鐵路車輪輪輞疲勞裂紋和踏面剝離掉塊的微觀傷損因素分析

叢　韜，韓建民，張關震，吳　斯，張澎湃

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京　100044；2.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081)

車輪是鐵路機車車輛的重要走行部件，從目前國內車輪的運用情況看，車輪的輪輞裂紋和踏面剝離掉塊對其服役性能危害最大[1-2]。車輪鋼的純凈度是衡量車輪質量優良的重要指標之一，與非金屬夾雜物(以下簡稱夾雜物)的組成、尺寸、形貌等直接相關[3]。車輪服役過程中，輪軌接觸區內的車輪踏面組織受不同接觸應力后將發生不同程度的塑性變形和塑性流動[4-8]。以往研究中未對車輪中夾雜物、踏面塑性變形層與車輪傷損類型的關系進行定量分析，量化地研究車輪中夾雜物和踏面塑性變形層等微觀傷損因素對提高車輪的服役性能和改進車輪的生產工藝具有重要的意義。

本文針對3組60個同型號某鐵路車輛用車輪，采用可進行大面積金相試樣檢測的ASPEX自動掃描電鏡[9-11]，量化對比分析不同車輪輪輞中夾雜物的組成、分布等特征，使用光學和掃描電子顯微鏡研究車輪裂紋源區的微觀缺陷和踏面組織的變形，研究夾雜物、踏面塑性變形層等微觀傷損因素對車輪輪輞裂紋和踏面剝離掉塊形成的影響和破壞機理。

1　試驗方法

1.1　車輪樣品

某型鐵道車輛的運行時速大于120 km，軸重不超過18 t，選取裝用在該車型上的60個共3組車輪作為樣品進行分析。其中，第1組20個為出現輪輞裂紋的車輪(簡稱輞裂車輪)，其失效時累計運行約20萬～30萬km；第2組20個為踏面存在剝離掉塊的車輪(簡稱剝離車輪)，其失效時累計運行約20萬～30萬km；第3組20個為未出現損傷的車輪(簡稱未傷損車輪)，累計運行約30萬km。這3組車輪均采用普通碳素車輪鋼以及同一工藝和標準生產，其材料主要元素的質量分數和輪輞的力學性能分別見表1和表2。

表1　3組車輪材料主要元素的質量分數　%

表2　3組車輪輪輞的力學性能

1.2　非金屬夾雜物檢測方法

在每個車輪輪輞如圖1所示的位置處截取2塊尺寸為20 mm(長度)×20 mm(寬度)×15 mm(高度)的金相試樣，輞裂車輪和剝離車輪的取樣區域靠近失效區域，保留檢測面且將試樣用自動鑲樣機鑲成夾雜物檢測試樣，用自動磨樣機經粗磨、細磨、拋光等工序制成標準的金相試樣。

圖1　車輪夾雜物金相試樣的取樣位置

首先依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標準，采用LEICADMI4000光學顯微鏡(OM)對夾雜物進行評級；然后采用可進行大面積試樣檢測的ASPEX型自動掃描電鏡對夾雜物的類型、數量和尺寸等進行分析。

檢測時避開金相試樣邊緣，隨機選取一處，圈定面積約為50 mm2的區域，設定好分析參數后進行自動檢測，不統計尺寸在1 μm以下的夾雜物。因每個車輪取2塊試樣，故取統計結果的平均值作為檢測結果。

1.3　微觀形貌檢測方法

針對20個輞裂車輪，先用FEI-Quanta400掃描電子顯微鏡和S4300冷場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口區域和金相試樣上非金屬夾雜物的形貌，再用能譜(EDS)定性分析夾雜物的種類。

針對20個剝離車輪和20個未傷損車輪，首先對剝離車輪的宏觀傷損形貌進行觀察，然后在每個剝離車輪和未傷損車輪的輪軌接觸區域上隨機選取3處踏面的近表層橫向截面制備金相試樣，利用光學顯微鏡(OM)對比觀測其微觀組織形貌及塑性變形層，觀測時在每個金相試樣上沿橫向均勻地選取10處位置測量其塑性變形層的厚度，計算全部剝離車輪和未傷損車輪塑性變形層的平均厚度。

2　試驗結果

2.1　非金屬夾雜物

對3組車輪輪輞中各類夾雜物評級，結果見表3。由表3可知，除在輞裂車輪的輪輞中D和DS類夾雜物的等級較高外，在3組車輪輪輞中均未發現等級高的A類、B類和C類夾雜物。

表3　3組車輪輪輞中各類夾雜物的等級

采用ASPEX掃描電鏡對輞裂、剝離、未傷損3組車輪輪輞中的夾雜物進行掃描統計，經自動和人工分辨后，共觀測到21種類型的夾雜物，并將其分為脆性和塑性兩大類，見表4。

表4　3組車輪輪輞的夾雜物分類

在輞裂車輪的金相試樣上檢測到724個脆性和塑性夾雜物，所占面積為15 610 μm2，夾雜物主要為Ca類復合氧化物等脆性夾雜物，脆性夾雜物的數量為613個，其數量所占比例約為85%，面積所占比例約為96%；單位面積上的脆性和塑性夾雜物分別為12.3和2.2個。輞裂車輪的夾雜物主要有2類：①CaS-Oxide類，其數量所占比例約為59%，面積所占比例約為52%；②Al-Mg-Ca氧化物類，盡管其數量所占比例僅為4%，但其面積所占比例達到17%，說明Al-Mg-Ca氧化物類夾雜物的個體面積較大。

在剝離車輪的金相試樣上檢測到353個脆性和塑性夾雜物，所占面積為7 280 μm2，夾雜物主要為MnS類等塑性夾雜物，塑性夾雜物的數量為295個，其數量所占比例約為84%，面積所占比例約為83%；單位面積上的塑性和脆性夾雜物分別為4.1和1.2個。剝離車輪的夾雜物主要有2類：①MnS類，其數量所占比例約為38%，面積所占比例約為35%；②MnS-Oxide類，其數量所占比例約為15%，面積所占比例達到24%。

在未傷損車輪的金相試樣上檢測到947個脆性和塑性夾雜物，所占面積為18760 μm2，夾雜物主要為MnS類和Oxides球狀氧化物類等塑性和脆性夾雜物，塑性夾雜物的數量為881個，數量所占比例約為93%，面積所占比例約為74%；單位面積上的塑性和脆性夾雜物分別為17.6和1.3個。未傷損車輪的夾雜物主要有3類：①MnS類，其數量所占比例約為46%，面積所占比例約為37%；②MnS-Oxide類，其數量所占比例約為14%，面積所占比例達到14%；③Oxides球狀氧化物類脆性夾雜物，盡管其數量所占比例僅約為0.6%，但其面積所占比例達到17%，說明Oxides球狀氧化物類夾雜物的個體所占面積較大。

輞裂車輪、剝離車輪和未傷損車輪這3組車輪輪輞金相試樣中夾雜物的平均數量及尺寸分布如圖2所示。由圖2可見，車輪輪輞中夾雜物的尺寸主要集中在1～15 μm范圍內，3組車輪在該范圍內夾雜物數量所占比例分別達到99%，97%和93%，且均以2～5 μm范圍內夾雜物數量比例最高，分別約為52%，50%和47%；對于大尺寸的夾雜物，以尺寸為20～30 μm的夾雜物為例，在輞裂車輪試樣中這樣的夾雜物數量為5個，且均為脆性夾雜物，而未傷損車輪試樣中的為2個，且均為塑性夾雜物，剝離車輪試樣中未見該尺寸范圍內的夾雜物；3組車輪均隨著車輪輪輞中夾雜物平均尺寸的增加，在該尺寸范圍內單位面積上的夾雜物平均數量呈現先增加再逐漸減少的規律。

圖2　車輪輪輞金相試樣中夾雜物的平均數量和尺寸分布

對輞裂車輪、剝離車輪和未傷損車輪夾雜物金相試樣中檢測到的面積最大的20個單體夾雜物進行統計，結果如圖3所示。由圖3可見，輞裂車輪中尺寸排在前20位的夾雜物均為脆性夾雜物，且單體所占面積均大于50 μm2，其中最大的單體夾雜物為脆性的Al-Mg-Ca氧化物類，面積為358 μm2；剝離車輪中尺寸排在前20的夾雜物中脆性夾雜物為4個，塑性夾雜物為16個，單體所占面積也均大于50 μm2，其中最大的單體夾雜物為塑性的Ti-MnS類，面積僅為121.6 μm2；未傷損車輪中尺寸排在前20的夾雜物中脆性為6個，塑性為14個，且單體所占面積小于50 μm2的達到15個，占75%，其中最大的單體夾雜物為脆性的氧化物類，面積為443.2 μm2，說明未傷損車輪中夾雜物均以小尺寸、成彌散狀分布于基體上。

圖3　3組車輪輪輞中大尺寸夾雜物所占面積和類型劃分圖

3組車輪輪輞金相試樣中觀測到的典型夾雜物形貌及經SEM-EDS確定的夾雜物成分如圖4所示。由圖4可見：圖4(a)所示的球狀或不規則多邊形脆性夾雜物在輞裂車輪中被大量觀察到；剝離車輪和未傷損車輪中多以如圖4(b)所示形貌多樣的塑性MnS類夾雜物為主，如長條、紡錘形及其他不規則形狀等，同時觀察到存在少量分層現象的復合夾雜物；圖4(c)所示分層的復合夾雜物，其外層多為灰色MnS類全包裹或半包裹著、內層以Oxides，CaS-Oxide類等為主的深黑色脆性夾雜物。

綜上可見：①輞裂車輪中夾雜物的數量較多，主要為脆性夾雜物，脆性夾雜物中又以氧化物的比例為最高；剝離車輪中夾雜物的數量和所占面積較小，以MnS類塑性夾雜物為主；未傷損車輪中夾雜物的數量較多、所占面積較大，也以MnS類塑性夾雜物為主，盡管脆性夾雜物所占數量較少、面積較小，但其單體夾雜物的面積較大。②ASPEX自動掃描電鏡與光學顯微鏡對鋼中夾雜物在級別上的分析結果是一致的。③盡管未傷損車輪中夾雜物的數量較多、所占總面積較大，但隨著其夾雜物尺寸的增加，單位面積上該尺寸范圍的夾雜物數量先增加再逐漸減少，且存在的脆性氧化物夾雜均能很好地被MnS包裹并以較小的尺寸分布于基體中，反觀輞裂車輪中大量存在CaS-Oxide類和Al，Ca，Ti類的脆性夾雜物，盡管觀測到一定量的MnS類，卻基本都以單體存在。④理論上，夾雜物的組成主要受到車輪鋼生產工藝的影響，因3組車輪原鋼材的生產工藝是相同的，則輞裂車輪輪輞中大量存在的脆性夾雜物應屬于外來夾雜物。

圖4　3組車輪輪輞金相試樣中典型的夾雜物形貌和成分

2.2　傷損車輪微觀缺陷和組織分析

1)輞裂車輪

在20個輞裂車輪斷口上的偶合面裂紋源區中均發現殘留的大尺寸(長度大于1 mm)夾雜物。以某一輞裂車輪斷口為例，如圖5和圖6所示，該夾雜物長度為2.3 mm，寬度約為0.6 mm。經EDS分析，20個輞裂車輪其斷口上發現的毫米級夾雜物主要含有Al，O，Ca，Mg等元素，判斷其為各種元素構成的復合氧化物，該夾雜物屬于ASPEX中分析到的脆性夾雜物。

圖5　輞裂車輪斷口形貌

圖6　輞裂車輪斷口中裂紋源處殘留的夾雜物形貌

20個輞裂車輪的裂紋源均位于踏面下15～20 mm和距輪緣60～65 mm范圍內，圍繞裂紋源1周可見有明顯的疲勞擴展條紋，廢口呈現疲勞斷裂性質，裂紋源的毫米級夾雜物是疲勞裂紋萌生的主要原因。因為脆性夾雜物的熱膨脹系數約為基體熱膨脹系數的50%，脆性夾雜物與基體組織不能協調一致變形，在熱處理的冷卻過程中脆性夾雜物會阻礙周圍基體的收縮，導致在球狀夾雜物周圍形成空洞，進而促進裂紋萌生，采用SEM在輞裂車輪中夾雜物周圍觀察到的空洞和裂紋及其示意圖如圖7所示。由圖7可見，脆性的復合氧化物夾雜與車輪基體之間還存在彈性性能的差異，脆性夾雜物比周圍的基體組織承受了更大的載荷，在輪軌接觸應力作用下，夾雜物周邊會產生應力集中，易于萌生裂紋。

圖7　球狀夾雜物周圍形成的空洞及裂紋

通過檢測數據可知，盡管3組車輪的材料生產工藝相同，然而輞裂車輪組織中的脆性夾雜物處于絕對多數，與其余2組車輪完全不同，并且導致輞裂車輪失效的是毫米級尺寸的脆性氧化物類夾雜物，說明輞裂車輪中的此類夾雜物是由車輪鋼在冶煉或澆注過程中混入耐材或熔渣等原因造成的，屬于外來夾雜物，與脫氧和凝固時生成的內生夾雜物相比，外來夾雜物具有顆粒較大、外形不規則、分布規律不明顯等特點。

2)剝離車輪

20個剝離車輪踏面的周圈均存在傷損，不規律分布著剝離坑，在剝離區域可觀察到斜裂紋，剝離區域距輪輞外側面約35～45 mm，最大的剝離坑寬度約15 mm，剝離最深點達到2 mm。剝離車輪踏面的典型形貌如圖8所示。

圖8　剝離車輪踏面的典型形貌

剝離車輪踏面和未傷損車輪踏面的輪軌接觸區域近表層組織對比情況如圖9所示。從圖9可以看出：剝離車輪踏面和未傷損車輪踏面的輪軌接觸區域近表層組織均發生了塑性變形，但兩者的塑性變形程度差異明顯；未傷損車輪踏面近表層組織的塑性變形較為輕微，只存在于接近表層的區域，而且塑性變形層的平均厚度僅約為0.1 mm，依然可以觀察到完整的珠光體組織，另外塑性變形層中還可見與塑性變形方向一致的裂紋；剝離車輪踏面近表層塑性變形層的厚度及相對變形量明顯大于未傷損車輪的，而且沒有觀察到完整的珠光體組織，在塑性變形層中也可見與塑性變形方向一致的裂紋，此種裂紋進一步擴展即可形成踏面剝離掉塊，剝離車輪踏面塑性變形層的平均厚度接近1 mm，為未傷損車輪踏面近表層塑性變形層厚度的10倍。

車輪踏面形成塑性變形層的厚度與輪軌接觸應力及材質強度有關，由表2可知剝離車輪和未傷損車輪的拉伸強度基本相同，出現上述現象的原因是剝離車輪踏面輪軌接觸區域受到的橫向應力作用比未傷損車輪同樣位置大的多，輪軌模擬試驗機上也可觀察到同樣的現象[4]，塑性變形層厚度和相對變形量較大會導致疲勞裂紋的萌生，并在車輪踏面形成剝離損傷。結合ASPEX對夾雜物的分析結果，剝離車輪和未傷損車輪的夾雜物組成、性質、尺寸基本一致，沒有本質上的差異，由此可見，對剝離車輪而言，輪軌力作用下的塑形變形是產生車輪踏面剝離的主要原因。

圖9　踏面塑性變形層形貌

3　結　論

(1)輞裂車輪中的夾雜物數量較多且以脆性夾雜為主，脆性夾雜物占夾雜物總數的85%；剝離車輪輪輞中夾雜物數量較少且以MnS類塑性夾雜物為主，塑性夾雜物占夾雜物總數的84%；未傷損車輪輪輞中夾雜物數量較多且以MnS類塑性夾雜物為主，塑性夾雜物占夾雜物總數的93%。

(2)輞裂車輪中存在的毫米級脆性氧化物類夾雜物是疲勞裂紋萌生的主要原因，輪輞中大量存在的脆性夾雜物屬于冶煉或澆注過程中混入耐材或熔渣等外來夾雜物。

(3)剝離和未傷損車輪踏面塑性變形層的平均厚度分別約為1和0.1 mm，剝離車輪踏面塑性變形層厚度和相對變形量較大是導致其踏面疲勞裂紋萌生并形成剝離損傷的主要原因。

(4)未傷損車輪盡管其夾雜物數量較多、所占的總面積較大，但其中的脆性氧化物類夾雜物均能很好地被MnS類塑性夾雜物包裹，并以較小的尺寸分布于基體中，這與輞裂車輪中脆性夾雜物都以單體方式存在所不同。未傷損車輪輪輞中這種脆性氧化物類夾雜物的分布方式有助于減緩裂紋的萌生。

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