周 亮,郭立昌,丁昊昊,王文健,劉啟躍

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

作為保障列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)部件，列車車輪在為車輛提供支撐、導(dǎo)向和傳遞動(dòng)力等方面發(fā)揮著不可替代的作用.隨著列車運(yùn)行速度與軸重的增加，車輪材料磨損與滾動(dòng)接觸疲勞損傷問題變得日益突出，成為車輪材料失效的主要誘因[1-2].

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)列車車輪材料的磨損與滾動(dòng)接觸疲勞行為展開了大量研究.在通過曲線段時(shí)，車輪輪緣磨損較為嚴(yán)重[3].線路不平順或局部缺陷將會(huì)誘發(fā)車輪的不圓磨耗[4]，從而影響乘坐舒適性與列車運(yùn)行安全.此外，列車頻繁制動(dòng)會(huì)加劇車輪材料的熱疲勞損傷[5].車輪滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致踏面剝離和車輪斷裂等問題[6].Franklin等[7]認(rèn)為在滾滑載荷作用下剪切應(yīng)變?cè)诓牧蟽?nèi)部逐步累積，達(dá)到材料變形極限后裂紋萌生.Garnham等[8]發(fā)現(xiàn)車輪材料中的先共析鐵素體會(huì)累積更高的剪切應(yīng)變，其塑性率先耗盡而萌生微裂紋.Hu等[9]發(fā)現(xiàn)車輪材料組織在失效前會(huì)發(fā)生顯著細(xì)化，并利用電子背散射衍射(EBSD)和透射電鏡(TEM)等研究了車輪表層材料的組織演變過程.此外，許多學(xué)者也研究了軸重[10]、運(yùn)行速度[11]和滑差[12]等接觸參數(shù)對(duì)車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞損傷的影響.

作為運(yùn)行在開放環(huán)境中的部件，車輪材料的服役行為還將受到環(huán)境溫度的影響.馬蕾等[13-14]對(duì)車輪材料在低溫環(huán)境下的磨損行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，輪軌間摩擦系數(shù)與車輪磨損量相對(duì)于室溫環(huán)境明顯上升.但文獻(xiàn)[15]認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步降至-35 ℃時(shí)，車輪磨損量將低于室溫水平.溫度下降會(huì)降低車輪材料的沖擊韌性與斷裂韌性，嚴(yán)重威脅車輪的疲勞壽命[16-17].Fang等[18]通過拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：我國(guó)高鐵上常用的ER8C車輪鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-20 ℃以上，這不能滿足高寒地區(qū)冬季最低溫度的需要(低于-40 ℃).車輪材料在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下發(fā)生疲勞失效時(shí)，斷面呈現(xiàn)典型的解理斷裂特征[19]，這表明車輪材料性能在服役前已經(jīng)發(fā)生了顯著改變.低溫環(huán)境下材料的疲勞性能成為影響車輪材料安全服役的關(guān)鍵因素，因此十分有必要開展低溫環(huán)境下車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞行為的研究.然而目前對(duì)車輪材料接觸疲勞損傷的研究通常是在室溫下進(jìn)行的，難以對(duì)低溫下車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)制的形成提供合理的解釋.

本文中利用低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)與輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)首先開展列車車輪材料在室溫(20 ℃)與-40 ℃工況下的滾動(dòng)磨損試驗(yàn)，研究了室溫與-40 ℃工況下車輪材料磨損與滾動(dòng)接觸疲勞行為.然后在-40 ℃工況下開展不同循環(huán)次數(shù)的滾動(dòng)磨損試驗(yàn)，對(duì)-40 ℃溫度下車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行討論.研究結(jié)果可為列車車輪材料在低溫環(huán)境下的安全服役起到理論指導(dǎo)作用.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中選用的材料為ER7車輪和U71Mn鋼軌，輪軌試樣的取樣位置及外形尺寸如圖1(a)所示，輪軌試樣均加工成直徑為40 mm的圓盤狀，其中，車輪試樣寬度為5 mm.車輪與鋼軌材料的微觀組織分別如圖1(b)和圖1(c)所示.車輪材料為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體組織，鋼軌材料為珠光體和少量鐵素體組織.車輪和鋼軌材料的化學(xué)成分與維氏硬度列于表1中.車輪材料硬度(274.8 HV0.5)低于鋼軌材料硬度(292.8 HV0.5).

表1 輪軌材料化學(xué)成分與硬度Table 1 Chemical compositions of rail and wheel materials (mass fraction) and hardness

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)均在帶有低溫環(huán)境模擬裝置的WR-1輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)與低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.輪軌試樣分別安裝在試驗(yàn)機(jī)的上、下軸，并由1臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng).調(diào)節(jié)加載彈簧的壓縮量可以對(duì)輪軌界面施加不同法向力.通過載荷傳感器(LC-7，精度：3‰)測(cè)量法向力并反饋給計(jì)算機(jī)時(shí)顯示.下軸安裝有扭矩傳感器(TQ660，0～±20 N·m)，切向力根據(jù)扭矩和試樣半徑計(jì)算得出.低溫環(huán)境模擬裝置由制冷系統(tǒng)和低溫環(huán)境腔組成，制冷系統(tǒng)由兩級(jí)壓縮機(jī)組成，可為環(huán)境腔內(nèi)提供-60 ℃的制冷介質(zhì).PID溫度控制器用于控制加熱器的加熱時(shí)間，使環(huán)境腔內(nèi)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值.通過安裝在環(huán)境腔內(nèi)的溫濕度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔內(nèi)溫度和相對(duì)濕度.

Fig.1 Sampling positions and dimensions of wheel and rail rollers and microstructures of wheel and rail materials圖1 輪軌試樣尺寸、取樣位置及材料微觀組織

Fig.2 The schematic diagram of wheel-rail test apparatus and low temperature simulation system圖2 輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)與低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)示意圖

本試驗(yàn)中，車輪試樣和鋼軌試樣的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為195.24和200 r/min，對(duì)應(yīng)的輪軌滑差為2.38%.加載力為1 060 N (輪軌最大赫茲接觸應(yīng)力為860 MPa，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)軸重14 t).本試驗(yàn)中首先在室溫(約20 ℃)與-40 ℃溫度下進(jìn)行60 000次循環(huán)輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)，研究室溫與-40 ℃溫度下車輪材料的磨損與損傷行為；然后在-40 ℃下分別進(jìn)行5 000、25 000、60 000和150 000 次循環(huán)輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn).在雙盤對(duì)滾試驗(yàn)中，輪軌材料磨損與損傷行為需要經(jīng)過約20 000次循環(huán)方可進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)[20].因此，在本試驗(yàn)中，選擇循環(huán)次數(shù)分別為5 000 (早期狀態(tài))、25 000 (達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))、60 000和150 000 (最終穩(wěn)定狀態(tài))時(shí)研究低溫下列車車輪材料磨損與滾動(dòng)接觸疲勞損傷的演變過程，所有試驗(yàn)均重復(fù)1次.

利用電子天平(JA4103，精度：0.000 1g)分別測(cè)量車輪試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量，試驗(yàn)前后質(zhì)量差即為車輪磨損量；利用顯微維氏硬度儀(MVK-H21，Japan)測(cè)試樣品表面和亞表層硬度；利用光學(xué)顯微鏡(OM，KEYENCE VHX-6 000，Japan)和掃描電鏡(SEM，Phenom Pro-SE，Netherlands)觀察試樣表面磨損形貌以及剖面裂紋形貌；利用X射線能譜儀(EDS，OXFROD X-Max 80)測(cè)試試驗(yàn)后磨損表面的元素分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 室溫與-40 ℃下車輪材料滾動(dòng)磨損與損傷行為

圖3所示為室溫與-40 ℃溫度下輪軌摩擦系數(shù)、車輪磨損率(單位滾動(dòng)距離上質(zhì)量損失，單位μg/m)和表面硬度.在試驗(yàn)初期，-40 ℃下(黑色曲線)摩擦系數(shù)較室溫下(紅色曲線)高，隨循環(huán)次數(shù)增加，逐漸下降并最終與室溫下摩擦系數(shù)保持一致[圖3(a)].-40 ℃下初期較高的摩擦系數(shù)與低溫環(huán)境的低濕度有關(guān)[13-14]，而后期摩擦系數(shù)的下降則與輪軌表面磨損形貌有關(guān).-40 ℃下車輪試樣磨損率低于室溫下磨損率[圖3(b)].此外，溫度的降低將加速車輪表層材料硬化，-40 ℃下車輪表面硬度(752.7 HV0.5)與硬化率(1.715)明顯分別高于室溫工況下的表面硬度(541.4 HV0.5)與硬化率(0.97)[圖3(c)].

Fig.3 Friction coefficient,wear rates,surface hardness and hardening ratio of wheel rollers at room temperature and -40 ℃圖3 室溫與-40 ℃工況下輪軌摩擦系數(shù)、車輪試樣磨損率與磨后表面硬度和硬化率

Fig.4 OM and SEM micrographs of surface and subsurface damages of wheel rollers at room temperature and -40 ℃圖4 室溫與-40 ℃工況下車輪試樣表面與亞表面損傷形貌的光學(xué)顯微鏡及SEM照片

圖4所示為室溫與-40 ℃試驗(yàn)后車輪試樣表面與亞表面損傷形貌的光學(xué)顯微鏡及SEM照片，可以看出，在室溫下，表面損傷的形貌主要以嚴(yán)重起皮為主，亞表面損傷則以細(xì)長(zhǎng)型裂紋為主.-40 ℃工況下，車輪表面損傷的形貌以輕微接觸疲勞裂紋為主，剖面的SEM照片顯示車輪亞表面損傷以形貌復(fù)雜且數(shù)量較多的短小裂紋為主.

從以上結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度明顯影響車輪材料的磨損與損傷行為，溫度的下降降低了車輪材料磨損率[圖3(b)].從車輪試樣剖面可以看出，-40 ℃下車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞裂紋形貌更為復(fù)雜(圖4).為揭示-40 ℃下車輪材料磨損與損傷形成過程，非常有必要研究不同循環(huán)次數(shù)下車輪試樣的磨損與滾動(dòng)接觸疲勞損傷演變行為.

2.2 -40 ℃下車輪材料磨損與損傷演變行為

2.2.1 磨損與表面損傷

Application of waterscape in small-scale space landscape design

圖5給出了-40 ℃下車輪試樣磨損率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，可以看出，在5 000次循環(huán)時(shí)車輪磨損率為28.5 μg/m.隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪試樣磨損率逐漸增加，并在60 000次循環(huán)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定.圖6所示為-40 ℃工況下不同循環(huán)次數(shù)后輪軌試樣的表面損傷形貌的SEM照片.可以看出，5 000次循環(huán)后，車輪試樣表面以小尺寸剝落為主，25 000次循環(huán)后，車輪表面可觀察到明顯的疲勞裂紋，并且隨循環(huán)次數(shù)增加，表面裂紋的尺寸和密度均增加，5 000次循環(huán)后，鋼軌試樣表面即可觀察到大面積的摩擦膜.

Fig.5 Wear rates and of wheel rollers at -40 ℃ as a function of number of cycles圖5 -40 ℃下車輪試樣磨損率隨循環(huán)次數(shù)變化

利用EDS測(cè)試了-40 ℃下圖6中A、B兩點(diǎn)處元素分布，結(jié)果如圖7所示.可以看出，摩擦膜處主要為O和Fe元素，原子占比分別為43.9%和42.7%，這說明摩擦膜中主要為鐵的氧化物.干態(tài)下，輪軌界面生成的氧化物主要為FeO、Fe3O4和Fe2O3[21].文獻(xiàn)[22]認(rèn)為低溫條件下(-40 ℃)輪軌界面處的氧化物為Fe和Fe2O3的混合物，同時(shí)，Lyu等[15]通過EDS證實(shí)了類似的黑色氧化物為Fe2O3.在本研究中，F(xiàn)e和O的原子比約為1:1，大于Fe2O3中Fe和O的原子比，因此，摩擦膜主要為Fe和Fe2O3的混合物.

2.2.2 材料硬化與塑性變形

Fig.6 The worn surface morphologies of wheel and rail rollers with number of cycles at -40 ℃圖6 -40 ℃工況下車輪與鋼軌試樣表面形貌隨循環(huán)次數(shù)變化情況

Fig.7 EDS detection of rail worn surfaces and atomic ratios at -40 ℃ for 60 000 cycles圖7 EDS測(cè)試-40 ℃工況下60 000次循環(huán)后鋼軌表面元素分布

Fig.8 Surface hardness,hardening ratio and hardness profiles as a function of distance of wheel rollers at -40 ℃圖8 -40 ℃下車輪試樣表面硬度、硬化率與剖面硬度分布曲線

圖8(a)給出了試驗(yàn)后車輪表面硬度與硬化率(試驗(yàn)后車輪表面硬度增加量與初始硬度之比)隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系.可以看出，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪表面硬度與硬化率先迅速增加后緩慢增加.圖8(b)所示為車輪試樣的剖面硬度分布情況.可以看出，車輪材料的硬度值隨深度增加而逐漸減小，直至接近基體硬度.此外，在相同深度下，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪試樣剖面硬度逐漸增大.

-40 ℃工況時(shí)車輪試樣不同循環(huán)次數(shù)下亞表層材料塑性變形如圖9所示，在5 000次循環(huán)后，塑性變形層深度約224 μm.在距表面約0 μm處，珠光體組織變形嚴(yán)重，先共析鐵素體細(xì)化為線狀[圖9(a)]，此外，靠近表面的變形鐵素體與滾動(dòng)方向具有小角度.當(dāng)深度增至100 μm時(shí)，組織變形輕微，鐵素體變形明顯.當(dāng)深度進(jìn)一步增至200 μm，車輪材料組織變形非常輕微.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為25 000時(shí)[圖9(b)]，塑性變形層深度約351 μm，靠近表面的車輪組織塑性變形非常嚴(yán)重，珠光體組織完全變形破碎，先共析鐵素體細(xì)化為短棒狀，靠近表面的變形鐵素體與滾動(dòng)方向幾乎平行.在100 μm深度處，鐵素體細(xì)化為線狀；當(dāng)深度增至300 μm時(shí)方可見變形輕微的鐵素體.當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到60 000和150 000后，組織變形行為與25 000次循環(huán)后大致相似，此外，車輪材料組織塑性變形有輕微增加，塑性變形層深度分別為375和384 μm[圖9(c)和(d)].

2.2.3 滾動(dòng)接觸疲勞損傷

圖10所示為車輪材料剖面損傷形貌的SEM照片，圖11則給出了剖面裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果.可以看出，在循環(huán)早期(5 000次循環(huán))，車輪材料損傷輕微，萌生的短小狀裂紋(約55 μm)通常折向表面，并形成小尺寸剝落坑[圖10(a)].當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于25 000時(shí)，可以在車輪試樣上觀察到大量的亞表層裂紋，亞表層裂紋將與相鄰裂紋匯合，從而加速裂紋擴(kuò)展，因此，可以觀察到細(xì)長(zhǎng)型裂紋[圖10(b)]，此時(shí)裂紋夾角較小，主要沿著平行于滾動(dòng)方向進(jìn)行擴(kuò)展.當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到60 000和150 000后，裂紋形貌與25 000次循環(huán)后大致相似.此時(shí)，裂紋長(zhǎng)度有輕微下降，但裂紋深度與裂紋密度均增大(圖11).

Fig.9 The microstructure evolution of wheel rollers at -40 ℃ in different depth圖9 -40 ℃下車輪試樣不同循環(huán)次數(shù)下剖面不同深度處塑性變形

Fig.10 OM and SEM micrograph of subsurface cracks of wheel rollers at -40 ℃圖10 -40 ℃下不同循環(huán)次數(shù)車輪剖面損傷形貌

Fig.11 The size statistics of fatigue cracks on wheel rollers at -40 ℃圖11 -40 ℃工況下車輪試樣疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果

室溫下60 000次循環(huán)試驗(yàn)后，車輪材料表層先共析鐵素體組織沿著切應(yīng)力方向變形且細(xì)化為線狀.鐵素體晶粒將比珠光體累積更高的塑性應(yīng)變并率先耗盡[8-9,26].因此，在室溫下試驗(yàn)后，裂紋沿著變形后的鐵素體線萌生和擴(kuò)展并形成細(xì)長(zhǎng)型裂紋(圖4).而在-40 ℃下60 000次循環(huán)試驗(yàn)后，車輪材料在亞表層萌生的裂紋數(shù)量較室溫下多(圖10)，并且亞表層裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度(平均377 μm，最長(zhǎng)687 μm)較室溫下長(zhǎng)(平均330 μm，最長(zhǎng)445 μm).試驗(yàn)后車輪材料先共析鐵素體變形和細(xì)化程度與低溫下力學(xué)性能變化是導(dǎo)致室溫與-40 ℃下車輪材料裂紋萌生與擴(kuò)展行為差異的主要原因.由于-40 ℃下試驗(yàn)后車輪試樣磨損率較低[圖3(b)]，車輪材料表層鐵素體晶粒完全破碎并細(xì)化為大量短棒狀[圖9(b)、(c)和(d)].鐵素內(nèi)晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與纏結(jié)會(huì)導(dǎo)致局部材料形成空腔[27]，空腔的擴(kuò)展和相互匯合使鐵素體顆粒內(nèi)部萌生出微裂紋，因此，-40 ℃下車輪材料在亞表層處萌生出大量次表層裂紋(圖10).滾滑接觸條件下，車輪表層材料硬度由于位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化而顯著上升[圖8(a)]，-40 ℃試驗(yàn)后車輪表層材料的加工硬化率[圖3(c)]和組織變形(圖9)較室溫下高.大變形晶粒更有利于裂紋擴(kuò)展[8,28]，此外，環(huán)境腔內(nèi)溫度(-40 ℃)低于車輪材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)(約-15～-20 ℃)，車輪材料強(qiáng)度增加而韌塑性顯著下降，疲勞裂紋擴(kuò)展速率在珠光體內(nèi)增大[29].因此，-40 ℃下試驗(yàn)后車輪材料亞表層裂紋萌生后將迅速擴(kuò)展，從而使-40 ℃下車輪材料亞表層裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度(見圖11)較室溫下長(zhǎng).

-40 ℃工況下車輪材料磨損與滾動(dòng)接觸疲勞損傷形成具有明顯的演化特征.在磨損初期，輪軌界面發(fā)生顯著材料轉(zhuǎn)移并在輪軌界面形成穩(wěn)定的摩擦膜(圖6)，摩擦膜降低了車輪材料的磨損率.由于磨損率低，車輪表層材料在滾動(dòng)載荷作用下持續(xù)累積塑性變形.在磨損后期，累積了高塑性變形的車輪材料將促進(jìn)裂紋萌生，因此在車輪試樣亞表層形成大量裂紋，這些亞表層裂紋相互匯合，從而加速疲勞裂紋擴(kuò)展.總體來說，低溫環(huán)境下，車輪試樣磨損下降，表面損傷較為輕微，但材料亞表層損傷嚴(yán)重，裂紋在車輪材料亞表層處萌生與擴(kuò)展，將嚴(yán)重影響高寒地區(qū)車輪服役安全性.

3 結(jié)論

a.溫度對(duì)車輪材料的磨損和損傷機(jī)制有明顯影響.與室溫相比，-40 ℃時(shí)車輪材料磨損率降低，表面硬化率上升.室溫時(shí)，車輪表面起皮嚴(yán)重，磨損機(jī)制為疲勞磨損，在-40 ℃時(shí)，車輪表面疲勞磨損明顯減輕.

b.-40 ℃下，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪材料磨損率、表面硬度與硬化率先迅速增加后緩慢增加，在60 000次后達(dá)到穩(wěn)定.早期車輪試樣表面以小尺寸剝落為主，達(dá)到25 000次循環(huán)后車輪表面可觀察到明顯的疲勞裂紋，且隨循環(huán)次數(shù)增加，表面裂紋尺寸和密度均增加.

c.-40 ℃下，滾動(dòng)接觸疲勞裂紋在車輪材料亞表層處萌生并沿著滾動(dòng)方向擴(kuò)展.亞表層處萌生的微裂紋相互匯合將加速裂紋擴(kuò)展.隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪材料裂紋長(zhǎng)度先增大后輕微減小，但裂紋深度與裂紋密度均呈增加趨勢(shì).