朱振宇，王清遠(yuǎn)，2，戴光澤，朱一林

1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；3.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500

引言

高速鐵路為人們提供了高效、便捷的交通運(yùn)輸服務(wù)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。目前，國(guó)際上高速鐵路車輪材料主要是中高碳鋼，結(jié)構(gòu)為鐵素體和珠光體組織[1-2]。珠光體車輪鋼被廣泛使用的原因有兩個(gè)方面，一方面，其具有良好的抗磨損和適度的延展性[3-5]，另一方面，便于通過(guò)熱處理對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整?？紤]到車輪復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性以及輪輞噴淋等特殊的熱處理工藝，對(duì)車輪不同結(jié)構(gòu)位置的性能要求有明顯不同：相較于輪輻，輪輞需要更高的強(qiáng)度[6]。運(yùn)行結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的，這是由其自身特殊的幾何形狀和復(fù)雜的載荷條件決定的。近年來(lái)，隨著中國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，車輪損傷引起了鐵路運(yùn)營(yíng)和科學(xué)研究等領(lǐng)域的共同關(guān)注。在高速條件下，如果車輪發(fā)生不可控的損傷甚至斷裂失效，將嚴(yán)重危及高速列車行駛安全和社會(huì)公共安全，因此，關(guān)于車輪多失效方式的研究意義重大。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外高速車輪主要失效方式的研究成果進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)并歸納了不同環(huán)境、載荷邊界等條件對(duì)踏面磨損、滾動(dòng)接觸疲勞、亞表面疲勞及疲勞裂紋的擴(kuò)展等主要損傷形式的影響，評(píng)述不同損傷形式背后的機(jī)理性原因，為車輪成型設(shè)計(jì)、安全評(píng)估提供重要的理論支撐。

1 高速車輪的主要失效形式

隨著鐵路逐步向著重載和高速的運(yùn)輸特點(diǎn)發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性更加重要地體現(xiàn)在輪軌接觸問(wèn)題上[7]。輪軌接觸問(wèn)題，在科學(xué)上的突破是在1880 年，Heinrich 提出了彈性接觸理論，隨后科學(xué)家們將這個(gè)理論應(yīng)用到了鐵路運(yùn)輸?shù)墓こ虇?wèn)題上來(lái)[8]。關(guān)于機(jī)車輪軌滾動(dòng)接觸問(wèn)題的研究最早在1926 年就開始了，Carter 提出一個(gè)二維的滾動(dòng)接觸的理論模型[9]，該模型如今在分析輪軌間的牽引力時(shí)同樣適用。1947 年，Lundberg 和Palmgren 提出滾動(dòng)接觸基本原理[10]。車輪是按照無(wú)壽命限制的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但是，輪軌的接觸實(shí)際上卻會(huì)帶來(lái)不可預(yù)見性的復(fù)雜的車輪損傷現(xiàn)象[11]。

目前，車輪鋼材料面臨困難和挑戰(zhàn)，從材料上講，廣泛使用的珠光體車輪鋼隨著鐵路運(yùn)輸不斷提速以及軸重的增加，已不能滿足日益提高的滾動(dòng)接觸磨損以及抗疲勞的性能需求[12-13]。在熱處理時(shí)，由于冷卻速度超過(guò)了珠光體形成的速率，導(dǎo)致非珠光體組織不可避免地出現(xiàn)在輪輞淬火層的亞表面位置，這一層組織硬而脆，影響了整個(gè)輪輞內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的均勻性和一致性。Zeng 等對(duì)輪輞的淬透性進(jìn)行了研究，并且試圖增加輪輞內(nèi)珠光體形成的臨界冷卻速率，減少由于熱處理的不充分而形成的這一層非珠光體組織的厚度[14]。從運(yùn)行環(huán)境條件上講，對(duì)于鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾獦?gòu)件，車輪的服役問(wèn)題是極其復(fù)雜的，這主要基于實(shí)際運(yùn)行中車輪載荷出現(xiàn)極大的隨意性[15]，常常受到牽引、制動(dòng)、振動(dòng)、滑移及環(huán)境問(wèn)題等影響[16]，滾動(dòng)接觸力復(fù)合摩擦力引發(fā)車輪磨損；垂直力、橫向力、切向力的存在致使載荷大小與方向的反復(fù)變化，引發(fā)車輪材料的屈服和疲勞；牽引和制動(dòng)促使車輪滑動(dòng)引發(fā)車輪故障以及車輪局部相變和熱裂紋的出現(xiàn)[17]。這就要求車輪材料的強(qiáng)度和韌度達(dá)到一個(gè)良好的平衡[14]。

關(guān)于車輪的損傷，已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。輪軌間的最主要的損傷方式就是磨損和疲勞[18-20]。磨損降低了車輪使用壽命，增加了檢修和運(yùn)行成本；疲勞會(huì)引發(fā)車輪突發(fā)性的裂紋、斷裂[14]。從摩擦學(xué)的角度來(lái)看，輪軌接觸是一個(gè)開放性的系統(tǒng)問(wèn)題，與設(shè)計(jì)特點(diǎn)和環(huán)境條件決定，不同的磨損機(jī)理取決于實(shí)際載荷、滑動(dòng)以及潤(rùn)滑（周圍環(huán)境引起的）作用。從固體力學(xué)的角度考慮，如果車輪受到循環(huán)載荷，在接觸面和亞表面直接產(chǎn)生應(yīng)力作用，進(jìn)而在相應(yīng)位置誘發(fā)塑性形變以及塑性安定，引發(fā)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展[21]。不同的損傷機(jī)理導(dǎo)致車輪出現(xiàn)不同的損傷形貌；在踏面或者亞表面位置萌生疲勞裂紋，引發(fā)踏面剝離和層裂；材料顯微狀態(tài)下出現(xiàn)織構(gòu)，這與材料的塑性形變息息相關(guān)，從而導(dǎo)致車輪失圓、多邊形等問(wèn)題[22-23]。

在實(shí)際運(yùn)行中，兩種踏面接觸損傷存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。踏面及踏面以下很薄的一層組織直接受到苛刻的載荷條件影響，材料內(nèi)部的累積塑性應(yīng)變會(huì)直接導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，如果磨損速率大于裂紋擴(kuò)展速率，那么滾動(dòng)接觸疲勞就可以避免了。研究發(fā)現(xiàn)，在高磨損率下，磨損能夠消除一定的踏面微小裂紋，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[24-27]；但低磨損率的磨損卻降低了輪軌接觸面積，進(jìn)而增加接觸應(yīng)力，加快裂紋增長(zhǎng)速率[20]。需要注意的是，車輪表面或者亞表面的疲勞裂紋比磨損的危害更加嚴(yán)重，因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展將會(huì)大大破壞車輪的整體結(jié)構(gòu)，令運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生更大的振動(dòng)，牽引力被迫提高，這就使車輪進(jìn)入不穩(wěn)定的損傷過(guò)程。磨損和滾動(dòng)接觸疲勞是一對(duì)復(fù)雜的損傷過(guò)程，車輪鋼在理想條件下，應(yīng)該能夠減緩由表面高塑性應(yīng)變引起的表面微裂紋的擴(kuò)展，并且能夠允許少量的磨損，來(lái)達(dá)到踏面自我凈化的作用。在材料性能與車輪損傷的關(guān)系上，Constable 等指出硬度反映了材料的抗磨損能力，而材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度與抵抗疲勞的能力有關(guān)[28]；片層狀的珠光體利于將表面萌生的裂紋沿著車輪近表面位置的周向方向擴(kuò)展，磨損能夠消除這種裂紋形式的影響，但這種組織結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生塑性形變，相對(duì)而言，這就減少了裂紋萌生和擴(kuò)展的能量臨界值[29]。

造成車輪損傷的直接原因就是熱載荷。在制動(dòng)條件下，踏面、輪輞及輪輻在車輪徑向上形成不同的溫度梯度，熱應(yīng)力直接引起不同位置和不同程度的磨損、疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展[30-31]。并且，車輪在接觸應(yīng)力、摩擦、塑性形變和疲勞的影響下易于造成二次損傷[32]。

2 車輪的磨損

磨損屬于表面接觸問(wèn)題，踏面或輪緣上的磨損往往有熱、力及熱力復(fù)合作用3 種類型[33]，再加上氣候環(huán)境因素，例如雨、雪、潮濕及風(fēng)沙等，促進(jìn)了車輪的磨損，也就不可避免地需要考慮接觸表面的諸多因素對(duì)摩擦系數(shù)和磨損影響。

在車輪載荷條件對(duì)磨損行為方面，Ding 等在研究車輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)車輪的磨損時(shí)發(fā)現(xiàn)，軌道表面硬度增加，但增速減慢，以致于輪軌接觸面的硬度比降低，車輪的磨耗量加大，滾動(dòng)接觸疲勞的影響降低，黏著磨損明顯，磨損顆粒的尺寸相應(yīng)減小[34]，由磨粒磨損向氧化磨損轉(zhuǎn)變[35]；重載工況下，輪軌磨損量較高，車輪損傷主要以磨損的方式存在，同時(shí)抑制了踏面萌生裂紋的擴(kuò)展[36-37]；磨損深度隨著載荷頻率的增加而增大，踏面磨痕形貌的差異卻不大[38]。輪軌間的黏著力最大的作用就是增大了接觸面之間的橫向和切向作用力[39]，在這種復(fù)合作用力的影響下，塑性形變和磨損主要出現(xiàn)在踏面輪軌接觸區(qū)域的兩側(cè)相對(duì)滑動(dòng)位移較大的位置[40]。輪軌間摩擦系數(shù)對(duì)輪軌間的黏著力影響巨大，輪軌系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，不可避免地受到環(huán)境的影響，圖1給出了常見的不同環(huán)境條件下輪軌間摩擦系數(shù)[39]，增加表面粗糙度或者氧化層厚度，都會(huì)增加磨損程度，尤其是在潮濕環(huán)境下[41]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，輪軌相對(duì)濕度較大的時(shí)候，濕度對(duì)輪軌間摩擦系數(shù)變化不大；反之，相對(duì)濕度較低的時(shí)候，隨著濕度的增加摩擦系數(shù)明顯降低，但踏面上的金屬氧化物卻減緩了摩擦系數(shù)的減小速度[39]。

圖1 在不同環(huán)境條件下測(cè)定的摩擦系數(shù)[39]Fig.1 Friction coefficient measured in the field under different conditions

對(duì)近踏面位置材料織構(gòu)形變的研究發(fā)現(xiàn)，隨著剪切力的增加，車輪表面硬度增加，亞表面的塑性流變層誘發(fā)硬化趨勢(shì)明顯（圖2），磨損損耗加大，并且，塑性流變織構(gòu)方向逐漸平行于磨損表面[42]。對(duì)踏面磨損區(qū)域仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，有粗糙的磨損劃痕以及剝離氧化層的跡象出現(xiàn)（圖3）[43]，該位置磨損氧化層的厚度大致為2～5 μm，同時(shí)，在磨損的亞表面位置已經(jīng)存在有少量的組織形變（圖4）[43]。磨損碎屑主要是雪花狀的金屬屑，隨著剪切力的增加，磨損碎屑會(huì)變得更小更薄，且馬氏體的含量隨之增加[34，44]，成分主要是鐵和鐵的氧化物（Fe2O3,Fe3O4）[42]。

圖2 車輪近表面位置在不同剪切力下的塑性形變[42]Fig.2 Plastic deformation of wheel rollers under different tangential force conditions

圖3 車輪低速滑動(dòng)狀態(tài)下的磨損表面[43]（徑向載荷1 500 MPa，磨損率0.2%）Fig.3 Wheel disc surface running at low slip（Radial load is 1 500 MPa,wear rate is 0.2%）

圖4 車輪低速滑動(dòng)狀態(tài)下平行于滾動(dòng)方向的截面的織構(gòu)特點(diǎn)[43]（徑向載荷1 500 MPa，磨損率0.2%）Fig.4 Section parallel to the rolling direction through the wheel disc running at low slip（Radial load is 1 500 MPa,wear rate is 0.2%）

踏面牽引和制動(dòng)時(shí)，由異常震動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械熱交換作用是造成車輪失圓、粗糙度加大的重要原因[22]，車輪表層的塑性流變是決定磨損過(guò)程的基本因素[45]，切向摩擦力決定了磨損機(jī)制[46]。早在1948 年，針對(duì)鐵路運(yùn)輸制動(dòng)對(duì)車輪踏面造成熱斑的演化規(guī)律的研究就已經(jīng)開始了，認(rèn)為車輪滑動(dòng)摩擦形成的熱斑與材料熱彈性的不穩(wěn)定性有關(guān)[47]，熱彈性的不穩(wěn)定性由踏面溫度擾動(dòng)開始發(fā)生明顯變化的臨界速度來(lái)決定[30]。兩個(gè)滑動(dòng)體之間的接觸應(yīng)力導(dǎo)致局部摩擦生熱，踏面局部位置因此產(chǎn)生熱膨脹，最終形成踏面熱斑；高摩擦生熱速率、大熱膨脹量以及高彈性模量都會(huì)加快熱斑的形成，然而，高熱傳導(dǎo)率以及較高程度的磨損卻會(huì)緩解這一過(guò)程[48]，減緩了踏面材料的熱彈性的不穩(wěn)定性。

3 車輪的疲勞

車輪疲勞主要出現(xiàn)在輪輞位置[49]，疲勞裂紋源主要在表面、亞表面及內(nèi)部3 種不同的位置[50-52]。表面萌生疲勞裂紋的主要機(jī)理是棘輪效應(yīng)，是在大摩擦系數(shù)的載荷下形成的，方向幾乎平行于表面[53-54]。亞表面萌生疲勞裂紋主要是由于材料成分的不均勻性?shī)A雜物和缺陷的存在，導(dǎo)致在亞表面位置出現(xiàn)了剪切應(yīng)力[55]。深層內(nèi)部疲勞裂紋源的形成與亞表面疲勞裂紋源的出現(xiàn)原因是近似的，但是疲勞裂紋源的形核位置越在深度方向上遠(yuǎn)離踏面，疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力較低[40]，危害更大。

3.1 滾動(dòng)接觸疲勞

滾動(dòng)接觸疲勞是最主要的車輪損傷方式，占到了全部車輪損傷的41%[56]。與磨損損傷過(guò)程緩慢、可見并且易于控制不同，滾動(dòng)接觸疲勞往往會(huì)引起輪輞的裂紋和瞬間斷裂，且損傷難以檢測(cè)[40]。

3.1.1 踏面誘發(fā)疲勞裂紋

表面萌生的疲勞裂紋受到很多條件的影響，例如，載荷[57]、滑動(dòng)比[58-59]、接觸條件[60]、摩擦系數(shù)、材料缺陷[55]及材料抵抗磨損和疲勞的能力[61]。在大摩擦系數(shù)（如砂礫）影響下，在車輪踏面上形成的壓痕面缺陷如圖5 所示，研究發(fā)現(xiàn)，面缺陷主要是球形壓痕，這通常是有利的[62]，在引入壓應(yīng)力的同時(shí)，避免了應(yīng)力集中。表面裂紋的萌生和擴(kuò)展主要是受到熱載荷的影響[63]，當(dāng)踏面制動(dòng)的時(shí)候，摩擦生熱造成車輪踏面、輪輞、輪輻在車輪徑向方向上出現(xiàn)明顯的熱量梯度分布，在踏面下的亞表面位置形成殘余拉伸應(yīng)力[64-67]，應(yīng)力不斷循環(huán)、反復(fù)作用促使表面疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，熱載荷是主要的疲勞失效原因[68]，表面裂紋會(huì)沿車輪徑向擴(kuò)展，這種裂紋不僅出現(xiàn)在踏面，在輪緣的底部也會(huì)出現(xiàn)[66]。

圖5 砂礫在車輪踏面上形成的壓痕面缺陷[62]Fig.5 Surface defects caused by gravel indentation on wheel

從組織上看，正常運(yùn)行情況下，輪軌間溫度不會(huì)超過(guò)300°C，但在制動(dòng)或者滑動(dòng)的特殊環(huán)境下，作用面積上的車輪踏面及亞表面會(huì)達(dá)到奧氏體化溫度以上[69]，隨后，由于車輪相對(duì)較大的體積和局部熱影響區(qū)的快速冷卻易形成馬氏體組織[70]。另外，在沖擊載荷下剪切速率的增加依然會(huì)促進(jìn)馬氏體的生成[71]。車輪的制動(dòng)[71-72]和滑動(dòng)[73]易在踏面位置大面積出現(xiàn)馬氏體組織，踏面上局部“熱斑”的出現(xiàn)促進(jìn)了踏面馬氏體和其他熱損傷的形成，馬氏體區(qū)域及周圍的熱影響區(qū)促進(jìn)了疲勞裂紋源的形成，并且在車輪內(nèi)部擴(kuò)展。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由于馬氏體形成區(qū)域的體積膨脹，造成踏面以下局部形成了高殘余拉伸應(yīng)力；另外，在行駛過(guò)程中，馬氏體區(qū)域容易剝落形成車輪扁疤。上述兩方面原因大大促進(jìn)了車輪的二次損傷[74]。

從載荷狀態(tài)上看，在踏面制動(dòng)的同時(shí)，輪軌接觸易受到?jīng)_擊載荷的影響，加上熱應(yīng)力的共同作用形成表面熱裂紋，輪軌接觸面的切向力，以及局部過(guò)熱和快冷導(dǎo)致的塑性形變誘發(fā)殘余拉應(yīng)力的雙重作用，是熱裂紋形成的主要原因[32]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，即使受到剎車閘瓦的熱載荷影響，疲勞裂紋也不會(huì)在踏面輪軌接觸區(qū)域之外的位置出現(xiàn)[32，40]，如圖6所示，這說(shuō)明只有在滾動(dòng)循環(huán)接觸和機(jī)械熱載荷的同時(shí)影響下，踏面熱裂紋才會(huì)出現(xiàn)。踏面熱裂紋是低周高溫疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞混合作用下才會(huì)出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，根本原因是兩種機(jī)械作用下都會(huì)在踏面以下500 μm 區(qū)域產(chǎn)生不同程度和方向的循環(huán)、反復(fù)應(yīng)力作用[21，32]，只有應(yīng)力和應(yīng)力方向的不斷改變才會(huì)促進(jìn)塑性應(yīng)變累積和疲勞裂紋的出現(xiàn)[40]，如圖7 所示[75]。

圖6 車輪踏面受作到用輪下軌的接表觸面和狀剎態(tài)車[閘32]瓦雙重載荷Fig.6 Measurement area of residual stress on the tread surface of wheels

圖7 在車輪踏面位置由熱載荷引發(fā)的疲勞裂紋[75]Fig.7 Fatigue cracks on the wheel tread initiated by thermal loading

從材料織構(gòu)特性來(lái)看，牽引、制動(dòng)及轉(zhuǎn)彎等載荷情況導(dǎo)致接觸面上切向力加大，進(jìn)而表面材料會(huì)出現(xiàn)不同程度的塑性形變，例如，在牽引力作用下的輪軌形變?nèi)鐖D8 所示[62]，車輪近表面的組織逐漸演化成平行于表面的纖維狀層狀結(jié)構(gòu)（圖9）[40]，并且在垂向應(yīng)力和橫向切應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生晶粒細(xì)化，層狀結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)分層[76]。側(cè)向力引起的塑性形變對(duì)材料的流變特性產(chǎn)生了改變，這是滾動(dòng)接觸疲勞的根本性原因[40]。

圖8 車輪在牽引力作用下發(fā)生塑性形變的示意圖[62]Fig.8 Plastic deformation of the surface material in a railway wheel

圖9 車輪表面發(fā)生塑性形變后的表面萌生的裂紋和近表面的織構(gòu)特點(diǎn)[40]Fig.9 Surface initiated cracks and subsurface texture characteristics induced by plastic deformation on wheel surface

如果塑性形變出現(xiàn)在材料織構(gòu)的主位向上，組織結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)明顯的“軋剪”跡象（圖10）[77]，反過(guò)來(lái)，如果材料硬度及殘余應(yīng)力不足夠來(lái)阻止進(jìn)一步的塑性應(yīng)變的累積，裂紋會(huì)最終形成[62，78]。在一個(gè)主剪切應(yīng)力方向作用下出現(xiàn)的疲勞損傷實(shí)質(zhì)上是棘輪效應(yīng)[79]，在牽引或者制動(dòng)兩種方向相反的摩擦作用下出現(xiàn)的損傷，主要是低周疲勞的影響[62]。因此，在車輪滾動(dòng)接觸疲勞過(guò)程中，會(huì)受到棘輪以及低周疲勞雙重?fù)p傷機(jī)制的作用。

圖10 車輪在滾動(dòng)載荷下顯微結(jié)構(gòu)的形變和向內(nèi)部擴(kuò)展的疲勞裂紋[77]Fig.10 Deformed microstructure and fatigue crack propagating inward of wheel in rolling contact

滾動(dòng)接觸疲勞的微裂紋，往往在踏面或亞表面上出現(xiàn)[21]，最終這些裂紋可能會(huì)沿著表面方向繼續(xù)擴(kuò)展，然后剝落，或者在磨損的影響下逐漸消失。然而，研究認(rèn)為，踏面硬度的增加會(huì)促使車輪表層塑性流變層變薄[12]，加劇滾動(dòng)接觸疲勞損傷，主要原因是磨損速率會(huì)隨著踏面硬度增加而降低[27，80]，以及疲勞裂紋擴(kuò)展角度增大，疲勞裂紋傾向于沿著縱向方向擴(kuò)展[81]。在這兩種情況下，磨損不能起到去除疲勞微裂紋而自凈化的作用，疲勞微裂紋反而會(huì)往車輪內(nèi)部更深層擴(kuò)展，帶來(lái)更大的安全隱患。

3.1.2 滾動(dòng)接觸疲勞的裂紋擴(kuò)展

氣候原因或者表面環(huán)境會(huì)促進(jìn)滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的擴(kuò)展[62，82-85]。一方面，表面潤(rùn)滑能夠減少疲勞裂紋的萌生，降低磨損率及摩擦力；但另一方面，在降低裂紋間摩擦力的同時(shí)，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力卻顯著增加了[86]。腐蝕同樣會(huì)加快裂紋的擴(kuò)展，研究發(fā)現(xiàn)在裂紋尖端有腐蝕的跡象[62]。

踏面誘發(fā)的疲勞裂紋與剪切力有直接關(guān)系，表面萌生裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展角度較小，裂紋擴(kuò)展方向與表面摩擦引起的剪切力合力方向垂直。通過(guò)研究疲勞裂紋與織構(gòu)特征的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)車輪的疲勞裂紋在塑性形變區(qū)域內(nèi)沿鐵素體的晶界擴(kuò)展，二次裂紋較少，主裂紋也較小[34]，且隨著剪切力的增加，裂紋方向傾向平行于磨損表面（圖11）[42]，分析認(rèn)為這與踏面及亞表面的塑性形變特性有關(guān)。

圖11 不同切向力作用下車輪軸截面上疲勞裂紋的SEM像[42]Fig.11 SEM micrographs of fatigue cracks on axle section under different tangential forces

但高速鐵路車輪在較大熱量的機(jī)械載荷下，疲勞裂紋往往會(huì)向內(nèi)部擴(kuò)展，并形成明顯的熱影響區(qū)且伴隨織構(gòu)變化，如圖12 所示[87]。另外，溫度升高下的疲勞主裂紋常常伴隨有二次裂紋[88]，主裂紋深度在0.5～5.0 mm 時(shí)二次裂紋形成并轉(zhuǎn)向周向擴(kuò)展（圖13）[77]。疲勞主裂紋的擴(kuò)展方向上出現(xiàn)二次裂紋，會(huì)直接導(dǎo)致踏面大量深淺不一的剝離。

圖12 車輪在較大載荷下的熱影響區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)[87]Fig.12 Thermal affected zone microstructure of wheel under large load

圖13 車輪表面萌生的疲勞裂紋的擴(kuò)展示意圖[77]Fig.13 Schematic representation of propagation of surface initiated fatigue cracks in wheels

出現(xiàn)輪軌接觸下的踏面誘發(fā)疲勞裂紋的直接原因，就是輪軌間滾動(dòng)滑動(dòng)的摩擦作用而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。踏面疲勞裂紋的擴(kuò)展不僅取決于滾動(dòng)接觸載荷，還與材料的低黏度流變特性有關(guān)[89]。在剪切應(yīng)力的影響下促使亞表面區(qū)域產(chǎn)生塑性流動(dòng)應(yīng)變，當(dāng)流變層兩側(cè)的塑性應(yīng)變梯度超過(guò)了材料斷裂應(yīng)變的臨界值，疲勞裂紋開始擴(kuò)展。

3.2 亞表面疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展

基于彈性理論的分析，車輪運(yùn)行中的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在踏面下4～5 mm，然而，實(shí)際情況中亞表面裂紋源卻出現(xiàn)在踏面下4～20 mm[90-94]。分析其主要原因，是因?yàn)橹圃旌瓦\(yùn)行過(guò)程中踏面位置引入的殘余壓應(yīng)力[95]，同時(shí)滾動(dòng)接觸致使踏面硬化[77]，以及在較深位置材料內(nèi)部缺陷的存在[92，96-97]，都會(huì)抑制淺的疲勞裂紋的形成。材料內(nèi)部缺陷越深，對(duì)車輪損傷的程度也就越大。踏面以下大約10 mm 位置，疲勞斷裂的應(yīng)力級(jí)別是很低的，但同時(shí)材料缺陷會(huì)引入很大的應(yīng)力集中，誘發(fā)疲勞源的形核[97]，另外，隨著軸重和運(yùn)行速度的提高，輪軌接觸面積減少[98]，車輪輪輞內(nèi)部萌生裂紋的“臨界夾雜物尺寸”減小，輪輞萌生裂紋的可能性增加[99]。然而，對(duì)已存在踏面剝離的車輪進(jìn)行損傷判定時(shí)，在一些亞表面疲勞裂紋源的位置并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有材料缺陷的存在，這往往是因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展是在壓縮和剪切共同作用下進(jìn)行的，裂紋面會(huì)不斷摩擦，裂紋源位置的材料內(nèi)部缺陷常因此而剝離，尤其是對(duì)于相對(duì)較軟的夾雜物，如MnS[93]等。

疲勞裂紋源在車輪亞表面位置萌生時(shí)，裂紋通常會(huì)沿著車輪徑向方向擴(kuò)展，直到20 mm 深度位置時(shí)裂紋才會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在周向方向上繼續(xù)擴(kuò)展（圖14a）[62]；但是，裂紋在踏面以下5～25 mm 較深的位置上萌生時(shí)，裂紋的擴(kuò)展會(huì)一直保持這個(gè)深度并沿著周向擴(kuò)展（圖14b）[62]。這兩種情況下，疲勞斷裂面都會(huì)出現(xiàn)典型的“河灘條紋”花樣[90]，如圖15所示[82]。

圖14 車輪亞表面疲勞裂紋的形核位置及擴(kuò)展示意圖[62]Fig.14 Typical appearance of subsurface fatigue cracks in wheels

圖15 典型的車輪內(nèi)部缺陷引發(fā)疲勞斷裂的形貌[82]Fig.15 Opening of the natural defect after the end of the rolling contract fatigue test and typical shelling propagation

材料內(nèi)部出現(xiàn)疲勞裂紋，不僅與車輪內(nèi)部的雜質(zhì)、夾雜物、空洞有關(guān)[77，90-91，96，100]，還與接觸面的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。表面摩擦系數(shù)小于0.3[62]或大于0.8[101-102]，或者車輪的側(cè)面有橫向接觸應(yīng)力[90]，疲勞裂紋都會(huì)傾向在亞表面萌生。分析認(rèn)為，表面摩擦系數(shù)過(guò)小或者車輪輪輞存在橫向應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致輪輞材料的塑性流變層向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，而不是駐留在滾動(dòng)接觸面區(qū)域；另外，粗糙接觸面下易引入拉應(yīng)力場(chǎng)[103]，而且是在完全彈性的接觸條件下產(chǎn)生[101-102]，這些原因促使材料內(nèi)部疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

4 結(jié)論

（1）車輪磨損屬于表面接觸問(wèn)題，輪軌間的相對(duì)環(huán)境和載荷邊界條件對(duì)車輪的磨損具有關(guān)鍵性的影響，接觸面上的機(jī)械熱交換作用是造成磨損的直接原因，導(dǎo)致了接觸表面及近表面結(jié)構(gòu)熱彈性的不穩(wěn)定。

（2）車輪疲勞是最主要的車輪損傷方式，源于材料成分的不均勻性（夾雜物、缺陷等）和服役過(guò)程中機(jī)械載荷引起的應(yīng)力大小和方向上的反復(fù)變化，與磨損緩慢的損傷過(guò)程不同，疲勞往往會(huì)引發(fā)車輪表面、內(nèi)部裂紋萌生與瞬間斷裂，且難以探測(cè)。

（3）踏面硬度的增加降低了車輪磨損速率，但過(guò)大的踏面硬度誘導(dǎo)車輪表層塑性流變層明顯變薄，促使疲勞裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展角度增大，反而加劇了車輪滾動(dòng)接觸的疲勞損傷。

（4）車輪踏面接觸損傷-磨損和滾動(dòng)接觸疲勞，是存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的，應(yīng)盡量減緩由表面高塑性應(yīng)變引起的表面微裂紋的擴(kuò)展，并且允許少量的磨損來(lái)起到踏面自我凈化的作用。

（5）學(xué)者們對(duì)目前國(guó)際上成熟的片層珠光體車輪鋼的耐磨性和延展性給予了肯定，但在局部熱應(yīng)力集中的情況下，踏面會(huì)發(fā)生組織相變而帶來(lái)安全隱患。因此，為了使車輪材料的強(qiáng)度和韌度達(dá)到一個(gè)更加優(yōu)良的平衡，需要在車輪的成分及工藝設(shè)計(jì)上做進(jìn)一步突破，包括新型高速車輪鋼的合金化研究、晶粒精準(zhǔn)控制的先進(jìn)冶金技術(shù)以及新型車輪輪形設(shè)計(jì)等；另外，由于環(huán)境和載荷歷程都顯著影響車輪的服役性能，因此，在高速車輪損傷研究領(lǐng)域，需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸工況和復(fù)雜環(huán)境帶來(lái)的流-固耦合問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析；再次，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，如何提高鏇修車輪的再次服役性能是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，該問(wèn)題的解決將顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，提升高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。