軸重對輪軌材料滾動磨損與損傷行為影響

丁昊昊，王文健，郭 俊，劉啟躍，朱旻昊

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所，成都 610031)

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軸重對輪軌材料滾動磨損與損傷行為影響

丁昊昊，王文健，郭 俊，劉啟躍，朱旻昊

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所，成都 610031)

利用WR-1輪軌滾動磨損實驗機研究不同軸重下輪軌材料滾動磨損與損傷性能。結果表明：輪軌試樣磨損率均隨軸重增加呈現線性增加趨勢，且鋼軌試樣磨損率大于車輪試樣磨損率。輪軌試樣硬化率均隨時間呈現先增加后趨于穩定的變化趨勢，輪軌試樣塑變層厚度和硬化率均隨軸重增加而增大，且車輪試樣硬化率大于鋼軌。車輪試樣和鋼軌試樣表面損傷形貌不同，車輪試樣表面表現為垂直于滾動方向的疲勞裂紋，鋼軌試樣表面表現為裂紋和塊狀剝落，輪軌試樣表面損傷均隨軸重增加而更加嚴重；車輪試樣表面裂紋疲勞斷裂和鋼軌試樣表面塊狀剝落形成磨屑，成分主要為Fe2O3和馬氏體，隨軸重增加，磨屑尺寸呈現增大趨勢，但成分與含量無明顯變化。

軸重；輪軌材料；磨損；損傷；疲勞裂紋

輪軌摩擦副是鐵路運輸工具的關鍵部件，列車運行、牽引和制動都需要輪軌間作用力才能實現。隨列車軸重和速度增加，輪軌磨損和疲勞現象也變得更加嚴重[1-4]。車輪踏面和鋼軌表面更容易形成表面剝離、擦傷、壓潰、甚至斷裂等現象，降低了輪軌的安全性能和使用壽命[5-7]。除列車速度、輪軌材料、輪軌幾何外形等因素外，軸重是影響輪軌材料抗磨損性能和抗疲勞性能的關鍵因素[8-11]。多年來，眾多國內外研究人員針對軸重對輪軌材料摩擦磨損性能的影響以及重載情況下輪軌材料的性能進行了大量研究。Grassie等概述了瑞典現場重載鋼軌的滾動接觸疲勞損傷情況，并討論了鋼軌打磨技術對減輕鋼軌疲勞損傷的作用[12]。Clayton在實驗室條件下通過磨損率和接觸應力研究了軸重和輪軌材料磨損率的關系，結果發現軸重越大，材料磨損率越大[13]。王文健等利用MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機，研究了三種不同接觸應力對輪軌材料滾滑摩擦磨損性能的影響，結果發現隨接觸應力增加，車輪試樣和鋼軌試樣磨損率增加，表面損傷更加嚴重[14]。鐘雯利用JD-1輪軌模擬試驗機研究了16，21，25t軸重時，U75V熱軋鋼軌鋼的磨損性能，結果發現軸重越大，鋼軌磨損越嚴重[15]。國內外研究成果大多通過測量磨損量來討論輪軌材料的抗磨損性能，相對缺乏對輪軌材料抗疲勞性能的研究以及從磨屑形貌和成分分析輪軌磨損機制的研究，而車輪和鋼軌上的疲勞裂紋對列車運行安全影響更大[16]，疲勞裂紋是引發車輪輪輞和鋼軌斷裂，導致災難性事故的主要原因。

為進一步了解軸重對輪軌材料抗磨損和抗疲勞性能的影響，利用WR-1輪軌滾動磨損試驗機開展輪軌滾滑實驗，通過輪軌試樣磨損率、硬化率、表面磨痕、裂紋、塑性變形、磨屑等分析軸重對輪軌材料抗磨和抗疲勞性能的影響，研究結果可為認識輪軌損傷機制、優化輪軌材料、提高列車運行安全提供有益的技術指導。

1 實驗材料與方法

實驗在WR-1輪軌滾動磨損實驗機上進行，通過兩個輪形試樣來模擬實際運行中的車輪和鋼軌，上試樣為車輪試樣，下試樣為鋼軌試樣，輪軌試樣最大外直

徑均為40mm，厚度為10mm。實驗采用赫茲模擬準則，即保證實驗室條件下輪軌試樣間平均接觸應力和橢圓形接觸斑長短軸之比與現場工況相同。根據赫茲模擬準則計算得出，鋼軌試樣軸向輪廓為直線，車輪試樣軸向輪廓為半徑14mm的圓弧。輪軌試樣尺寸與取樣位置如圖1所示。

圖1 輪軌試樣尺寸(a)和取樣位置(b)Fig.1 Size(a)and sampling position(b)of wheel/rail specimens

實驗參數：下試樣轉速100r/min，上試樣轉速97.26r/mim，滑差率為2.38%；實驗時間為32h。車輪試樣取自ER9車輪踏面處，鋼軌試樣取自U71Mnk鋼軌軌頭處(圖1(b))，輪軌材料的化學成分和力學性能見表1。實驗模擬五種現場軸重12,16,21,25,30t，根據赫茲模擬準則計算得到實驗機法向加載力分別為90,120,150,180,220N。

表1 輪軌材料化學成分及力學性能

實驗在常溫干態下進行，利用電子分析天平(JA4103)測量實驗前后輪軌試樣質量，計算輪軌試樣磨損率；利用MVK-H21維氏硬度儀測量試樣硬度值；利用OLYMPUS BX60M光學顯微鏡觀測試樣塑性變形和裂紋現象；利用JSM-7001F掃描電子顯微鏡觀測試樣磨損后表面磨痕損傷形貌和磨屑形貌；利用Bruker D8 Discover X射線衍射儀分析磨屑成分。

2 結果與分析

2.1 滾動磨損行為

圖2給出了實驗前輪軌試樣經過濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕過后的微觀組織SEM照片。通過SEM照片可以看出，鋼軌材料主要是由珠光體構成，車輪材料由珠光體和介于珠光體晶界間的鐵素體混合組成，珠光體呈現為鐵素體和滲碳體片層整齊相間結構，車輪中珠光體晶粒普遍小于鋼軌珠光體晶粒，車輪珠光體片層間距小于鋼軌珠光體片層間距。因為鋼軌含碳量約為0.71%(質量分數)，在冷卻過程中幾乎全部形成珠光體組織共析鋼，其中鐵素體和滲碳體片狀平行排列；車輪含碳量相對較小，在冷卻過程中形成珠光體和鐵素體混合的亞共析鋼。鋼軌在熱處理過程中采用噴霧或噴風淬火方式，而車輪采用直接對踏面噴水淬火方式以提高冷卻效率來細化晶粒并使珠光體片層結構更加致密，從而提高車輪踏面硬度。圖3為實驗前測得的輪軌試樣硬度，從圖3中可看出，車輪材料硬度大于鋼軌材料，車輪與鋼軌硬度比約為1.05。

圖2 輪軌試樣微觀組織 (a)鋼軌；(b)車輪Fig.2 Microstructure of wheel/rail specimen (a)rail；(b)wheel

圖3 輪軌試樣硬度Fig.3 The hardness of rail/wheel specimens

圖4為輪軌試樣磨損率(磨損量與滾動距離比值)與軸重和實驗時間的關系。從圖4(a)中看出，相同軸重下，鋼軌試樣磨損率大于車輪試樣，車輪材料耐磨性優于鋼軌材料；車輪和鋼軌的判定系數R2均大于0.98，這說明實驗結束時車輪和鋼軌磨損率隨軸重增加呈現較好的線性增加趨勢。圖4(b)為輪軌試樣磨損率隨實驗時間的變化曲線。車輪磨損率隨時間呈現先增加后減小趨勢，鋼軌磨損率隨時間呈現增加趨勢。

軸重較小時，輪軌試樣磨損率變化趨勢不明顯，軸重越大，輪軌試樣磨損率變化趨勢越明顯。因為在實驗初期，輪軌試樣表面由光滑變得粗糙并開始出現損傷，輪軌試樣摩擦磨損變得嚴重，磨損率增大。隨實驗進行，輪軌試樣表面損傷趨于穩定。同時，圖5(a)為12t時輪軌試樣硬化率(實驗前后材料硬度增加量與原始硬度的比值)隨時間變化曲線，可以看出，實驗穩定后車輪硬化率大于鋼軌硬化率，則輪軌硬度比增大，車輪試樣磨損減輕，鋼軌試樣磨損加重。圖5(b)為輪軌試樣硬化率與軸重的關系，圖6為輪軌硬度比(車輪硬度與鋼軌硬度的比值)隨軸重的變化規律，可以看出，軸重越大，輪軌試樣硬化率越大，車輪試樣硬化率增大趨勢更加明顯(圖5(b))，輪軌硬度比越大(圖6)，則車輪磨損率先增后減趨勢以及鋼軌磨損率增加趨勢都愈加明顯。綜上所述可以發現，試樣硬度與其耐磨性呈正相關性：輪軌摩擦副中硬度較大的試樣磨損率較小，耐磨性能較強；實驗穩定后，輪軌試樣硬度比越大(即相對于鋼軌試樣，車輪試樣硬度越大)，車輪磨損率越小，耐磨性能更強。

圖4 輪軌試樣磨損率與軸重(a)和時間(b)的關系Fig.4 The wear rate change of wheel/rail specimens with axle load(a)and test time(b)

圖5 輪軌試樣硬化率與實驗時間(a)和軸重(b)的關系Fig.5 The hardening rate change of wheel/rail specimens with time(a)and axle load(b)

圖6 輪軌試樣硬度比Fig.6 The hardness ratio of wheel/rail specimens

圖7為輪軌試樣塑性變形OM照片。從圖7可看出，軸重越大，輪軌試樣塑性變形層越厚，車輪塑變層厚度小于鋼軌。塑性變形是輪軌接觸面摩擦力導致表面材料朝摩擦力方向的流動累積，在塑性變形過程中鐵素體質地較軟容易被磨掉(圖7(a)中橢圓虛線內白色物體為車輪材料鐵素體)，因此越靠近試樣表面鐵素

體越少；輪軌材料中珠光體晶體發生流動變形，珠光體內滲碳體破碎，鐵素體減少，塑性變形層表層材料碳含量增加，硬度變大，這種現象被稱為表面加工硬化。圖5(a)表明輪軌試樣硬化率呈現先明顯增加后趨于穩定的變化趨勢，因為在滾滑摩擦實驗初期，表層加工硬化使得輪軌試樣表面硬化率明顯增加，而后試樣表層材料剝落和加工硬化共同作用，當加工硬化速度和材料剝落速度趨于平衡時，輪軌硬化率趨于穩定。圖5(b)表明輪軌試樣硬化率均隨軸重增加呈現增加趨勢，因為軸重越大，輪軌接觸面摩擦力越大，輪軌試樣表層材料塑性變形層越厚(圖7)，加工硬化現象越明顯。實驗前車輪硬度大于鋼軌硬度(圖3)，實驗后車輪試樣硬化率大于鋼軌試樣硬化率(圖5(b))，輪軌硬度比變大(圖6)，因此車輪試樣硬度大于鋼軌試樣硬度，則車輪試樣抗塑性變形的能力越大，塑變層厚度越小。

圖7 輪軌試樣塑性變形OM照片 (a)車輪12t；(b)車輪21t；(c)車輪30t；(d)鋼軌12t；(e)鋼軌21t；(f)鋼軌30tFig.7 OM photographs of plastic deformation of wheel/rail specimens(a)wheel 12t；(b)wheel 21t；(c)wheel 30t；(d)rail 12t；(e)rail 21t；(f)rail 30t

2.2 輪軌試樣表面損傷行為

圖8為輪軌試樣表面損傷SEM照片，圖9為輪軌試樣表面裂紋OM照片。從圖中可看出，車輪試樣和鋼軌試樣表面損傷機制不同。車輪試樣表面損傷形貌主要由垂直于滾動方向的疲勞裂紋組成(圖8(a)，(b)，(c))，且隨軸重增大，疲勞裂紋密度增大，裂紋張開角度變大，從圖9(a),(b)中也可看出相同規律，軸重越大，車輪表面裂紋越大，疲勞現象越明顯。因為輪軌試樣表層材料沿滾動方向發生塑性流動變形，周期性滾滑接觸使塑性變形累積，當應力超過材料屈服極限，車輪表面出現開裂，并在較大法向力和切向力作用下向材料深處發展，最終形成垂直于滾動方向的疲勞裂紋，并且軸重越大疲勞裂紋現象越明顯。同時車輪試樣表面存在點蝕現象，當軸重較小時，點蝕現象不明顯，當軸重較大時(圖8(c))，點蝕現象明顯。鋼軌表面形貌主要由塊狀剝落(圖8(d),(e),(f))和裂紋(圖9(c),(d))組成，鋼軌裂紋萌生于材料表面或亞表面(圖9(c))，表面裂紋以較小角度向內擴展，到達一定深度后裂紋方向折向表面，與表面連通形成試樣表面塊狀剝落(圖9(d))，且軸重越大，裂紋和剝落塊尺寸越大，表面損傷越嚴重。從圖中還可發現車輪材料和鋼軌材料的脫落機制不同，車輪裂紋是沿塑性變形線方向發展(圖7(c))，在周期性接觸作用下發生疲勞斷裂(圖9(b))，材料脫落形成磨屑；而鋼軌裂紋發展到一定程度后反向表面與表面連通形成塊狀剝落。相同軸重下，車輪裂紋角度大于鋼軌裂紋角度(圖9)，車輪表面抗疲勞性能較差。

圖8 輪軌試樣表面損傷SEM照片 (a)車輪16t；(b)車輪25t；(c)車輪30t；(d)鋼軌16t；(e)鋼軌25t；(f)鋼軌30tFig.8 SEM photographs of surface damage of rail/wheel specimens(a)wheel 16t；(b)wheel 25t；(c)wheel 30t；(d)rail 16t；(e)rail 25t；(f)rail 30t

圖9 輪軌試樣表面裂紋OM照片 (a)車輪12t；(b)車輪30t；(c)鋼軌12t；(d)鋼軌30tFig.9 OM photographs of surface cracks of rail specimens (a)wheel 12t；(b)wheel 30t；(c)rail 12t；(d)rail 30t

圖10為磨屑SEM照片。從圖10可看出，磨屑主要由尺寸大小不一的薄片和微小顆粒組成，薄片尺寸隨軸重增加普遍呈現增大趨勢。磨屑中薄片厚度小于5μm，因此磨屑來源于塑性變形層表層材料。當軸重較小時(12t)，磨屑中較大薄片尺寸約為250μm；當軸重為21t時，尺寸增加至約450μm；當軸重最大時(30t)，尺寸達到550μm。磨屑中大塊薄片可能是由車輪試樣表面裂紋疲勞斷裂形成，因為車輪試樣表面裂紋長度達到300～500μm以上(圖8)；較小薄片可能來自鋼軌表面塊狀剝落，因為鋼軌表面即將脫落的剝落塊尺寸小于100μm(圖8)；磨屑從試樣脫落后，部分磨屑會黏附在試樣表面，經周期性輪軌試樣擠壓后產生更小薄片以及微小顆粒。隨軸重增加，車輪試樣表面疲勞裂紋尺寸、鋼軌試樣表面塊狀剝落尺寸均會增大，所以相應磨屑尺寸也變大。圖11為磨屑XRD圖譜。結果表明，輪軌試樣磨屑主要由Fe2O3和馬氏體組成，不同軸重下磨屑成分及其含量基本相同。磨屑中馬氏體的存在是因為塑性變形層表層材料含碳量較高，在法向力和切向力作用下產生的局部高溫超過了奧氏體化溫度，熱量快速傳導至試樣基體，溫度迅速下降產生馬氏體。磨屑中大量Fe2O3說明在周期性高溫和摩擦力作用下，磨屑從試樣表層脫落過程中伴隨較強氧化作用。盡管不同軸重下磨屑形貌存在差異，但其成分及其含量無明顯差別。

圖10 磨屑SEM照片 (a)12t；(b)21t；(c)30tFig.10 SEM photographs of debris (a)12t；(b)21t；(c)30t

圖11 磨屑XRD圖譜Fig.11 XRD patterns of debris

綜上結果分析表明：車輪硬度大于鋼軌硬度，車輪試樣耐磨性較好，但試樣表面容易產生較大疲勞裂紋，表面抗疲勞性能較差；車輪試樣表面材料以裂紋疲勞斷裂形式形成磨屑，鋼軌試樣表面材料以裂紋與表面連通形成的塊狀剝落形式形成磨屑；軸重增大后，不僅增大了輪軌材料磨損率，也加劇了輪軌試樣表面傷損。在實際應用中，要綜合考慮輪軌材料的抗磨性能和抗疲勞性能，嚴格控制列車軸重，以確保列車運行安全。

3 結論

(1)輪軌試樣磨損率均隨軸重增加呈現明顯線性增加趨勢，且鋼軌試樣磨損率大于車輪試樣磨損率。

(2)輪軌試樣硬化率均隨時間呈現先明顯增加后趨于穩定變化趨勢，輪軌試樣塑變層厚度和硬化率均隨軸重增大而增大，車輪試樣硬化率大于鋼軌。

(3)車輪試樣表面形貌由垂直于滾動方向的疲勞裂紋組成，鋼軌試樣表面形貌由裂紋和塊狀剝落組成，表面裂紋和塊狀剝落均隨軸重增加而更加嚴重。

(4)車輪試樣表面裂紋疲勞斷裂和鋼軌試樣表面塊狀剝落形成磨屑，成分主要為Fe2O3和馬氏體；隨軸重增大，磨屑尺寸呈現增大趨勢，但其成分與含量無明顯變化。

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Effect of Axle-load on Rolling Wear and Damage Behaviors of Wheel and Rail Materials

DING Hao-hao，WANG Wen-jian，GUO Jun，LIU Qi-yue，ZHU Min-hao

(Tribology Research Institute,State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The rolling wear and damage characteristics of wheel and rail materials under different axle-loads were investigated using a WR-1 wheel/rail rolling wear testing apparatus. The results show that both of the wear rates of wheel and rail materials rise linearly with the increase of axle-load, and the wear rate of rail specimen is larger than wheel. The hardening rates of wheel and rail specimens firstly increase obviously and then keep stable along with the test time. With the increase of axle-load, the depth of plastic deformation layer and the hardness rate of wheel and rail specimens increase. The hardness rate of wheel is larger than rail. The surface damage morphology of wheel specimen is different from rail. For the surface damage morphology of wheel specimen consists of fatigue cracks perpendicular to rolling direction, however, the rail surface damage morphology is dominated by cracks and spalls. The surface damage of the wheel and rail specimens gets increasingly severe along with the in crease of axle-load. Debris, which comes from fatigue cracks fracture of wheel specimen and spalling of rail, is composed of Fe2O3and martensite. With the increase of axle-load, the size of debris increases, the components and their content, however, have no obvious change.

axle-load；wheel/rail material；wear；damage；fatigue crack

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.006

TH117.3

A

1001-4381(2015)10-0035-07

國家自然科學基金(51475393，51174282，U1134202)；教育部創新團隊科學基金(IRT1178)

2014-04-15;

2014-09-15

王文健(1980-)，男，博士，副研究員，主要從事輪軌關系與摩擦學研究，聯系地址:四川省成都市二環路北一段111號西南交通大學摩擦學研究所(610031)，E-mail：wwj527@163.com