張關震，張澎湃，吳 斯，常崇義，張 斌，叢 韜，張 弘，任瑞銘

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

車輪是鐵道機車車輛走行系統(tǒng)的關鍵部件，其服役安全受到高度關注［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)設計、制造工藝水平、工業(yè)化生產(chǎn)、綜合性能評價以及實車運用考核等方面均取得長足進步。高速動車組車輪是中國鐵路近年來大力推進的研發(fā)項目，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，增加車輪維護成本。這在降低車輪使用壽命的同時，也帶來巨大的經(jīng)濟損失［8］。因此，車輪的抗接觸疲勞和耐磨性能可作為衡量車輪實際服役表現(xiàn)的重要指標。

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展行為，同時與進口車輪進行對比，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，在實際線路上進行定期跟蹤和監(jiān)測，但含缺陷車輪一旦失效有可能產(chǎn)生影響列車運行安全的風險。因此，宜采用實驗室條件下的替代方案進行相關試驗研究。

本文借助能夠模擬車輪實際服役條件的1∶1高速輪軌關系試驗臺，在實驗室條件下開展自主化D2 車輪與進口ER8 車輪踏面磨損和滾動接觸疲勞損傷擴展行為的對比研究，旨在為充實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 試驗內(nèi)容及方法

1.1 試驗對象

試驗對象為自主化D2 材質(zhì)和進口ER8 材質(zhì)高速動車組車輪。D2 車輪的成分及性能指標執(zhí)行標準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執(zhí)行標準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位置預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，以模擬車輪實際服役中踏面出現(xiàn)的滾動接觸疲勞裂紋。試驗輪對中人工預制缺陷和實際滾動接觸疲勞裂紋形貌如圖2所示。

1.2 試驗設備

圖2 試驗輪對中人工預制缺陷和實際滾動接觸疲勞裂紋形貌

在1∶1 高速輪軌關系試驗臺上以350 km·h-1的速度進行試驗。試驗臺主要由軌道輪（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 高速輪軌關系試驗臺及其軌道輪形貌如圖3所示，其中軌道輪廓形為60軌標準廓形。

圖3 1∶1高速輪軌關系試驗臺及其軌道輪形貌

試驗臺的主要技術(shù)性能指標［9］：最高試驗速度為500 km·h-1，最高激振頻率為15 Hz，最大激振振幅為±50 mm，可實現(xiàn)試驗輪對垂向、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功率均為2 400 kW，能夠?qū)Ω咚佘囕嗊M行磨損、滾動接觸疲勞、制動、噪聲等試驗研究。

1.3 試驗工況及載荷

試驗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）作為試驗用虛擬線路。試驗過程中，直線和曲線工況交替進行，其中直線工況考慮線路激擾，設置有線路不平順。試驗載荷采用CRH380B 型動車組（軸重17 t）在上述虛擬線路上的車輛動力學模型和仿真分析結(jié)果。

1.4 試驗方法

試驗采用加速試驗法（模擬的試驗工況及載荷均苛刻），進行里程為4.5×104km的滾動試驗。

（1）試驗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，觀察踏面預制缺陷的宏觀擴展形貌，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測線與基準線滾動圓中心位置縱坐標的差值表征車輪磨損量［5］，車輪耐磨性的優(yōu)劣通過磨損量進行評價，2 種車輪滾動圓上對應區(qū)域測量5次硬度；

（3）試驗后，在車輪踏面預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 試驗結(jié)果

2.1 預制缺陷的宏觀擴展形貌

D2 車輪與ER8 車輪踏面預制缺陷的宏觀擴展形貌分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同試驗里程后D2車輪預制缺陷處擴展形貌

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

由圖5 可見：ER8 車輪經(jīng)1.5×104km 試驗后，踏面的預制缺陷同樣存在輕微擴展，但程度較D2車輪嚴重；隨試驗里程增加至3×104km，缺陷的擴展程度加劇，缺陷2 端已有小塊剝離出現(xiàn)；至4.5×104km 試驗結(jié)束，預制缺陷已發(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制缺陷處向輪輞內(nèi)部擴展的疲勞弧線存在，呈現(xiàn)典型疲勞擴展特征。

圖5 不同試驗里程后ER8車輪預制缺陷處擴展形貌

2.2 磨損量及硬度

D2 車輪與ER8 車輪踏面對應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的整個試驗過程中，D2 車輪的磨損量始終小于ER8車輪，至試驗結(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車輪踏面對應位置磨耗量變化曲線

2 種車輪踏面對應位置的硬度變化規(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；隨試驗里程的增加，D2 和ER8 車輪的踏面硬度均明顯增加，且運行至1.5×104km 時2 種車輪的踏面硬度均基本達到穩(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性。通常認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，即材料的硬度越高，耐磨性能越強。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。

試驗結(jié)束時，2 種車輪硬度及相對耐磨性的關系如圖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 試驗結(jié)束時D2車輪和ER8車輪硬度及相對耐磨性關系

2.3 微觀形貌

2.3.1 裂紋擴展形貌

D2車輪與ER8車輪踏面預制缺陷擴展SEM 形貌如圖9所示。由圖9 可見：2 種車輪裂紋擴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界及團界處的先共析鐵素體擴展，擴展路徑相對曲折；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展，當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展路徑較為平直。從裂紋的擴展路徑看，裂紋在ER8 車輪中的擴展更為容易，這與2 種車輪踏面預制缺陷的宏觀擴展程度（如圖4和圖5）相對應。

圖9 D2車輪與ER8車輪踏面預制缺陷處裂紋擴展SEM形貌

對比上述2 種車輪缺陷擴展處的組織特征判斷，ER8車輪中存在的上貝組織應是加速其裂紋擴展的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化。

有研究發(fā)現(xiàn)［14］，在循環(huán)應力作用下，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，位錯進一步增殖，鐵素體中的亞晶粒逐漸轉(zhuǎn)化成超細晶粒，晶粒尺寸可達納米量級。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?？梢姡珼2車輪晶粒細化的程度更為明顯，分析其原因應與車輪微觀組織的強化機制有關。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，很容易達到飽和狀態(tài)。因此，ER8車輪表層組織的細晶強化以及碳化物的固溶強化均不如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為粒子的體積分數(shù)；r為粒子半徑；εt為實際應變；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晶強化、固溶強化以及彌散強化能力均不及D2 車輪。因此，ER8 車輪表層組織的綜合強化效果不如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 種車輪組織強化效果的不同，直接導致其在抑制和延緩裂紋擴展能力上的差異，經(jīng)4.5×104km試驗后組織強化效果更好的D2車輪，其踏面預制缺陷已呈完全閉合態(tài)，而強化效果相對較弱的ER8車輪，其踏面預制缺陷完全擴展為大面積剝離（見圖4和圖5）。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)4.5×104km 的滾動臺架試驗后，自主化D2 車輪踏面預制缺陷呈現(xiàn)完全閉合態(tài)，而進口ER8車輪踏面的預制缺陷出現(xiàn)明顯的疲勞擴展，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 車輪的抗疲勞擴展能力好于進口ER8車輪。

（2）試驗過程中，D2 車輪的磨損量始終小于ER8車輪。經(jīng)4.5×104km 試驗后，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)均勻性及綜合強化（細晶、固溶和彌散強化）機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展的能力以及硬化能力更強，進而表現(xiàn)出更為優(yōu)異的抗疲勞裂紋擴展性能和耐磨性能。