硌傷形貌對車輪材料滾動接觸疲勞特性的影響

趙相吉 師陸冰 王文健 郭 俊 劉啟躍

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都，610031

0 引言

發展高速以及重載鐵路運輸線路能有效提高我國鐵路運輸能力及運輸效率[1]。長期以來，國內外學者將輪軌材料的滾動接觸疲勞視為重要的研究對象[2-3]。如今高速、重載線路的發展給輪軌滾動接觸疲勞的研究帶來了新的挑戰。文獻[4]研究表明，軸重的增加會加劇輪軌的表面損傷并加速其滾動接觸疲勞。EKBERG等[5]指出，輪軌表層的滾動接觸疲勞裂紋萌生可能與車輪空轉引起的擦傷或外物所造成的壓痕有關。鐵路線路通常暴露在自然環境中，一旦道砟或貨運列車車廂內硬質顆粒介入輪軌磨損界面就可能會使得輪軌接觸面出現壓痕(即硌傷)。這些偶然出現的硌傷改變了輪軌材料本身的應力分布以及輪軌的接觸狀態，從而影響到輪軌材料的后續服役性能。在對我國高速車輪踏面現場檢修時曾發現“月牙形”疲勞裂紋，該裂紋擴展深度達到了4.15 mm[6]。GAO等[7]通過對油態工況下車輪滾動接觸疲勞裂紋的監測，發現在硌傷坑的單側出現嚴重的剝落。隨后，GAO等[8-9]又利用洛氏硬度儀和維氏硬度儀在車輪試樣表面制得不同形貌的硌傷坑，通過對比發現，在油態工況下，只有球形和菱形硌傷坑會在后續服役階段繼續存在并縮短車輪的服役壽命。SEO等[10]利用布氏硬度儀在車輪試樣表面制得不同大小的球形硌傷坑，通過滾動接觸疲勞測試發現，硌傷坑中部的材料抗疲勞性能最差。STEFANO等[11]沿車輪踏面的軸向方向預制了大小相同的球形硌傷坑，通過全尺寸試驗模擬指出，在車輪旋修周期內硌傷坑不會對車輪的表層及次表層疲勞裂紋的擴展產生影響。

針對輪軌硌傷坑的研究，國外學者通常使用靜壓的方式(硬度儀施壓)預制硌傷，有異于實際的瞬態沖擊工況。同時他們的研究側重于表征硌傷坑附近裂紋及損傷形式的變化，對硌傷裂紋的萌生原因及輪軌材料在硌傷后應力狀態變化尚未涉及。本文首先利用不同的沖擊錘頭(球形滾珠和道砟)在車輪試樣表面制得形貌不同的硌傷坑，然后利用輪軌摩擦磨損試驗機對比分析不同形貌的硌傷附近材料應力分布，及其對裂紋萌生條件及擴展行為的影響，為評估硌傷車輪的傷損情況和旋修周期提供參考依據。

1 試驗部分

圖1是MMS-2A 型微機控制摩擦磨損試驗機工作原理圖。上下試樣分別安裝在從主動軸上，上下試樣通過彈簧壓緊接觸并通過螺栓加載。直流電機1通過皮帶2帶動主動軸轉動，通過傳動齒輪4、8將動力傳送到從動軸上，通過改變傳動齒輪對的傳動比，使得上下試樣獲得不同的轉速以模擬輪軌接觸界面的不同蠕化率。通過固結在主動軸擺臂上的力矩傳感器3測定輪軌接觸界面產生的摩擦力矩。力傳感器11用于測定螺栓所加載的法向力大小，轉數傳感器5用于測定主動軸轉速。傳感器收集的信號通過控制器9反饋到計算機10，并由計算機對數據進行擬合計算。

1.直流電機 2.皮帶 3.力矩傳感器 4.主動軸齒輪對 5.轉數傳感器 6.下試樣 7.上試樣 8.從動軸齒輪對 9.控制器 10.計算機 11.力傳感器圖1 MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機工作原理Fig.1 Working principle diagram of MMS-2A microcomputer controlled friction and wear testing machine

試驗采用的輪軌試樣分別取自車輪踏面(材料為ER9)和鋼軌軌頭(材料為淬火PD3)，取樣位置如圖2a所示，輪軌試樣尺寸如圖2b所示。為了保證輪軌的穩定接觸，試樣采用線接觸形式。下試樣為車輪試樣，上試樣為鋼軌試樣。車輪、鋼軌試樣踏面表面粗糙度均為0.8 μm，車輪直徑為40 mm，輪軌材料的化學成分如表1所示。

(a)采樣位置

(b)輪軌試樣尺寸圖2 采樣位置及輪軌試樣尺寸Fig.2 Sampling position and wheel and rail sample size

表1 輪軌試樣主要成分

試驗采用赫茲接觸模擬準則，接觸應力為504 MPa。首先根據國際鐵路聯盟(international union of railways)關于球形壓痕所制定的標準(UIC standard 712[12])以及文獻[10,13]提及的小尺寸球形壓痕，通過重力擺錘在車輪試樣的周向上均勻地沖擊出4個直徑約為1.6 mm的球形硌傷坑，擺錘錘頭為直徑3 mm的GCr15軸承鋼滾珠，擺錘質量為5 kg，沖擊能約為28.9 kJ;然后保持沖擊能不變，將錘頭換為普通道砟(TBT2140—2008)，以同種方式在車輪試樣的周向上均勻地沖擊出4個硌傷坑。硌傷坑表面形貌以及剖面輪廓分別如圖3、圖4所示。

(a)球形硌傷坑

圖4 硌傷坑剖面輪廓圖Fig.4 Scheme of defect profiles

沖擊試驗參數如下：車輪試樣轉速為200 r/min，輪軌蠕滑率為0.91%。根據文獻[14]，試驗采用先干態后水態的方式以便觀測裂紋的擴展，即試驗中每組試樣在水態下進行24 000次循環之前均預先在干態下循環5 000次，水態工況下水流量約為3 mL/min。在光學顯微鏡下初步觀測試驗后車輪試樣沿滾動方向縱剖面的裂紋擴展情況，并統計剖面裂紋的角度和長度；然后使用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋及其附近微觀組織的變化情況；利用ABAQUS針對不同形貌的錘頭對車輪材料進行仿真沖擊分析，得出硌傷坑附近的殘余應力分布。

2 結果與討論

2.1 殘余應力分析

滾珠錘頭模型為直徑3 mm的實心球體，道砟錘頭模型為邊長為3 mm的正四面體，為了簡化接觸模型，將兩種沖擊錘頭視為剛體，并賦予等效密度和5 kg慣性質量屬性。車輪材料視為塑性材料，其應力-應變曲線如圖5所示。

圖5 車輪材料應力-應變曲線Fig.5 Strain-stress curve of wheel rollers

(a)球形硌傷車輪試樣

(b)道砟形硌傷車輪試樣圖6 硌傷車輪殘余應力分布圖Fig.6 Residual stress distribution of defected wheels

圖6所示為軸承鋼滾珠和道砟沖擊后，沿車輪踏面法向最大殘余拉應力所在截面的應力分布情況。可以看出，不論何種形貌的硌傷都會使得硌傷坑底部材料產生殘余壓應力，在球形硌傷坑周圍產生應力值較小、呈大片環形分布的殘余拉應力區域，而在道砟硌傷坑附近次表層材料中，產生應力值較大、分布范圍窄的殘余拉應力區域。殘余拉壓區域之間存在一定距離的過渡區，過渡區材料幾乎不存在殘余拉壓應力。由于球形硌傷坑邊緣材料過渡平滑，材料受沖擊后應力分布均勻，故產生大片環形分布的較小拉應力，其最大值約為174.8 MPa；由于道砟邊緣尖銳，在沖擊車輪試樣時易發生應力集中，故其拉應力分布范圍較小，但最大值可達410.0 MPa。

2.2 損傷分析

圖7分別為試驗后未硌傷、球形硌傷和道砟形硌傷三種車輪試樣的剖面損傷情況。表2中統計了三組車輪試樣硌傷坑附近裂紋的平均長度、平均角度以及統計誤差。可以看出，不論何種形貌的硌傷，由于殘余拉應力的出現，增大了循環載荷的平均應力值[15]，從而使得硌傷坑附近材料的抗疲勞性能下降，促進裂紋擴展。在未硌傷的車輪試樣上(圖7a)，裂紋主要以表層裂紋為主，其擴展角度均不超過10°，很難往材料深處擴展，容易隨著表層材料的磨損而被去除。在球形硌傷坑和道砟形硌傷坑附近均出現了次表層裂紋以及萌生于次表層、逐漸擴展到試樣表層的裂紋。其中，由于球形硌傷坑附近材料的殘余拉應力分布較廣，裂紋更易在其中擴展，其長度和角度均大于道砟形硌傷坑附近的裂紋長度和角度，尤其在球形硌傷坑邊緣出現了45°擴展角的次表層裂紋。曹世豪等[16]指出，在45°的擴展角度下，由于裂紋的尖端等效應力強度因子幅值(ΔKeff)較大，所以裂紋能夠迅速往材料內部擴展并嚴重影響材料的服役性能(圖7b)。由于道砟的邊緣鋒利，其在試樣上產生的硌傷坑，底部和邊緣并不平整，從而在硌傷邊緣處產生應力集中，裂紋也容易在此處萌生(圖7c)。

(a)未硌傷車輪試樣

(b)球形硌傷車輪試樣

(c)道砟形硌傷車輪試樣圖7 試驗后車輪剖面損傷Fig.7 Section damage of wheels after testing

裂紋角度平均值(°)/統計誤差裂紋長度平均值(μm) /統計誤差未硌傷8.33/1.41155.95/24.16球形硌傷24.42/11.08222.26/68.85道砟形硌傷13.96/2.91175.01/42.48

(a)未硌傷車輪試樣

(b)球形硌傷車輪試樣

(c)道砟形硌傷車輪試樣圖8 車輪試樣剖面損傷SEM照片Fig.8 SEM photographs of wheel specimen profile damage

圖8顯示了裂紋在車輪材料微觀組織中的擴展形式。由圖8a可以看出，未硌傷的車輪上的裂紋以表層裂紋為主，裂紋主要沿著鐵素體擴展，且裂紋的寬度不大。反觀硌傷車輪的剖面，一方面由于水態下摩擦因數較小，試樣所受的最大切向力位于次表層區域[17]；另一方面，硌傷坑附近次表層區域存在大面積連續分布的殘余拉應力，因此在交變垂向載荷作用下，車輪材料由于棘輪效應產生塑性累積，微裂紋容易萌生于最大剪切應力所在位置(即次表層處)。硌傷坑附近次表層連續分布的殘余拉應力促進裂紋在鐵素體中擴展，在剪切應力作用下，裂紋在擴展過程中上下裂紋面的摩擦使得鐵素體壓碎，從而形成較寬的裂紋面或孔洞(圖8b、圖8c)。當次表層裂紋逐漸擴展到表面后，外界的水介質進入裂紋面。當表層裂紋開口迎向接觸界面滾動方向時，水介質被封閉在裂紋面或孔洞處，同時在垂向壓力的作用下，在裂紋內部會形成較大的水壓從而再次加速裂紋擴展[18]。所以，硌傷試樣上的裂紋比未硌傷試樣上裂紋嚴重。同時，由于球形硌傷坑附近材料殘余拉應力分布較廣，能提供連續的殘余拉應力區域供裂紋擴展，裂紋更易在此處擴展并形成大角度裂紋。

綜上所述，殘余拉應力的出現是加速硌傷車輪材料疲勞的主要原因。不同形貌的硌傷坑附近材料的殘余拉應力分布不同，連續的殘余拉應力可能在車輪次表層萌生擴展角度約為45°的垂向裂紋，該裂紋將會快速向內部擴展并可能使車輪斷裂，造成極大的安全隱患。據此可以對現場車輪的旋修進行初步評估。但是，由于現場工況復雜多變，如何建立并量化硌傷大小、殘余拉應力大小、旋修深度三者之間的關系亦需在后續研究中解決。同時，為了進一步深度揭示硌傷形貌對車輪材料滾動接觸疲勞特性的影響，也急需在后續研究中進行針對不同沖擊角度以及不同曲率的球形硌傷坑對輪軌摩擦磨損性能的影響研究。

3 結論

(1)車輪被硌傷后，硌傷坑底部材料產生殘余壓應力，在球形硌傷坑周圍產生應力值較小呈大片環形分布的殘余拉應力區域，而在道砟硌傷坑附近次表層材料中產生應力值較大、分布范圍窄的殘余拉應力區域。

(2)硌傷形貌影響殘余應力的大小及分布。由于球形硌傷坑附近的殘余拉應力分布范圍較廣，其裂紋角度和長度均大于道砟硌傷坑附近裂紋的角度和長度。在球形硌傷坑邊緣，裂紋擴展加劇，并沿著45°的擴展角度向內部擴展。

(3)殘余拉應力是加速裂紋擴展的關鍵因素。與未硌傷試樣相比，圓形和道砟形硌傷坑均促進硌傷坑附近次表層裂紋的萌生和擴展，并在次表層產生孔洞，降低車輪材料抗疲勞性能。