Ra≈0.2 μm。試驗(yàn)材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1 車輪/鋼軌取樣示意和車輪剖面觀察示意Fig 1 Sampling sketch of wheel/rail (a) and observation sketch of wheel profile (b)

圖2 滾動(dòng)接觸摩擦磨損試驗(yàn)示意(mm)Fig 2 Schematic of rolling-sliding test(mm)

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位：%

1.2 試驗(yàn)條件和過(guò)程

(1)

式中:ΔD為車輪試樣直徑減少量;Nf為剝離壽命;D0為初始直徑。

當(dāng)試樣產(chǎn)生表面剝離(車輪試樣所在從動(dòng)軸垂向振動(dòng)加速度達(dá)到0.5g)或循環(huán)次數(shù)達(dá)到1×106時(shí)，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)后，采用線切割機(jī)對(duì)車輪試樣按圖1(b)進(jìn)行切割，使用JSM-6610LV掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面磨損形貌，并利用能譜儀(EDS)分析試樣氧化程度；用3%～5%硝酸乙醇溶液對(duì)剖面進(jìn)行腐蝕，然后采用OLYMPUS型激光共聚焦顯微鏡(CLSM)對(duì)試樣剖面的斜裂紋和塑性變形層進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 滾動(dòng)接觸疲勞壽命

為分析轉(zhuǎn)速對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞壽命的影響，將試驗(yàn)獲得的壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。可以看出：W1000試樣滾動(dòng)接觸疲勞壽命最短，2次試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)分別為2.62×105和4.11×105；W250試樣滾動(dòng)接觸疲勞壽命最長(zhǎng)，2次試驗(yàn)的分別為5.83×105和7.32×105；W750試樣和W500試樣的滾動(dòng)接觸疲勞壽命則處在中間水平，W750試樣的滾動(dòng)疲勞壽命較W500試樣略小。雖然相同轉(zhuǎn)速下滾動(dòng)接觸疲勞壽命數(shù)據(jù)有一定的分散性，但總體來(lái)看，車輪材料滾動(dòng)接觸壽命隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。

圖3 滾動(dòng)接觸疲勞壽命隨轉(zhuǎn)速的變化Fig 3 Variation of rolling contact fatigue life with rotational speeds

2.2 摩擦磨損行為

圖4給出了不同轉(zhuǎn)速下試樣平均摩擦因數(shù)變化情況，W250、W500、W750和W1000試樣平均摩擦因數(shù)分別0.21、0.22、0.26、0.35。總體而言，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增大，平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速由250 r/min增加至500 r/min，平均摩擦因數(shù)增幅偏小，當(dāng)轉(zhuǎn)速由500 r/min增加至1 000 r/min，平均摩擦因數(shù)顯著增加。另外，從圖5給出的磨損速率WD隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可以看出磨損率隨轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，且在研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分別在500、1 000 r/min達(dá)到最小和最大。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)Fig 4 Friction coefficient at different rotational speeds

圖5 磨損速率WD隨轉(zhuǎn)速的變化Fig 5 Variation of wear rate WD with rotational speeds

2.3 表面剝離形貌

剝層理論認(rèn)為，若車輪和鋼軌摩擦副在法向壓力作用下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，材料會(huì)在剪切力作用下發(fā)生塑性積累，最后發(fā)生位錯(cuò)和晶體滑移，形成微裂紋[14]。隨著連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，裂紋會(huì)平行于表面擴(kuò)展，達(dá)到臨界尺寸后，裂紋上方細(xì)小磨屑會(huì)以層片狀的形式剝落。

圖6分別示出了W250、W500、W750和W1000試樣在200倍掃描電鏡下的磨損形貌?？芍?，所有試樣表面均發(fā)生了不同程度的磨損。其中W250和W750試樣損傷形貌相似，微裂紋呈魚(yú)鱗狀分布，并伴隨著卷起的片狀磨屑，裂紋方向垂直于切向力方向；W500試樣則無(wú)明顯剝落凹坑，僅含有若干魚(yú)鱗狀微裂紋；W1000試樣表面磨損最嚴(yán)重，分布著寬大的淺層剝落凹坑。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下車輪試樣磨損形貌SEM圖Fig 6 Scanning electron microscope of wear morphology of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

為觀測(cè)不同轉(zhuǎn)速下試樣氧化程度，在掃描電鏡下對(duì)上述試樣磨損面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速的增加，車輪試樣表面被氧化程度逐漸增加，4種轉(zhuǎn)速下氧元素質(zhì)量占比依次為4.81%、6.46%、13.31%、15.14%，表明氧化程度在500～750 r/min速度區(qū)間快速增加。

圖7 不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度下車輪試樣磨損面EDS分析譜圖Fig 7 EDS analysis spectrum of worn surface of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

2.4 剖面形貌

圖8分別示出了W250、W500、W750和W1000試樣剖切面斜裂紋擴(kuò)展的觀測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，W250、W500、W750和W1000試樣典型的裂紋擴(kuò)展角度分別為30°、26°、23°、16°，裂紋分叉深度分別為1 166、611、529、221 μm，最大裂紋擴(kuò)展深度分別為1 842、1 546、914、514 μm。可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，車輪材料裂紋擴(kuò)展角度、裂紋分叉深度以及最大裂紋擴(kuò)展深度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下車輪試樣剖面斜裂紋形貌Fig 8 Morphology of inclined crack propagation of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

圖9所示為不同轉(zhuǎn)速下試樣表層材料的塑性流動(dòng)情況，其中黑白相間組織為鐵素體-珠光體組織?？梢钥闯?，在不同轉(zhuǎn)速下，所有試樣沿著切向力方向發(fā)生了明顯塑性流動(dòng)，且塑性層厚度隨轉(zhuǎn)速增加而減小。周桂源[15]認(rèn)為，塑性流動(dòng)層厚度主要取決兩方面，首先是棘輪效應(yīng)引起的表層材料塑性變形累積,其次是磨損對(duì)塑性變形層的消除作用,最終塑性流動(dòng)層厚度取決于棘輪效應(yīng)和磨損之間競(jìng)爭(zhēng)。其中，棘輪效應(yīng)主要由摩擦因數(shù)決定。從圖4和圖5所示的不同速度下的摩擦因數(shù)和磨損速率可推斷，W1000試樣較小的塑性流動(dòng)層厚度，主要由較大的磨損導(dǎo)致的，W250試樣較大的塑性流動(dòng)層厚度，是由輕微的磨損導(dǎo)致的。

但她始終沒(méi)有生下一兒半女，和家世顯赫、兒女雙全的王夫人相比，處處都相形見(jiàn)絀。所以即便身為長(zhǎng)房媳婦，卻時(shí)時(shí)被二房壓了一頭。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下車輪試樣剖面塑性變形Fig 9 Profiled deformation of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

3 討論

JING等[16]研究了車輪鋼材料在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率越快，相同應(yīng)力作用下應(yīng)變響應(yīng)越小。如圖7(a)、(b)所示，低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下材料被氧化程度不明顯，且摩擦因數(shù)變化較小，如圖4所示。此時(shí)，應(yīng)變速率的提高導(dǎo)致材料發(fā)生的應(yīng)變響應(yīng)減小，磨損速率也相應(yīng)減小，如圖5所示。如圖7(c)、(d)所示，高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下材料氧化程度明顯，導(dǎo)致輪軌摩擦副的摩擦因數(shù)顯著增大(如圖4所示)，進(jìn)而加劇材料磨損(如圖5所示)。

車輪材料剝離壽命是一個(gè)宏觀觀測(cè)結(jié)果，總體而言是由磨損和滾動(dòng)接觸疲勞兩方面決定，但其中影響因素眾多，包括垂向力、摩擦因數(shù)、氧化作用、液體黏度、滑差率、溫升帶來(lái)的材料轉(zhuǎn)變以及磨損速率等等[1,17-18]。如圖3所示，隨著車輪轉(zhuǎn)速的提高，試樣剝離壽命呈下降趨勢(shì)。結(jié)合文中已獲得的試驗(yàn)結(jié)果，可以從裂紋萌生和擴(kuò)展兩方面分析轉(zhuǎn)速對(duì)車輪材料剝離壽命的影響：

(1)隨轉(zhuǎn)速的增大摩擦因數(shù)整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在相同垂向力下，車輪承受切向力也隨轉(zhuǎn)速提高而增大。MAGEL和ERIC[12]介紹了眾多滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生模型，包括等效應(yīng)變法、臨界平面法、能量密度法、臨界平面-能量法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ǖ龋紝⑶邢蛄蛘呒羟袘?yīng)變作為控制裂紋萌生的主要參數(shù)。肖乾等人[19]采用有限元分析了摩擦因數(shù)對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞影響，表明摩擦因數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致車輪的接觸狀態(tài)接近棘輪效應(yīng)區(qū)，在循環(huán)載荷下更容易發(fā)生疲勞失效。因此，高速工況下，摩擦因數(shù)的急劇增大，使表層材料更早地突破棘輪應(yīng)變的臨界值，從而導(dǎo)致裂紋更早萌生。

(2)轉(zhuǎn)速的提高會(huì)顯著增強(qiáng)試樣被氧化程度，導(dǎo)致摩擦因數(shù)顯著增大。所以在高速帶來(lái)的高摩擦因數(shù)條件下，裂紋分叉深度更小(如圖8所示)，裂紋在更淺位置時(shí)即發(fā)生了向表面轉(zhuǎn)折，從而能更快地?cái)U(kuò)展至剝離失效。水潤(rùn)滑條件下，液體進(jìn)入裂尖后，主要有以下兩方面作用：(a)對(duì)裂紋尖端的擠壓效應(yīng)，增大Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，驅(qū)動(dòng)裂紋以Ⅰ型裂紋方式擴(kuò)展；(b)通過(guò)潤(rùn)滑裂紋面，消除了裂紋面間的自鎖效應(yīng)，可驅(qū)動(dòng)裂紋以Ⅱ型裂紋方式進(jìn)行擴(kuò)展[20]。MAKINO等[17]利用線彈性斷裂力學(xué)理論，采用ABAQUS有限元軟件詳細(xì)論證了Ⅱ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子是裂紋向表面擴(kuò)展的直接動(dòng)力。所以，對(duì)轉(zhuǎn)速逐漸增大的水潤(rùn)滑試驗(yàn)而言，車輪表面承受的切向力逐漸增大，導(dǎo)致剪切型(Ⅱ型)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大,使裂紋提前向表面擴(kuò)展，從而減小剝離壽命。

綜上所述，高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的高摩擦因數(shù)一方面增加了車輪表面切向力，從而使得裂紋更早的萌生；另一方面，使得剖面裂紋擴(kuò)展至較淺的位置，即發(fā)生向表面的轉(zhuǎn)折，進(jìn)而縮短了剝離失效的壽命。

4 結(jié)論

(1)隨著轉(zhuǎn)速提高，車輪材料氧化程度加劇，導(dǎo)致摩擦因數(shù)逐漸增加。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速由250 r/min增加到500 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)增幅較小，應(yīng)變速率增加導(dǎo)致磨損速率下降；由500 r/min增加到1 000 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)急劇增加，導(dǎo)致材料磨損速率增加。

(3)隨著轉(zhuǎn)速提高，剖面塑性流動(dòng)層厚度、裂紋擴(kuò)展角度、裂紋分叉深度和最大擴(kuò)展深度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

(4)轉(zhuǎn)速增加帶來(lái)的摩擦因數(shù)的增加，一方面縮短裂紋萌生壽命，另一方面減小了裂紋發(fā)生向上轉(zhuǎn)折的深度，最終導(dǎo)致滾動(dòng)接觸疲勞壽命隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。