高鐵輪軌鋼的發展及高速下的輪軌損傷＊

莫 貝，燕青芝，王 曄

（北京科技大學 材料學院，北京100083）

高速鐵路憑借其安全、運行速度快、運輸能力大、受氣候變化影響小、能耗低、對環境影響小和經濟效益好等優點在現代交通運輸中占有重要的地位。研究結果表明［1］，運行速度超過120 km／h后，列車的動力學條件發生顯著變化，隨著列車運行速度的提高，車輪與鋼軌之間的磨損加劇，并且在高速列車的制動過程中，產生大量的摩擦熱，加劇了車輪和鋼軌因疲勞、剝離等引發的失效問題［2］，給高速列車的安全運行帶來極大的隱患，甚至發生安全事故，同時增加了鐵路檢修成本。現代高鐵對輪軌材料提出了更高的要求，更高的耐磨性以及抵抗熱疲勞和接觸疲勞的性能。

1 國內外高速列車輪軌用鋼的發展

1.1 國內外車輪鋼的發展

早期歐洲各國的高速車輪用鋼普遍采用UIC 812－3標準的R7鋼。R7鋼屬中碳系鐵素體—珠光體鋼，其室溫斷裂韌性為KIC≈75 MPa·m1／2，在－60～－20℃的低溫下，其KIC穩定在60 MPa·m1／2以上。為了進一步提高其斷裂韌性，Valdunes公司對R7鋼的成分進行了調整，碳含量由原來的0.52%降到0.50%以下，Cr的含量由0.25%提到0.30%，并填加少量的Al、Cu合金元素進行強化，S、P含量控制在≤0.020%；經成分調整后，輪輞的室溫斷裂韌性超過85 MPa·m1／2，而抗拉強度由原來的860～940 MPa降低到860～900 MPa，只有輕微降低。目前歐洲國家的車輪鋼主要使用ER7鋼。ER7對S、P等有害元素的控制非常嚴格，其含量遠低于鋼R7［3］。

日本早期高速車輪材料為碳素鋼，牌號為SSW。SSW高速車輪鋼碳含量為0.60%～0.75%，其KIC（0℃）＜50 MPa·m1／2。日本研究者為提高車輪的抗裂損性能，開發了 V2鋼［4］，加入0.18%～0.21%的 V，同時將C含量由原來的約0.65%下降到0.55%，從而使鋼的沖擊韌性和斷裂韌性值顯著提高，也相應提高了車輪鋼抗裂損性能。目前日本高速車輪用鋼大多數選用ISO標準的車輪鋼，其他化學元素和力學性能要求基本和歐洲先前采用的R7鋼相同，主要化學成分要求：C≤0.52%，Si≤0.43%，Mn≤0.95%，P≤0.045%，S≤0.045%。

早期國內車輪鋼是由馬鞍山鋼鐵股份有限公司研發生產的CL60。CL60鋼常溫輻板沖擊功（U型缺口）大于16 J，斷裂韌性為70.52 MPa·m1／2。2000年馬鋼技術中心與西安交通大學聯合研制了用于速度200 km／h列車的微合金化車輪鋼，該鋼種比原鋼種降低了含碳量，增加了合金元素的含量，并使用V進行微合金化［5］。

上述車輪鋼的化學成分及力學性能數據列入表1、表2。

表1 國內外車輪鋼主要化學成分 %

表2 國內外車輪鋼力學性能

比較上述車輪鋼，化學成分上，歐洲添加多種微量元素來進行強化，日本C元素含量較高。有研究表明［6］，當車輪鋼中碳的質量分數在0.4%～0.7%的范圍內變化時，隨著碳含量的增加，車輪鋼的強度和耐磨性能提高，而沖擊韌性及抗冷熱疲勞性能降低。故R7鋼降低碳含量來提高其韌性。對于微量元素在車輪鋼中的作用，崔銀會［7］等人研究表明在高速車輪鋼中加入少量的鉻，可在保持鋼的韌塑性基本不變的情況下，顯著提高鋼的強度和硬度，有助于提高車輪鋼的耐磨性和抗接觸疲勞性能。鉻不僅對基體有固溶強化作用，而且可以細化珠光體片層，這對提高車輪的抗剝離性能有利。

力學性能檢測顯示，R7鋼和CL60鋼的斷裂韌性高于SSW鋼，故R7鋼和CL60鋼的抗脆斷能力更好。CL60鋼的硬度要高于R7鋼和SSW鋼，故CL60在耐磨損性上較R7鋼和SSW鋼表現好。通過對比R7、ER7、SSW、V2、CL60等鋼種，可以總結出國內外高速車輪鋼主要發展趨勢是在保持一定強度的基礎上提高鋼的韌性，其主要方法是在鋼中添加微量元素進行微合金化，提高車輪鋼的清潔度。

1.2 國內外鋼軌鋼的發展

鋼軌按金相組織來分類可以分成：鐵素體加珠光體鋼軌，珠光體鋼軌，索氏體鋼軌，奧氏體鋼軌，貝氏體鋼軌。目前國內外大量使用的是珠光體鋼軌。

由于各種珠光體鋼軌的化學成分和熱處理方式存在差異，故在強度和硬度上有差異。日本高速鐵路采用強度等級為800 MPa的熱軋珠光體鋼軌，其軌面硬度HB大于235。法國、德國以及其他歐洲國家高速鐵路均采用強度等級為880 MPa的UIC 900 A鋼軌。國內大量使用的鋼軌主要鋼種有抗拉強度為880 MPa級的U71 Mn，980 MPa級的 U75 V。U71 Mn鋼軌是C－Mn鋼軌，其含碳量較低，Mn含量較高，韌塑性較好，尤其低溫性能較好，焊接性能優良［8］。U75 V鋼軌是微合金化鋼軌，是在U71 Mn鋼軌基礎上增加了碳、硅含量，添加了微合金元素釩，降低了Mn含量，其硬度、抗拉強度高于U71 Mn鋼軌。

表3 國內外鋼軌鋼主要化學成分 %

表4 國內外鋼軌鋼力學性能

化學成分中，碳對鋼軌鋼的性質影響很大。提高鋼的含碳量，其抗拉強度、耐磨性及硬度均迅速增加。但含碳量過高，也會使鋼軌的伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性顯著下降。碳對鋼軌鋼的影響可以從U75 V抗拉強度大于其他鋼種看出。U75V鋼硅含量也較高，硅易與氧化合，故能去除鋼中氣泡，增加密度，使鋼質更加密實細致，提高鋼的含硅量能提高鋼軌的耐磨性能。U71 Mn鋼種錳含量高，鋼中錳可以提高鋼的強度和韌性，去除有害的氧化鐵和硫夾雜物，增加鋼抗磨性。紀緋緋［9］等研究表明Nb元素既可提高鋼的強度，又可改善鋼的韌性，是一種較理想的合金元素。

研究表明，珠光體鋼的硬度隨著珠光體片層間距的減少和珠光體中滲碳體含量的增加而增加［10］，目前對于珠光體鋼軌的研究主要集中在細化珠光體片層間距以提高強度和硬度，方法主要是合金化、熱處理或二者相結合。在鋼中加入合金元素Si，Mn，Cr，Mo，V等以固溶強化基體，可使CCT曲線向右移動，這就可以在相同冷速下可獲得片間距更加細小的珠光體組織，提高強度，這就是合金化強化［11］。歐洲對合金化鋼軌例如鉻軌、鉻鉬軌的研究比較成熟，這些鋼種不僅有高強度，而且有較好的韌性。熱處理鋼軌是指對鋼軌進行淬火、回火等熱處理后的鋼軌，根據工藝條件可分為離線熱處理鋼軌及在線熱處理鋼軌。

目前世界上新的高強度鋼軌的研發重點主要集中在貝氏體鋼軌上。下貝氏體中碳化物極均勻彌散地分布于鐵素體基體上，電鏡下這些碳化物呈短桿狀，排列整齊，故金相組織為下貝氏體的鋼軌鋼具有良好的綜合性能，可適用于大的沖擊負荷［12］。日本對貝氏體和珠光體鋼軌的綜合性能進行了全面比較，其性能比較見表5。在抗拉強度相同的條件下，珠光體鋼軌要比貝氏體鋼軌更耐磨。貝氏體鋼軌在抗拉強度1 400 MPa下，其耐磨性能與抗拉強度1 300 MPa級熱處理珠光體鋼軌相當，而其滾動接觸疲勞強度比1 300 MPa級熱處理珠光體鋼軌高［13］。

表5 貝氏體鋼軌和珠光體鋼軌的綜合性能［13］

英國設計出一種無碳化物貝氏體的新型鋼軌來解決貝氏體鋼硬度高但耐磨性差這個問題，其化學成分質量分數（%）為Fe—0.4C—1.5Si—2.0 Mn—0.25 Mo。并且采用Si合金化的方法來抑制滲碳體析出，使碳保留在殘余奧氏體內，在室溫下保持殘余奧氏體的穩定性。添加了Mo來阻止P引起的初始奧氏體晶界脆化［14］。這種高硅無碳貝氏體具有很高的耐磨性能和低溫沖擊韌性，滾動接觸疲勞壽命幾乎是珠光體鋼軌的5倍。從上述可以看出目前高鐵鋼軌鋼主要發展趨勢是合金化和熱處理以及研發新型組織的鋼軌例如貝氏體鋼軌。

車輪鋼和軌道鋼的發展是由高鐵服役條件變化所驅動的，其目的就在于減少高速下輪軌的損傷。高速下輪軌的損傷不僅會影響到輪軌的使用，嚴重時會影響到列車行駛安全。

2 高速運行下輪軌的損傷

2.1 磨損

輪軌鋼一般都具有較高的硬度，這是由于硬度是影響輪軌磨損的主要因素。

輪軌磨損一直是輪軌損傷的主要形式，眾多研究者多年來就輪軌材料對輪軌磨損的影響進行了大量的理論和試驗研究。有研究表明［15］磨損是由于輪軌表面氧化物不斷萌生與破裂導致。材料方面影響輪軌磨損的主要因素是硬度、組織、蠕滑率等。Sato等［16］利用雙圓盤滾動試驗機研究了硬度對輪軌材料變形、磨損的影響。其試驗結果表明硬度越高，磨損越小。Perea－Unzueta和J.H.Beynon［17］對4種珠光體鋼軌進行了磨損試驗，調查珠光體鋼軌鋼磨損過程中微觀組織的變化和抗磨損性能。試驗結果表明減小珠光體材料層間距，則材料硬度增大，鋼軌磨損率降低；薄的滲碳體能提高珠光體材料的抗磨損性能。Sato的試驗還表明在同樣硬度條件下，珠光體材料的磨損率比回火馬氏體稍小。Ludger Deters和 Matt hias Proksch［15］通過兩輥模型研究表明在一定范圍內輪軌的磨損率是隨蠕變率線性變化的，磨損不會有太大增長，直到蠕變值超過約0.25%。

2.2 滾動接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue）

對于高速鐵路，疲勞裂紋為其主要的損傷方式。因疲勞裂紋而造成的事故很多，例如英國一列速度為185 km／h的高速列車曾因踏面斜裂紋引起的鋼軌橫向斷裂而脫軌［18］。1998年德國高速列車因車輪疲勞斷裂而脫軌，造成100多人死亡的慘重事故［19］。

滾動接觸疲勞是在一對滾動接觸的接觸副相接觸過程中，由于接觸區的循環力作用，導致材料表面或次表面形成裂紋并發展以至于材料疲勞損傷失效。世界各國對輪軌滾動接觸疲勞的產生機理說法不一，P.E.Bold等［20］認為滾動接觸疲勞是因棘輪效應產生塑性累積變形，最后因累積變形達到材料的韌性極限，導致產生裂紋。J.E.Gar nha m等［21］發現服役鋼軌表面經過多次碾壓使得晶粒破碎細化，硬度升高，產生塑性變形層。D.T.Eadie等［22］認為輪軌表面較高的摩擦力造成材料塑性流動而產生疲勞。S.L.Wong等研究表明裂紋的生長是受影響滾動接觸疲勞的主要參數有效應力強度和重疊的程度控制的［23］。B.Alfredsson和M.Olsson研究不認為裂紋的產生是由于塑性變形，而是產生在由于表明粗糙引起的高應力區域［24－25］。Sato等的研究同時表明：裂紋萌生于表面并沿著塑性流線而不是沿著局部最大拉應力的法向發展；在干態滾滑試驗之后再進行潤滑狀態下滾動或滾滑試驗，裂紋更容易形成和擴展。Kazuyuki Handa等［26］研究發現車輪踏面裂紋萌生的偏好是與軌道接觸的頻率有關的。裂紋在接觸區域以外是不會萌生和發展的，盡管它受到了熱載荷。這說明滾動接觸和循環熱載荷是踏面熱裂紋產生的必要條件。英國史密斯教授通過研究得出了RCF裂紋形成和擴展的W型曲線［27］如圖1所示。

圖1 RCF裂紋的形成和擴展W型曲線

曲線1表示由于嚴重的塑形變形和棘輪作用而造成的裂紋萌生。曲線2表示接觸應力場下的裂紋擴展初期，因液體作用加速，隨后可能因為應力下降而衰落。曲線3表示最后裂紋擴展受組合應力的控制，同時受殘余應力等應力的影響，速度不斷增加并造成斷裂。曲線4（虛線）表示由上述不同機理的疊加形成了復合裂紋擴展速率。

2.3 磨損和疲勞之間的關系

目前很多研究表明磨損與疲勞裂紋損傷表現為相互爭競與制約的耦合關系。王文健［28］等在輪軌模擬試驗機上通過試驗證明鋼軌磨損嚴重時，疲勞裂紋損傷就表現輕微，通過增加磨損率能減輕鋼軌的滾動疲勞損傷，有利于延長鋼軌的疲勞裂紋擴展壽命。鐘雯等［29］研究結果表明，材料硬度越高，磨損量越小，磨損面附近塑性變形層越薄，抗磨損性能越好，但高硬度材料裂紋擴展較深，疲勞損傷嚴重。硬度略低的材料，磨損量大，磨損面附近塑性變形明顯，但由于部分剛萌生的微裂紋被磨去，疲勞損傷較為輕微。英國鐵路研究所利用Amsler試驗機研究了歐洲鐵路鋼軌鋼UIC－860 900A在兩種硬度狀況下滾動接觸疲勞壽命的差別。兩種硬度分別是BHN280（正常硬度）和BHN340（硬化處理過），通過滾動接觸對比試驗，結果顯示硬化后的材料比硬化前的材料疲勞壽命高一個數量級，并且具有較大的摩阻［30］。F letcher和Beynon［31］利用在滾滑磨損試驗機LEROS基礎上發展的SUROS試驗機進行了干態條件下的輪軌材料試樣滾滑試驗，發現試樣滾過少量圈數后表面出現了小裂紋，同時發現滾過大約10 000圈后裂紋擴展速率和表面磨損速率達到平衡，導致深度較淺的穩態裂紋。英國史密斯教授指出了鋼軌磨損與RCF之間的相互作用［27］，輪軌表面特別高的磨損率會阻止裂紋的形成，也就是說磨掉裂紋的速度比裂紋形成的速度快；磨損率降低時，不能阻止裂紋進入彈性接觸應力場，但是裂紋在離開接觸應力場時可能會停止擴展，然后由組合應力推進其發展；磨損率進一步降低時，會導致組合應力將裂紋擴展到軌頭，造成斷裂。由于高速下輪軌滾動接觸疲勞造成的后果更加嚴重，所以在高速下我們可以合理利用磨損來控制滾動接觸疲勞。

3 結束語

高鐵的發展要求高強度高韌性的鋼軌鋼和車輪鋼，微合金化、熱處理是提高鋼性能的途徑。高速度下輪軌接觸區材料的變化是值得探究的，通過研究接觸區材料的變化，可以揭示滾動接觸疲勞的成因，從而找到減輕滾動接觸疲勞的方法。高速下如何利用磨損來控制滾動接觸疲勞是值得探討的問題。

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