李秋澤 ，韓俊臣 ，諶 亮 ，張英春 ，張敏男 ，戴光澤

（1. 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610031）

車(chē)輪是高速動(dòng)車(chē)組的重要零部件，承擔(dān)牽引力、制動(dòng)力以及來(lái)自軌道的振動(dòng)激擾. 高速動(dòng)車(chē)組在運(yùn)用過(guò)程中車(chē)輪故障表現(xiàn)形式有踏面剝離、擦傷、鉻傷、熱裂紋、異常磨耗，輪輞輞裂、碾寬以及車(chē)輪多邊形等. 車(chē)輪故障的影響因素較為復(fù)雜，其中有線(xiàn)路和鋼軌的原因，也包括車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車(chē)輛及轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)、車(chē)輪踏面型式和車(chē)輪材質(zhì)的原因[1]. 早期，在車(chē)輪性能發(fā)展方向選擇上，日本采用高強(qiáng)度技術(shù)方案，歐洲采用高韌性技術(shù)方案，隨著列車(chē)速度的提高，尤其是1998 年德國(guó)ICE 列車(chē)車(chē)輪事故后，提高硬度和韌性，追求較高的強(qiáng)韌比，選擇車(chē)輪強(qiáng)度較高、硬度較大同時(shí)韌性良好的材質(zhì)是研究的目標(biāo). 目前，國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組用車(chē)輪材質(zhì)有ER8、ER9、ER8C 和D2，其中：ER8 和ER9 材質(zhì)是 EN13262 標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)；ER8C 材質(zhì)是意大利魯西尼公司20 世紀(jì)80 年代研制開(kāi)發(fā)的新材料，沒(méi)有上升到EN13262 標(biāo)準(zhǔn)中；D2 材質(zhì)是鐵科院牽頭聯(lián)合各國(guó)內(nèi)車(chē)輪生產(chǎn)廠(chǎng)研制的國(guó)產(chǎn)化材質(zhì)，2016 年在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組上運(yùn)營(yíng)考核[2-3].

ER8C 材質(zhì)車(chē)輪是魯西尼公司為解決瑞士山區(qū)運(yùn)營(yíng)的擺式列車(chē)車(chē)輪嚴(yán)重磨耗問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)較高強(qiáng)韌比研制的一種新材質(zhì)，首先應(yīng)用在Pendolino 系列擺式列車(chē)上，2007 年始在CRH5 型動(dòng)車(chē)組上運(yùn)用，運(yùn)用10 多年，其綜合性能表現(xiàn)良好，并已經(jīng)在其他動(dòng)車(chē)組上進(jìn)行了小批量試裝.

CRH5 型動(dòng)車(chē)組用ER8C 材質(zhì)車(chē)輪，CRH3 型動(dòng)車(chē)組用ER8 材質(zhì)車(chē)輪，本文以實(shí)際應(yīng)用車(chē)輪取樣，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分、常規(guī)力學(xué)性能、小試樣疲勞特性、沖擊性能及韌脆轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值和疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，對(duì)其金相組織進(jìn)行觀測(cè)，綜合對(duì)比分析兩種材質(zhì)車(chē)輪力學(xué)性能，為鐵路行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，為車(chē)輪材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及探傷周期確定提供依據(jù)和借鑒.

1 化學(xué)成分及金相組織

1.1 化學(xué)成分

根據(jù)ASTM E415-08 標(biāo)準(zhǔn)，選取2 片不同批次ER8C 車(chē)輪和2 片不同批次ER8 車(chē)輪進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，其中C、S 采用紅外吸收法（ASTM E1019-08），Si、Mn、P、Cr、Mo、Cu、Al、Ni 采用火花源發(fā)射光譜法（ASTM E415-08），2 片車(chē)輪測(cè)試平均值結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab. 1 Mass fraction of chemical components%

由表1 可知：ER8C 材質(zhì)車(chē)輪中C 含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比ER8 材質(zhì)略低，Si 含量是ER8 材質(zhì)的2.74 倍，Mn 含量是ER8 材質(zhì)的1.29 倍，合金元素Cr+Mo+Ni 的質(zhì)量百分比較少，是ER8 材質(zhì)的54.8%. 通常情況，Si 能溶于鐵素體和奧氏體中能夠提高鋼的硬度和強(qiáng)度，Mn 含量0.7% 以上就具有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能. C 是重要的脆化元素，在鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍內(nèi)，隨著 Mn /C 比的增加，可提高鋼的沖擊韌性. ER8C 材質(zhì)Mn/C 為1.702，ER8 材質(zhì)Mn/C 為1.279，同時(shí)合金元素 Mn、Cr、Ti、V 等與 C 形成碳化物時(shí)會(huì)增加耐磨性和低溫脆性. Ni 可以改善材料在低溫時(shí)的沖擊性能，從而降低脆性轉(zhuǎn)變溫度. 當(dāng)增加Mn 含量同時(shí)降低 Si 含量時(shí)，可使鋼的強(qiáng)度略有提高的同時(shí)顯著改善其低溫韌性. P 和 S 等雜質(zhì)易于在晶界上偏聚，是使鋼致脆的最主要元素，因此應(yīng)盡可能降低 P、S 等雜質(zhì)元素的含量[4-5].

1.2 金相組織

根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)用的新輪輪輞上取樣，對(duì)金相試樣進(jìn)行打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用VK-9710K 彩色3D 激光顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察，距踏面下相同位置處金相對(duì)比見(jiàn)表2.

由表2 可知：兩材質(zhì)車(chē)輪在車(chē)輪踏面處顯微組織主要為珠光體+少量鐵素體，隨著距踏面距離的增加，鐵素體含量增加，并逐漸呈網(wǎng)狀分布；在距踏面下15 mm 處，ER8C 車(chē)輪鐵素體還比較均勻細(xì)碎分布在珠光體晶界處，ER8 材質(zhì)車(chē)輪部分鐵素體已經(jīng)連接成網(wǎng)狀分布在珠光體晶界處；在距踏面下35 mm 處，ER8C 車(chē)輪鐵素體相對(duì)要細(xì)小且沒(méi)有連接成網(wǎng)狀分布，ER8 車(chē)輪明顯看出鐵素體較粗大且已經(jīng)呈網(wǎng)狀均勻的分布在珠光體晶界處；根據(jù)ASTM E112-10 標(biāo)準(zhǔn)用圖片對(duì)比法進(jìn)行晶粒度評(píng)定，ER8C 材質(zhì)車(chē)輪晶粒度大于8.5 級(jí)，ER8 材質(zhì)車(chē)輪晶粒度大于8.0 級(jí). 這是由于ER8C 成分中Si 和Mn 的含量高于ER8，導(dǎo)致熱處理淬透性更好，組織更細(xì)小分布更均勻. 組織是決定材料性能的重要因素，這也將是后續(xù)ER8 和ER8C 兩種材質(zhì)性能差異的主要原因[6-8].

表2 兩種材質(zhì)金相組織對(duì)比Tab. 2 Comparison of crack growth rate of two kinds of material axles

2 常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試

2.1 拉伸強(qiáng)度

根據(jù)GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)用的新輪和三級(jí)檢修半磨耗舊輪輪輞和輪輻上分別取6 個(gè)試樣，在Zwick 公司ZL150 拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成常規(guī)力學(xué)試驗(yàn). 最大試驗(yàn)力150 kN，配置Macro 引伸計(jì)，分辨率0.0006 μm，彈性階段采用引伸計(jì)控制，應(yīng)變速率0.00025 s?1，屈服階段采用橫梁位移控制，應(yīng)變速率0.00025 s?1，強(qiáng)化階段采用橫梁位移控制，應(yīng)變速率0.00067 s?1.按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修約，數(shù)據(jù)取平均值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3 可知：ER8C 車(chē)輪比ER8 車(chē)輪輪輞和輪輻的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高約5%，延伸率和斷面收縮率基本相當(dāng)；同一材質(zhì)車(chē)輪，輪輞比輪輻斷面收縮率高約10%，延伸率基本相當(dāng)；同一材質(zhì)新輪和磨耗舊輪力學(xué)性能相當(dāng).

表3 ER8 和ER8C 兩種材質(zhì)常規(guī)力學(xué)性能對(duì)比Tab. 3 Comparison of conventional mechanical properties between ER8 and ER8C

2.2 小試樣拉壓疲勞強(qiáng)度

車(chē)輪踏面在與鋼軌接觸過(guò)程中，主要受到的是拉壓循環(huán)疲勞載荷. 在車(chē)輪踏面與鋼軌接觸區(qū)的前方，車(chē)輪踏面承受壓應(yīng)力作用，在車(chē)輪踏面與鋼軌接觸區(qū)的后方，車(chē)輪踏面承受拉應(yīng)力作用；當(dāng)車(chē)輪踏面承受的載荷超過(guò)材料的高周拉壓疲勞強(qiáng)度后，便會(huì)萌生裂紋，進(jìn)而發(fā)展成滾動(dòng)接觸疲勞，導(dǎo)致踏面剝離. 因此，研究車(chē)輪材料的拉壓疲勞性能是研究車(chē)輪抵抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能的重要參數(shù)之一.

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)新輪輪輞和幅板、半磨耗車(chē)輪輪輞上分別取樣，取樣位置見(jiàn)圖1，在QBG-100 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉壓高周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為-1，載荷為正弦波形，頻率f= 130～150 Hz，疲勞循環(huán)基數(shù)為1 × 107，試驗(yàn)溫度為室溫，試樣為螺紋M16 的漏斗狀試樣，長(zhǎng)度90 mm，最小橫截面直徑φ=6 mm.試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24176—2009《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》，50%存活率情況下，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2.

圖1 取樣位置Fig. 1 Sampling position

從圖2 可知：ER8C 車(chē)輪輪輞和輪輻疲勞極限均高于ER8，ER8C 車(chē)輪輪輞疲勞極限為422 MPa，ER8 為366 MPa；ER8C 車(chē)輪輻板疲勞極限為338 MPa，ER8 為297 MPa；相同材質(zhì)輪輞疲勞極限均高于輻板疲勞極限，并且在相同應(yīng)力水平下，輪輞的壽命高于幅板的壽命；相同材質(zhì)新輪和磨耗舊輪的輪輞疲勞極限相當(dāng).

圖2 ER8 和ER8C 材質(zhì)輪輞/輪輻室溫時(shí)應(yīng)力-壽命（S-N）曲線(xiàn)Fig. 2 ER8 and ER8C rim / spoke stress-life curves at room temperature

2.3 硬度測(cè)試

根據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，硬度測(cè)試用儀器為HBE-3000A 型電子布氏硬度計(jì)，壓頭為5 mm 直徑的硬質(zhì)合金頭，試驗(yàn)力為750 kg，保壓時(shí)間為15 s. 在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)新輪輪輞上取樣，踏面以下5 mm 處開(kāi)始測(cè)量，沿徑向每間隔10 mm 一個(gè)測(cè)點(diǎn)；距離輪輞內(nèi)側(cè)面5 mm處開(kāi)始每間隔10 mm 一個(gè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)布置到輪輞與輪輻過(guò)渡處停止，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3. 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖3 輪輞布氏硬度測(cè)點(diǎn)Fig. 3 Brinell hardness test points for rims

由圖4 可知：在靠近踏面的區(qū)域硬度最高，各車(chē)輪的硬度從踏面沿徑向（軸心）硬度逐漸降低；同一車(chē)輪在踏面以下相同深度位置，輪輞外側(cè)的硬度略高于輪輞內(nèi)側(cè)，在距離輪輞內(nèi)側(cè)面105～125 mm處達(dá)到硬度最大值；ER8 材質(zhì)車(chē)輪和ER8C 材質(zhì)車(chē)輪在踏面下相同位置處，硬度無(wú)明顯差異.

圖4 輪輞硬度測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Wheel rim hardness test results

2.4 沖擊功及韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試

在歐洲，車(chē)輪運(yùn)行環(huán)境溫度范圍在?20～+40 ℃，在中國(guó)，冬季東北溫度可達(dá)?40 ℃，低溫環(huán)境下，兩材質(zhì)車(chē)輪的韌性和脆性一直備受關(guān)注. 對(duì)ER8 和ER8C 兩種材質(zhì)車(chē)輪的低溫沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試.

沖擊功是衡量材料韌性的一個(gè)指標(biāo)，是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力.雖然沖擊吸收功不能真正代表材料的韌脆程度，但是由于其對(duì)材料內(nèi)部組織變化十分敏感，而且沖擊彎曲試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易行，所以仍被廣泛采用[9]. 根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)可得吸收能量與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)測(cè)定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，從而評(píng)定材料的低溫脆性?xún)A向.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，測(cè)量ER8C 車(chē)輪和ER8 車(chē)輪在系列溫度下的沖擊吸收能量，將適當(dāng)溫度間隔的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，按照玻爾茲曼（Boltzmann）函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到韌脆溫度轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)及韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn).

沖擊功試樣選擇了新輪和半磨耗車(chē)輪，取樣位置每車(chē)輪又分為a、b、c 3 處，車(chē)輪取樣位置見(jiàn)圖5，每處取樣10 個(gè)，綜合考慮相同材質(zhì)新、舊車(chē)輪所有沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，ER8C 和ER8 材質(zhì)車(chē)輪測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖5 車(chē)輪沖擊功取樣位置Fig. 5 Impact energy sampling positions of wheel

圖6 沖擊功及韌脆轉(zhuǎn)變溫度Fig. 6 Impact energy and ductile-brittle transition temperature

由圖6 可以看出：?20 ℃時(shí)ER8C 材質(zhì)車(chē)輪沖擊功均值大于ER8 材質(zhì)車(chē)輪；ER8C 材質(zhì)車(chē)輪的韌脆溫度轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)為84.30 ℃，ER8 材質(zhì)車(chē)輪的韌脆溫度轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)為71.97 ℃，ER8C 車(chē)輪的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于ER8 車(chē)輪，均工作在脆性區(qū)內(nèi).

3 斷裂力學(xué)性能測(cè)試

3.1 斷裂韌性

按照ASTM E399-90 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)新輪和三級(jí)檢修半磨耗輪上取樣，每個(gè)輪上取4 個(gè)試樣. 試樣采用厚度為30 mm的CT30 試樣，預(yù)制疲勞裂紋試驗(yàn)及斷裂試驗(yàn)所用設(shè)備為美國(guó)MTS810-50 電液侍服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)承載能力為50 t，試驗(yàn)頻率為15 Hz. 試驗(yàn)方法采用ASTM E399-17《線(xiàn)彈性金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，使用引伸計(jì)測(cè)量缺口張開(kāi)位移，應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加率在0.55～1.00 MPa?m1/2.試樣斷裂后，根據(jù)拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)確定的力FQ計(jì)算對(duì)應(yīng)的斷裂韌性KQ. ER8C 和ER8材質(zhì)新、舊車(chē)輪的斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4.

表4 車(chē)輪斷裂韌性試驗(yàn)值Tab. 4 Wheel fracture toughness test value MPa?m1/2

由表4 可知：兩種材質(zhì)新輪和磨耗輪的斷裂韌性沒(méi)有明顯差異，車(chē)輪的抗瞬斷性能不會(huì)伴隨著車(chē)輪的持續(xù)運(yùn)用而降低，測(cè)試取得的KQ值可以在車(chē)輪的整個(gè)壽命周期內(nèi)作為裂紋瞬間斷裂的門(mén)檻值參與車(chē)輪損傷容限的計(jì)算[9]；ER8C 材質(zhì)車(chē)輪比ER8 材質(zhì)車(chē)輪斷裂韌性高約6%，前者明顯優(yōu)于后者.

3.2 疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值測(cè)試

根據(jù) ASTM E647-15 《疲勞裂紋生長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法》，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)新輪和三級(jí)檢修半磨耗車(chē)輪上取樣，制備厚度為25 mm的CT25 試樣. 預(yù)制疲勞裂紋試驗(yàn)及斷裂試驗(yàn)均在美國(guó)MTS810-50 電液侍服疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)機(jī)承載能力為50 T，試驗(yàn)頻率為15 Hz，采用的載荷比為0.1. ER8C 和ER8 車(chē)輪的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值見(jiàn)表5.

從表5 可知：新造ER8C 材質(zhì)車(chē)輪疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值比新造ER8 材質(zhì)車(chē)輪低17%；相同材質(zhì)半磨耗車(chē)輪的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值均高于新造車(chē)輪，與取樣位置有關(guān)，隨著輪徑的減小，疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值增加，在相同運(yùn)營(yíng)載荷相同車(chē)輪缺陷情況下，輪徑越小抵抗裂紋擴(kuò)展的能力越強(qiáng)； 試驗(yàn)測(cè)試取得的新輪Kth值可以在車(chē)輪的整個(gè)壽命周期內(nèi)作為疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值參與車(chē)輪損傷容限的計(jì)算[10-11].

表5 車(chē)輪疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值Tab. 5 Fatigue crack growth threshold MPa?m1/2

3.3 裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試

疲勞裂紋擴(kuò)展速率指在疲勞裂紋的緩慢擴(kuò)展階段內(nèi)交變應(yīng)力每循環(huán)一次裂紋長(zhǎng)度的增加量，該速率用a/N（mm/cycle）表示，其中，a為應(yīng)力循環(huán)N次時(shí)裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度. 在極限條件下用微分da/dN表示. da/dN是反映材料裂紋擴(kuò)展快慢的重要參數(shù)，對(duì)于估算裂紋結(jié)構(gòu)疲勞壽命有重要作用. 裂紋擴(kuò)展速率da/dN是應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK的函數(shù)，通常采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系.

根據(jù) ASTM E647-15《疲勞裂紋生長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法》，在CRH3 和CRH5 型動(dòng)車(chē)組實(shí)際生產(chǎn)新輪和三級(jí)檢修半磨耗車(chē)輪輪輞上取樣，分別制備厚度為25 mm 的CT25 試樣，預(yù)制疲勞裂紋試驗(yàn)及斷裂試驗(yàn)在美國(guó)MTS810-50 電液侍服疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)機(jī)承載能力為50 t，試驗(yàn)頻率為15 Hz，采用的載荷比為0.1.

ER8C 和ER8 兩種材質(zhì)新、舊車(chē)輪輪輞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖7.

圖7 新、舊車(chē)輪裂紋擴(kuò)展速率Fig. 7 Crack growth rate of new and old wheels

由圖7 可知：ER8 材質(zhì)和ER8C 材質(zhì)新造車(chē)輪、運(yùn)用車(chē)輪裂紋擴(kuò)展速率基本一致，兩種材質(zhì)的車(chē)輪不論新舊如果產(chǎn)生了裂紋，裂紋的擴(kuò)展速度基本相同.

4 運(yùn)用磨耗對(duì)比

車(chē)輪的磨耗主要由磨粒磨損、粘著磨損以及塑變形引起，車(chē)輪磨耗速率影響因素較多，包括列車(chē)速度、列車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、軸重、車(chē)輪材質(zhì)、踏面型式、鋼軌材質(zhì)、鋼軌型面等[12]，對(duì)CRH5 型車(chē)ER8C 材質(zhì)車(chē)輪和CRH3 型動(dòng)車(chē)組ER8 材質(zhì)車(chē)輪踏面磨耗情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，車(chē)輪踏面滾動(dòng)圓附近的垂直磨耗與車(chē)輪材質(zhì)關(guān)聯(lián)性較大. 跟蹤測(cè)試在哈大線(xiàn)運(yùn)營(yíng)裝用ER8C 材質(zhì)車(chē)輪和XP55 車(chē)輪踏面外形的CRH5 型動(dòng)車(chē)組與裝用ER8 材質(zhì)車(chē)輪和S1002CN 車(chē)輪踏面外形的CRH3 型動(dòng)車(chē)組，車(chē)輪踏面垂直磨耗測(cè)試見(jiàn)圖8，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9.

圖8 車(chē)輪踏面垂直磨耗測(cè)試Fig. 8 Vertical wear test of wheel tread

由圖9 可見(jiàn)：裝用ER8C 材質(zhì)和XP55 車(chē)輪踏面外形的CRH5 型動(dòng)車(chē)組用車(chē)輪踏面垂直磨耗速率前期磨耗較快，運(yùn)行10 萬(wàn)公里后磨耗速率下降，25 萬(wàn)公里內(nèi)磨耗速率為0.0528 mm/萬(wàn)公里；裝用ER8 材質(zhì)和S1002CN 車(chē)輪踏面外形的CRH3 型動(dòng)車(chē)組用車(chē)輪踏面垂直磨耗速率前期磨耗較慢，運(yùn)行15 萬(wàn)公里后磨耗速率加快，20 萬(wàn)公里內(nèi)磨耗速率為0.041 mm/萬(wàn)公里.

圖9 車(chē)輪踏面名義滾動(dòng)圓處磨耗情況Fig. 9 Wear of the nominal rolling circle of the wheel tread

5 結(jié) 論

1） ER8C 車(chē)輪材質(zhì)化學(xué)成分中Si 和Mn 含量高于ER8，但Cr、Cu、Mo、Ni 略低于ER8；兩車(chē)輪顯微組織均有鐵素體和珠光體組成，前者鐵素體沒(méi)有呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且晶粒更細(xì)小，后者在踏面一定深度以下鐵素體呈網(wǎng)狀均勻分布在珠光體晶界處.

2） ER8C 材質(zhì)車(chē)輪的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高于ER8 材質(zhì)車(chē)輪，踏面下相同深度處硬度相當(dāng)，ER8C 材質(zhì)車(chē)輪韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于ER8 材質(zhì)車(chē)輪，車(chē)輪的運(yùn)用環(huán)境溫度處于兩中材質(zhì)的脆性區(qū).

3） ER8C 材質(zhì)車(chē)輪斷裂韌性比ER8 材質(zhì)斷裂韌性高約6%，即ER8C 材質(zhì)車(chē)輪抑制裂紋產(chǎn)生的能力優(yōu)于ER8 材質(zhì)車(chē)輪；ER8C 材質(zhì)車(chē)輪疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值比ER8 材質(zhì)車(chē)輪低17%，即ER8C 材質(zhì)車(chē)輪抑制裂紋擴(kuò)展的能力弱于ER8 材質(zhì)車(chē)輪；兩種材質(zhì)車(chē)輪在裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展之后，裂紋擴(kuò)展速度相當(dāng).

4） 在鏇輪周期內(nèi)，ER8C 材質(zhì)車(chē)輪踏面垂直磨耗速率略大于ER8 材質(zhì)車(chē)輪.

綜上，由于ER8C 相比ER8 材質(zhì)車(chē)輪合金化程度更高，晶粒更細(xì)小，表現(xiàn)出強(qiáng)度、韌性以及輪輞和幅板的疲勞極限均高于ER8 材質(zhì)車(chē)輪，兩材質(zhì)車(chē)輪硬度和裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng)；ER8C 材質(zhì)車(chē)輪阻止裂紋產(chǎn)生的能力優(yōu)于ER8 材質(zhì)車(chē)輪，如果產(chǎn)生裂紋，且裂紋尺寸相同，ER8C 材質(zhì)車(chē)輪阻止裂紋擴(kuò)展的能力弱于ER8 材質(zhì)車(chē)輪；服役過(guò)程中ER8C 材質(zhì)車(chē)輪踏面垂直磨耗速率略大于ER8 材質(zhì)車(chē)輪，兩者均處于材料的脆性使用區(qū)域.