預滾壓對含缺陷輪軌材料滾動接觸疲勞性能的影響*

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 四川成都 610031)

表面缺陷是引發車輪滾動接觸疲勞重要因素。ZHAO等[1]通過現場調查發現，我國高速列車車輪出現的局部接觸疲勞裂紋由車輪磕傷引起，該裂紋可能引起深度為2.5～8.5 mm的車輪踏面剝離，嚴重危害高速列車的安全運行。

目前學者已經對含表面缺陷高強度鋼(如軸承鋼、齒輪鋼)的滾動接觸疲勞性能進行了較深入的研究。MATSUNAGA、MAKINO等[2-3]研究了圓孔狀缺陷的尺寸對高強度鋼接觸疲勞裂紋萌生和擴展的影響。FUJIMATSU等[4]發現缺陷的位置對軸承滾動接觸疲勞壽命有一定影響，接觸斑中心的缺陷的危害程度大于接觸斑邊緣的缺陷。上述研究均發現，含缺陷的高強度鋼一般從缺陷內部發生疲勞裂紋萌生。但是，強度較低、延展性較好的輪軌材料在滾滑條件下都會發生顯著塑性變形，缺陷對滾動接觸疲勞損傷的影響機制與高強度鋼有明顯區別。研究者通過各種試驗手段和現場調查研究了含缺陷車輪和鋼軌的滾動接觸疲勞性能[5-7]。GAO等[5]通過圓盤對滾試驗發現，塑性作用使壓痕后側出現突出，增加了局部接觸應力，因此裂紋會從凸起處萌生并擴展；另外，鉆孔引起的表面缺陷不會降低車輪材料的滾動接觸疲勞性能。通過圓盤對滾試驗，趙相吉等[6]和SEO等[7]都發現，壓痕的出現減小了輪軌試樣的接觸面積，使靠近壓痕中部材料的接觸應力上升，因此疲勞裂紋從該區域萌生；壓痕尺寸的增加會加劇輪軌試樣的滾動接觸疲勞損傷。CANTINI 和CERVELLO[8]通過全尺寸車輪的滾滑試驗發現，疲勞裂紋會從鉆孔的底部萌生。ZHAO等[1]通過有限元計算發現，當壓痕大于某一尺寸時，疲勞裂紋將萌生于缺陷底部?？梢姡壳皩W者對含缺陷輪軌材料的滾動接觸疲勞損傷機制的認知尚未統一。

此外，車輪表面缺陷一般在運營過程中出現，即出現表面缺陷時，車輪已經承受了一定次數的預滾壓。研究表明，預滾壓對材料的滾動接觸疲勞性能有顯著影響[9]。但是，目前研究者尚未考慮該因素對含缺陷輪軌材料滾動接觸疲勞性能的影響。

本文作者首先對未預滾壓的試樣進行了滾動接觸疲勞試驗，觀察表面缺陷的形貌變化規律和疲勞裂紋的萌生行為。在此基礎上，確定車輪試樣預滾次數為60 000周次，并在預滾的試樣上制備不同尺寸的缺陷，然后進行疲勞試驗。通過上述試驗及有限元仿真，分析預滾壓和缺陷尺寸對車輪鋼滾動接觸疲勞性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

研究所用車輪和鋼軌分別取自ER8車輪輪輞和U71Mn熱軋鋼軌軌頭，試驗材料的化學成分和顯微硬度如表1所示。使用線切割機從接近車輪踏面和軌頭表面位置獲取車輪和鋼軌坯料，參照圖1所示的試樣形狀和尺寸進行加工。加工完成后，試樣的表面粗糙度Ra約為0.2 μm。

表1 材料化學成分和顯微硬度Table 1 Chemical composition and micro-hardness of test materials

圖1 試樣示意圖Fig 1 Schematic illustration of test method

1.2 試驗條件

在GPM-30滾動接觸疲勞試驗機上，對具有不同預滾次數和不同尺寸表面缺陷的車輪試樣進行試驗，試驗示意圖如圖1所示。車輪和鋼軌試樣轉速均為800 r/s，直徑分別為59.82和60 mm，因此輪軌試樣間的滑差為-0.3%。車輪試樣和鋼軌試樣間的接觸應力設定為1 200 MPa，試驗過程中在輪軌試樣接觸面噴射潤滑油。所有預滾試樣均在預滾壓一定循環數之后，在接觸面預制缺陷，然后進行滾動接觸疲勞試驗。預制缺陷的直徑分別為200和400 μm，缺陷的深度均為200 μm，缺陷形貌如圖2所示。試驗條件匯總于表2中，分別進行不間斷試驗和中斷試驗，其中，中斷試驗停機次數設為平均疲勞壽命的70%。A組試驗沒有進行預滾壓處理，用于分析表面缺陷尺寸在滾滑條件下的變化規律。B組試驗的預滾壓次數為60 000，缺陷直徑為200 μm，用于分析預滾壓的影響。C組試驗的預滾壓次數為60 000，缺陷直徑為400 μm，用于分析缺陷尺寸的影響。試驗后，使用激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣的損傷形貌。

圖2 預制缺陷形貌Fig 2 Morphology of prefabricated defect with diameter of 200 μm(a)and 400 μm(b)表2 試驗條件和結果Table 2 Test conditions and results

試驗編號試樣編號預滾次數缺陷直徑d/μm是否中斷疲勞壽命損傷特征A10200否228 069表面剝離20200否164 037表面剝離30200是未失效40200是未失效B560 000200否159 317表面剝離660 000200否168 042表面剝離760 000200是缺陷底部萌生裂紋860 000200是缺陷底部萌生裂紋C960 000400否137 129表面剝離1060 000400否125 843表面剝離1160 000400是缺陷中部萌生裂紋

2 結果及討論

2.1 摩擦磨損性能

不同試驗條件下各取一組車輪-鋼軌試樣，觀察其摩擦因數變化情況，結果如圖3所示。可以看出，在剛啟動試驗機時，輪軌摩擦因數急劇增大，這是由于試驗機啟動時車輪-鋼軌試樣之間還沒有形成有效潤滑的油膜；而后隨著試驗的進行，在5 000～40 000周次之間，潤滑油逐漸形成穩定厚度的油膜，輪軌摩擦逐步減小；在40 000周次之后，輪軌摩擦因數變化較小，基本保持平穩。由此可見，不同組別的車輪-鋼軌摩擦副試樣區別不大。

由于預制缺陷的存在導致試樣最終在不同的循環周次下發生失效，為方便對比，在3組試樣中分別選取一個經過100 000周次循環后的車輪試樣，通過高精度天平測量得到試驗前后車輪試樣的質量。通過對結果的分析得知，車輪磨損量較小，無法看出車輪磨損性能的差異。

圖3 輪軌摩擦因數隨循環周次變化Fig 3 Variation of wheel-rail friction coefficient with the increasing cycles

可見，在油潤滑條件小，預滾壓和表面缺陷對車輪材料摩擦磨損性能沒有顯著影響。

2.2 未預滾試樣表面缺陷的變化

圖4和圖5分別示出了未預滾車輪試樣表面缺陷的尺寸及形貌隨循環周次的變化情況。可見，表層材料在滾動接觸載荷作用下會發生顯著塑性變形，缺陷尺寸隨循環次數的增加而逐漸減小。其中在0～60 000次循環，缺陷尺寸逐漸變小且變化速度逐漸減??；當循環周次大于60 000，缺陷尺寸基本不發生變化。這是因為，在試驗初始階段，表層材料受到的剪應力明顯超過材料剪切屈服強度，表層材料塑性變形迅速累積，這導致缺陷尺寸迅速變小；另外表層材料在發生塑性變形的同時，也發生應變硬化現象。因此，隨著循環次數的進一步增加，塑性變形的累積速度逐漸減小，缺陷尺寸的變化速率也隨之降低。當循環周次大于60 000時，表層材料屈服極限與所受的剪應力基本相當，塑性變形難以進一步累積，因此缺陷尺寸基本不再進一步變化。圖6所示為發生剝離失效位置的形貌，可見，剝離失效的位置遠離預制缺陷的位置，表明缺陷未對該車輪試樣的滾動接觸疲勞性能產生影響。

圖4 缺陷尺寸隨循環周次的變化Fig 4 Variation of size of defect with the increasing cycles

圖5 未預滾試樣的缺陷演化過程Fig 5 Evolution of non-pre-rolled specimen with defect

圖6 未預滾試樣的失效形貌Fig 6 Failure surface of non-pre-rolled specimens(a)surface crack;(b)surface peeling

2.3 預滾壓的影響

B組試樣均預滾壓60 000周次后，再進行表面缺陷預制。從3.1節分析可知，這些試樣的表層材料在后續試驗中基本不再發生進一步的塑性變形。因此，這些試樣用于模仿實際運營過程中出現的表面缺陷對車輪材料滾動接觸疲勞性能的影響。

圖7所示為通過中斷試驗觀察到的B組預滾試樣的缺陷形貌。由于缺陷邊緣存在較大應力集中，該位置材料在試驗中仍然會產生部分塑性變形。因此，雖然預制缺陷前的試樣已進行了預滾壓處理，其缺陷尺寸在試驗中仍然有所減小。與未預滾試樣不同，預滾試樣在缺陷底部發生裂紋萌生，如圖7所示。這些裂紋在滾動接觸載荷作用下沿滾動方向擴展，最后導致試樣發生剝離失效，如圖8所示。在缺陷尺寸均為200 μm的條件下，未預滾試樣和預滾試樣的滾動接觸疲勞壽命分別為196 053和163 680?？梢姡A滾壓處理通過使裂紋萌生位置轉移至缺陷底部，減小了含缺陷車輪試樣的滾動接觸疲勞性能。

圖7 預滾試樣200 μm缺陷孔底部的裂紋形貌Fig 7 Crack morphology at the bottom of the pre-rolled specimen with 200 μm defect

圖8 含200 μm缺陷預滾試樣的失效形貌Fig 8 Failure morphology of the pre-rolled specimen with 200 μm defect

2.4 缺陷尺寸的影響

從表2可見，當缺陷尺寸從200 μm增加至400 μm時，試樣的接觸疲勞壽命從163 680減小至131 486。圖9所示為缺陷尺寸為400 μm的預滾試樣的失效形貌。通過中斷試驗可見，當循環周次達到總壽命70%時，缺陷中部附近的表層材料出現疲勞裂紋，如圖9(a)、(b)所示。此時，缺陷底部沒有觀察到疲勞裂紋萌生。疲勞裂紋沿著試樣滾動方向擴展(如圖9(c)所示)，并最終導致試樣發生表面剝離(如圖9(d)所示)?？梢姡斎毕莩叽鐝?00 μm增加至400 μm，裂紋萌生位置從缺陷底部轉移至缺陷中部附近的表層材料，且試樣的滾動接觸疲勞性能進一步下降。

圖9 含400 μm缺陷預滾試樣的失效形貌Fig 9 Failure morphology of the pre-rolled specimen with 400 μm defect(a)fatigue crack in the middle of defect;(b)crack local magnification map;(c)crack propagation;(d)peeling failure

3 有限元分析與疲勞壽命評估

為了確定缺陷尺寸對滾動接觸疲勞裂紋萌生規律的影響，首先通過有限元分析獲得缺陷附近材料的應力狀態，然后通過多軸疲勞模型分析缺陷尺寸對滾動接觸疲勞裂紋萌生位置和萌生壽命的影響。

3.1 有限元模型

參照上述試驗條件，建立如圖10所示的輪軌試樣接觸三維有限元模型，車輪試樣上圓孔狀缺陷的直徑分別為200和400 μm，深度均為200 μm。為了在提高計算速度的前提下兼顧計算效率，缺陷附近區域采用較細網格，其他區域則采用較為粗糙的網格。由于預滾試樣在后續試驗中的塑性變形較小，有限元分析使用彈性模型進行計算。車輪和鋼軌材料的彈性模量設定為206 GPa，泊松比設定為0.28。根據試驗中獲取的數據，車輪試樣和鋼軌試樣之間的摩擦因數設定為0.1。準靜態仿真過程共分為3個載荷步：(1)首先對車輪模型施加一個微小位移使車輪與鋼軌模型相互接觸；(2)對車輪-鋼軌模型施加1 200 MPa的接觸壓力；(3)車輪和鋼軌模型均滾動20°。

圖10 有限元模型Fig 10 Finite element model

3.2 應力分析

圖11給出了不同位置處的剪應力τxy變化歷程。可見，在接觸應力相同的條件下，試樣表面剪應力同時受到分析位置和缺陷尺寸的影響。圖12給出了不同位置材料在一個周期內受到的剪應力幅值(Δτxy=τxy, max-τxy, min)。缺陷尺寸為200 μm時，最大剪應力位于缺陷底部(點B)；缺陷尺寸為400 μm時，最大剪應力位于中部(點M)。車輪試樣表層受到的剪應力是引起疲勞裂紋萌生的主要因素，因此，最大剪應力的位置與試驗得到的滾動接觸疲勞裂紋萌生位置一致。

圖11 不同位置的剪應力變化歷程Fig 11 Shear stress history at different locations

圖12 不同位置的剪應力幅值Fig 12 Shear stress amplitude at different locations

缺陷通過減小輪軌試樣接觸面積增加接觸應力。當接觸中心到達缺陷中心時，點M的接觸應力隨著缺陷尺寸的增加而增加，剪應力也隨之增加。因此，400 μm缺陷的點M處剪應力大于200 μm缺陷的點M處剪應力。隨著缺陷尺寸的增加，缺陷底部的應力集中逐漸緩解。因此，當缺陷尺寸從200 μm增加至400 μm，最大剪應力幅值出現的位置從缺陷底部(點B)轉移至缺陷中部附近的材料上(點M)，滾動接觸疲勞裂紋的萌生位置也隨之轉移。

3.3 疲勞分析方法

基于有限元分析結果，根據多軸疲勞準則對車輪試樣可能發生疲勞失效的危險點進行疲勞評估[10-12]。由于剪切應變是衡量輪軌接觸疲勞損傷的主要參量，因此使用下式[13-14]評估各危險點的疲勞壽命：

(1)

表3所示為由低周疲勞試驗獲取的車輪鋼材料參數。

表3 材料參數Table 3 Material parameters

圖13所示為各個點以200 μm缺陷底部(點B)為基準計算的壽命。從計算結果來看，含200 μm缺陷試樣的危險點(即疲勞壽命最短點)位于缺陷底部(點B)，而含400 μm缺陷試樣的危險點位于缺陷中部附近(點M)，該計算結果與試驗結果相符。此外，200 μm缺陷點B接觸疲勞壽命低于400 μm缺陷點M的壽命，這與試驗結果矛盾。從圖7可見，雖然200 μm試樣經過了預滾壓處理，但是缺陷邊緣材料由于缺少約束仍然會發生塑性變形，從而使孔狀缺陷側面與底面的夾角由直角變為圓角。因此，缺陷底部的應力集中程度將得到大幅度緩解，疲勞壽命也將隨之增加。在仿真計算中考慮上述影響，需要建立圓角過渡的三維有限元模型，并進一步細化網格尺寸。文中由于計算能力的限制，未能考慮該影響因素，因此得到的含200 μm缺陷試樣的疲勞壽命偏短。

圖13 疲勞壽命分析結果Fig 13 Fatigue life analysis results

4 結論

(1)對于未預滾壓的車輪試樣，由于表層材料的塑性變形，缺陷尺寸隨滾動周次的增加而減小；超過一定周次后，由于塑性變形不再累積，缺陷尺寸基本保持不變。

(2)預滾壓處理通過減小表層材料的塑性變形，抑制缺陷尺寸的減小，從而降低車輪試樣的滾動接觸疲勞壽命。

(3)預滾壓處理試樣的疲勞壽命隨缺陷尺寸增加而減小。

(4)對于預滾壓處理試樣，當缺陷尺寸從200 μm增加至400 μm，最大剪應力幅值出現的位置從缺陷底部轉移至缺陷中部附近，滾動接觸疲勞裂紋的萌生位置也隨之轉移。