軸重對PD3淬火鋼軌損傷行為的影響

蔣文娟，李東亮

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系，四川 德陽 618000)

軸重對PD3淬火鋼軌損傷行為的影響

蔣文娟，李東亮

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系，四川 德陽 618000)

利用MMS-2A研究了軸重對PD3淬火鋼軌損傷行為的影響。結(jié)果表明：PD3淬火鋼軌的磨損率隨著磨損時間的增大而減小，隨著軸重的增大而增大。PD3淬火鋼軌試樣表面形貌以剝離為主，且隨軸重的增大，表面剝離程度增大，剝離坑的數(shù)量和面積急劇增大。PD3淬火鋼軌試樣表層在軸重作用下產(chǎn)生塑性變形層，層狀組織之間容易產(chǎn)生微孔，并發(fā)展為微裂紋，導(dǎo)致剝離產(chǎn)生。

PD3淬火鋼；磨損率；損傷；剝離

PD3淬火鋼軌的耐磨性及綜合使用性能優(yōu)良，壽命比碳素?zé)崽幚礓撥壓推胀ㄤ撥壌蠓忍岣撸饕獜V泛用于重載線路上。從國外貨運鐵路的發(fā)展來看，增加軸重是重載運輸降低成本、提高效率的最有效的方法。但是隨著我國運量的迅猛增長，列車軸重不斷增大，使鋼軌磨損日趨嚴(yán)重。

關(guān)于軸重對鋼軌磨損行為的影響，很多研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。Kumar S、P． Clayton等人從20世紀(jì)80年代開始，研究軸重對輪軌磨損的影響。Grassie等對瑞典線路上重載鋼軌損傷的狀況作了分析，提出用打磨減輕鋼軌的疲勞損傷。王文健等利用MMS-2A摩擦磨損試驗機(jī)，模擬與實際相當(dāng)?shù)慕佑|應(yīng)力作用下，輪軌材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明接觸應(yīng)力增大會使輪軌材料表面的損傷變嚴(yán)重。

但是專門針對PD3淬火鋼軌損傷行為的研究還是相對較少，因此本文專門針對重載線路上使用的PD3淬火鋼軌，利用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗機(jī)開展輪軌滾滑實驗，分析不同軸重下PD3淬火鋼軌材料的磨損行為，分析軸重的影響及機(jī)理，其結(jié)果對認(rèn)識鋼軌材料的損傷機(jī)制、優(yōu)化鋼軌選材的提出有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備與材料

試驗利用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗機(jī)，以雙輪對滾的方式進(jìn)行，上下試樣分別通過雙速電動機(jī)帶動。試驗采用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行，需要保證模擬輪軌試件之間的平均接觸應(yīng)力和接觸橢圓的長短軸之比與現(xiàn)場中的相同。本試驗中兩試樣直徑均為40mm，根據(jù)赫茲模擬準(zhǔn)則計算，得到車輪試樣的圓弧半徑R為14mm。輪軌試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 輪軌試樣示意圖（單位：mm）

為了盡量與實際情況相符合，試件均取自目前使用的車輪和鋼軌材料。本試驗中模擬鋼軌試樣選擇PD3淬火鋼軌材料（微觀組織見圖2），模擬車輪試樣選擇車輪材料CL60。輪軌材料的化學(xué)成分見表1。車輪材料和鋼軌材料的硬度HV1．0分別是250HV和360HV。

1.2 試驗方法

試驗中下試樣為車輪試樣，上試樣為鋼軌試樣，試驗參數(shù)：下試樣轉(zhuǎn)速400 r /min，上試樣轉(zhuǎn)速360 r /min，轉(zhuǎn)動滑差率10%；模擬現(xiàn)場軸重分別是16t、21t和25t，對應(yīng)的最大接觸應(yīng)力分別為1125MPa、1647MPa、1915MPa，與實際線路的情況基本一致。試驗在常溫干態(tài)下進(jìn)行；所有試驗時間均為24 h。每次試驗前，用丙酮對試樣表面進(jìn)行清洗后，再施加法向軸重進(jìn)行試驗。

分析中用到：電子分析天平(TG328A)，通過試驗前后稱重，測量試樣的磨損量；維氏硬度儀(MVK-H21，Japan)，測量試樣的維氏硬度值；掃描電子顯微鏡(SEM)(JSM-6490LV，Japan)，觀察試樣后的磨痕表面的損傷形貌以及剖面的形貌。

表1 輪軌材料的化學(xué)成份（w） %

2 試驗結(jié)果與討論

圖2 PD3淬火鋼的磨損量隨時間的變化

圖2 給出了PD3淬火鋼鋼軌試樣分別在模擬軸重在16t、21t、25t時，三個軸重下的鋼軌試樣磨損率隨實驗時間的變化曲線。16t情況下，磨損率隨時間先增大后減小，而在21t和25t情況下，磨損率隨時間減小。軸重越大，鋼軌的磨損率越大。圖3為輪軌試樣硬化率（實驗前后材料硬度增加量與原始硬度的比值）與軸重的關(guān)系，可以看出，軸重越大，輪軌試樣硬化率越大。

圖3 輪軌試樣硬化率與軸重的關(guān)系

圖4 為PD3淬火鋼軌試樣表面形貌的SEM照片。從圖中可看出，鋼軌表面損傷形式主要為剝落損傷。軸重為16t時磨痕表面可見很小的點蝕坑，隨著軸重的增大，鋼軌試樣表面的點蝕坑逐漸增大,數(shù)量增多，表面損傷變嚴(yán)重。在反復(fù)切向力的作用下，鋼軌試樣表面會產(chǎn)生平行于滾動方向的塑性變形（如圖5所示）。在試樣表面層的塑性變形區(qū)內(nèi)，晶粒因為很高的外力作用下受到擠壓而變形。PD3淬火鋼軌的組織主要是珠光體，與滾動方向區(qū)域一致的珠光體片層在反復(fù)的摩擦力作用下，沿著摩擦方向拉長、擠壓，而與滾動方向相反的珠光體片層在摩擦力的作用下，被扭曲變形直致破碎，如圖5(a)。無論珠光體皮層的方向如何，鋼軌材料中的晶粒都會沿著切應(yīng)力方向伸長，形成平行于摩擦力方向的流變層。隨著滾動次數(shù)的增多，變形量逐漸增大，晶粒也逐漸變成平行于流變層的薄片狀的條紋。鋼軌試樣表面的塑性變形層在反復(fù)切向力作用下，纖維狀的層與層之間，將會產(chǎn)生微小的孔洞，如圖5(b)，并且孔洞逐漸增多，連接成微裂紋，并不斷擴(kuò)展和貫通，如圖5(c)，最終以點狀或片狀的形式從材料表面脫落下來，形成剝離。

圖4 PD3鋼軌試樣表面形貌的SEM

圖5 鋼軌表面剝落形成過程

3 結(jié)語

（1）PD3淬火鋼軌的磨損率隨著磨損時間的增大而減小，隨著軸重的增大而增大。

（2）PD3淬火鋼軌試樣表面形貌以剝離為主，且隨軸重的增大，表面剝離程度增大，剝離坑的數(shù)量和面積急劇增大。

（3）PD3淬火鋼軌試樣表層在軸重作用下，產(chǎn)生塑性變形層，層狀組織之間容易產(chǎn)生微孔，并發(fā)展為微裂紋，導(dǎo)致剝離產(chǎn)生。

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U213.4

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1671-0711（2017）08（下）-0224-02