高速鐵路鋼軌硌傷疲勞擴展模擬試驗研究

周韶博尹利鈞楊光李英奇劉佳朋趙鑫

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031

高速鐵路鋼軌硌傷已引起鐵路工務部門的普遍重視［1-2］。鋼軌硌傷多由車輪碾壓異物產生，在鋼軌表面形成凹坑，影響軌道縱向平順性，其尖銳邊緣還可能造成車輪踏面傷損。凹坑在輪軌載荷持續作用下進一步發展為滾動接觸疲勞傷損，危及行車安全。凹坑的深度和幾何形狀均影響硌傷的疲勞擴展，現場典型的鋼軌硌傷有圓錐形、方錐形、球形、長條形4種［3］。

文獻［4］通過數值計算得出了包含硌傷在內的軌頭表面缺陷發展為隱傷的關鍵尺寸是6~8 mm。文獻［5］通過試驗發現硌傷凹坑內的裂紋會在水潤滑作用下急劇擴展，裂紋角度越大越容易向內部擴展。文獻［6］通過測試發現硌傷坑底部的材料抗疲勞性能最差。文獻［7］對某鋼軌踏面的硌傷進行了分析，發現硌傷后的鋼軌基體組織產生了微裂紋和嚴重塑性變形。文獻［8］發現硌傷坑尺寸的增大會增加鋼軌產生滾動接觸疲勞的風險。

本文通過實驗室條件下小比例鋼軌試樣表面預制硌傷的滾動疲勞試驗，模擬研究不同幾何形狀和深度鋼軌硌傷的疲勞擴展規律和特征，為高速鐵路鋼軌硌傷合理限值的確定提供試驗基礎和數據支撐。

1 試驗材料及方法

試驗采用GPM-30雙盤式（Twin-disc）摩擦磨損試驗機（圖1）。該型試驗機可通過控制轉速、接觸壓力、蠕滑率、潤滑條件等參量模擬不同工況下金屬材料純滾動以及滾滑復合狀況下的摩擦磨損行為。

圖1 GPM-30試驗機和輪軌試樣安裝

選用我國高速鐵路使用的ER8車輪及U71MnG鋼軌材料，主要合金元素及含量見表1。ER8車輪、U71MnG硬度分別為261、277 HV0.5，伸長率分別為17.5%、15.0%。

表1 試驗用輪軌材料主要合金元素及含量 %

輪軌圓盤形試樣分別取自車輪輪輞中部及鋼軌軌頭上部，如圖2所示。試驗機上下主軸轉速相同，通過設置輪軌試樣直徑差來模擬輪軌間黏著飽和狀態的惡劣工況。車輪試樣直徑取60.00 mm，鋼軌試樣直徑取59.52 mm，相應蠕滑率為-0.8%。輪軌試樣厚度均為20 mm，鋼軌試樣上設有厚5 mm的凸臺（圖3）。

圖2 輪軌試樣取樣位置示意（單位：mm）

圖3 輪軌試樣尺寸及接觸示意（單位：mm）

試驗中模擬的高速鐵路動車組軸重17 t，輪徑920 mm，鋼軌軌頂圓弧半徑為300 mm，輪軌材料楊氏模量取206 GPa，泊松比取0.28；采用Hertz接觸理論計算可得接觸斑最大法向應力為1 150 MPa；相應實驗室輪軌試樣所需施加試驗力為2 699 N。試驗機主軸轉速設置為900 r/min，為加速鋼軌試樣硌傷的裂紋萌生和擴展，采用油潤滑條件。試驗總循環達到50萬轉（約10 h）或傷損發展導致機器振動超過25 dB時停機。

采用機床壓制方式在鋼軌試樣表面預制硌傷，如圖4所示，從左到右依次為圓錐形、方錐形、球形、長條形硌傷。每個試樣圓周上均勻預制8或16個硌傷（輪盤U5為16個，其余為8個）。Hertz理論計算鋼軌試樣承受的最大剪應力位置在接觸表面以下0.745a~0.785a處（a為接觸斑短軸半長），深約0.23 mm。結合文獻［9］試驗結果，預制硌傷深度取0.1~0.3 mm。試樣硌傷深度見表2。其中軌盤U5上有8個硌傷預定深度為200 μm，另8個為250 μm。

表2 預制硌傷試樣硌傷深度 μm

圖4 預制硌傷壓頭示意（單位：mm）

試驗前后使用MVK-H21顯微硬度計、電子天平、OLS4100激光共焦顯微鏡、金相顯微鏡等儀器分別對試樣表面硬度、質量、表面形貌及凹坑深度、局部滾動接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue，RCF）傷損的剖面金相組織和形貌進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 加工硬化與磨耗

試驗前后各組輪軌試樣的表面維氏硬度和質量損失測試結果見圖5。可知：軌盤試樣硬度增加值為6~12 HV0.5，輪盤試樣硬度增加值為11~27 HV0.5；試驗前后的質量損失則均在20 mg以內，鋼軌試樣略高于車輪試樣。與干態試驗結果相比［10］，輪軌試樣的加工硬化和磨損都較為輕微，這與油態下試樣間的摩擦因數顯著較小有關。

圖5 試驗前后各組輪軌試樣表面硬度和質量損失

2.2 表面形貌和硌傷深度

試驗過程中，多數硌傷沒有擴展形成顯著的疲勞裂紋和剝離掉塊傷損，硌傷坑的深度都顯著減小，見圖6、圖7。圖7中x為車輪滾動方向，z為垂直于鋼軌表面方向。

圖6 各典型硌傷試驗前后表面形貌

圖7 各典型硌傷的深度變化曲線

由圖6、圖7可知：試驗后，圓錐形和方錐形硌傷的寬度和深度都明顯縮小，在沿滾動方向的切向力作用下被拉長為橢圓形，形似一條溝槽；球形硌傷坑邊緣在滾動接觸載荷下發生鈍化，隨著滾動循環次數增加被逐漸磨平；長條形硌傷坑在試驗過程中發生閉合，演化為一條橫向的細線。

2.3 局部滾動接觸疲勞傷損

根據鋼軌試樣傷損特征將硌傷疲勞擴展形成的局部RCF傷損分為表面裂紋、淺層剝離和深層掉塊。

圖8（a）和圖8（b）分別為U3-3#方錐形硌傷試驗前后的表面形貌。可知：該硌傷在試驗后出現了表面裂紋和輕微剝離，硌傷坑尺寸在試驗后顯著縮小，但在凹坑邊緣有多處不同方向的疲勞裂紋分布，且裂紋走向不一。試驗后凹坑的縱向剖面金相照片見圖8（c）。可知：方框區域有不規則的細微裂紋和空穴，次表面的空穴是硌傷凹坑受塑性變形影響未完全閉合而形成的；在硌傷中后位置有沿滾動方向擴展的多個疲勞裂紋，擴展深度達150 μm。

圖8 U3-3#方錐形硌傷表面形貌和縱向剖面金相照片

圖9（a）和圖9（b）分別為U1-1#圓錐形硌傷試驗前后的表面形貌。可知：硌傷坑發生了淺層的剝離掉塊。試驗后凹坑的縱向剖面金相照片見圖9（c）。可知：裂紋起源于硌傷坑的后緣，沿25°方向斜向下擴展，主裂紋最大深度達872 μm，且底部分叉后較大的枝裂紋已轉向向上擴展；主裂紋在擴展中產生了3處較嚴重的枝裂紋，沿60°方向向上擴展，與起源于表面的裂紋交匯，將引發更嚴重的剝離掉塊。

圖9 U1-1#圓錐形硌傷表面形貌和剖面照片（單位：mm）

圖10為U2-8#長條形硌傷試驗前后表面形貌和試驗后凹坑縱向剖切后的金相照片。可知：裂紋同樣起源于硌傷凹坑的后緣，沿28°方向向下擴展，主裂紋最大深度達到1 625 μm；疲勞部位已經發生兩次較大的剝離掉塊；與圓錐形硌傷疲勞裂紋相似，該硌傷主裂紋的擴展過程中也產生了多個向上發展的枝裂紋。

圖10 U2-8#長條形硌傷表面形貌和剖面照片（單位：mm）

3 統計分析

試驗中4類共56個硌傷中，有14個硌傷進一步發展為局部RCF傷損，見表3。可知：球形硌傷在試驗中產生的局部RCF傷損最少，僅有1個；3個方錐形硌傷導致的RCF傷損均為表面裂紋類型；圓錐形和長條形硌傷各發展出5個局部RCF傷損。整體來看，發生RCF傷損的硌傷初始深度集中在150 μm以上，圓錐形和長條形硌傷更容易發展出局部RCF傷損。

表3 鋼軌試樣局部RCF傷損信息匯總

硌傷的滾動疲勞發展與硌傷的深度、幾何形狀密切相關。鋼軌硌傷是鋼軌表面的一種缺口傷損，在滾動循環中，缺口不承受外力而將其傳遞至缺口前方材料，會產生應力集中。應力集中的程度用理論應力集中系數（因子）Kt表示，Kt=σmax/σn，其中σmax和σn分別為集中應力和名義應力。缺口越尖銳，Kt值越大，表明應力集中現象越顯著，同時缺口試樣的疲勞極限下降也越多［11］。4種硌傷形式中，相同深度下球形硌傷的Kt最小，圓錐形硌傷的Kt最大，方錐形和長條形硌傷介于二者之間，相應地在試驗中產生不同程度的應力集中和局部材料疲勞極限下降。此外，硌傷坑外形越尖銳，深度越大，硌傷坑內部和邊緣材料的塑性應變也越大［12］，進一步影響硌傷坑內部材料疲勞裂紋萌生。

球形硌傷坑為半徑2 mm的部分球面。在深度較小時，硌傷坑內部材料的變形輕微，整體協調變形使得硌傷坑邊緣被壓延、鈍化并趨于消失；當深度增加至150 μm以上時，塑性應變加速累積，局部強度和殘余應力的提高使其無法通過協調變形而變得平整，但應力和應變分布仍相對均勻，不易產生疲勞裂紋。

對于圓錐形和方錐形硌傷，底部尖角和棱邊位置非常尖銳，可能在預制硌傷時產生裂紋［7］，硌傷后的殘余應力和應變也顯著高于其他硌傷形式。硌傷深度較大時，這2種硌傷在滾動疲勞試驗中傾向于閉合，但底部和棱邊位置因難于變形而形成空穴和微裂紋（參見圖7），在滾動載荷和油楔效應作用下產生局部RCF傷損。這種硌傷凹坑頂部閉合而內部存在空穴和微裂紋的傷損狀態，可能是鋼軌隱傷的一種產生方式。

長條形硌傷模擬條形鐵釘類異物的硌入，其兩端與圓錐形、方錐形的尖端相似；試驗中深層的剝離掉塊多起源于長條形硌傷的兩端位置。此外，由于長條形硌傷較長，兩端位于鋼軌試樣接觸面的邊緣［參見圖10（a）］，與接觸面中心的硌傷形式相比缺少橫向約束，其橫向塑性變形疊加也對傷損發展有不利影響。

油潤滑條件不僅降低了表面的摩擦因數，減輕了磨損的影響，而且由于潤滑油進入凹坑和疲勞裂紋內部而引起的油楔效應，加速了硌傷傷損的滾動疲勞發展。此外，考慮到尺寸效應的影響，為模擬實際大小高速鐵路鋼軌硌傷的演化行為，應結合干態試驗和數值模擬手段開展實尺鋼軌硌傷疲勞擴展的研究。

4 結論與建議

在U71MnG鋼軌試樣上預制深度為0.1~0.3 mm的圓錐形、方錐形、球形、長條形硌傷，以ER8車輪材料為對磨副，在油潤滑條件下開展了6組雙盤式滾滑疲勞對比試驗。主要結論如下：

1）試驗后輪軌試樣表面的加工硬化和磨損都較為輕微。

2）4類56個硌傷中有14例硌傷發展為局部RCF傷損，表現為表面裂紋、淺層剝離和深層掉塊。硌傷進一步擴展為局部RCF傷損的臨界深度約為150 μm。

3）從局部RCF傷損的數量統計來看，4類硌傷形式中球形硌傷發生滾動接觸疲勞的可能性最小，圓錐形和長條形硌傷的可能性最大。

4）硌傷的滾動疲勞發展與硌傷坑深度、硌傷幾何形狀密切相關。擁有大深度和尖銳幾何的硌傷形式更容易產生應力集中和塑性應變累積，具有更低的疲勞極限，從而更容易產生疲勞裂紋。

由于油潤滑條件對鋼軌硌傷后的疲勞發展有顯著的加速作用，有必要繼續開展實驗室條件下的小比例干態對比試驗。可繼續開展鋼軌硌傷實尺疲勞試驗，探索尺寸效應的影響，為鋼軌的科學養護維修提供理論支撐。