高鐵輪軌鋼的發(fā)展及高速下的輪軌損傷＊

莫 貝，燕青芝，王 曄

（北京科技大學(xué) 材料學(xué)院，北京100083）

高速鐵路憑借其安全、運(yùn)行速度快、運(yùn)輸能力大、受氣候變化影響小、能耗低、對(duì)環(huán)境影響小和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中占有重要的地位。研究結(jié)果表明［1］，運(yùn)行速度超過(guò)120 km／h后，列車的動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生顯著變化，隨著列車運(yùn)行速度的提高，車輪與鋼軌之間的磨損加劇，并且在高速列車的制動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生大量的摩擦熱，加劇了車輪和鋼軌因疲勞、剝離等引發(fā)的失效問(wèn)題［2］，給高速列車的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患，甚至發(fā)生安全事故，同時(shí)增加了鐵路檢修成本?，F(xiàn)代高鐵對(duì)輪軌材料提出了更高的要求，更高的耐磨性以及抵抗熱疲勞和接觸疲勞的性能。

1 國(guó)內(nèi)外高速列車輪軌用鋼的發(fā)展

1.1 國(guó)內(nèi)外車輪鋼的發(fā)展

早期歐洲各國(guó)的高速車輪用鋼普遍采用UIC 812－3標(biāo)準(zhǔn)的R7鋼。R7鋼屬中碳系鐵素體—珠光體鋼，其室溫?cái)嗔秧g性為KIC≈75 MPa·m1／2，在－60～－20℃的低溫下，其KIC穩(wěn)定在60 MPa·m1／2以上。為了進(jìn)一步提高其斷裂韌性，Valdunes公司對(duì)R7鋼的成分進(jìn)行了調(diào)整，碳含量由原來(lái)的0.52%降到0.50%以下，Cr的含量由0.25%提到0.30%，并填加少量的Al、Cu合金元素進(jìn)行強(qiáng)化，S、P含量控制在≤0.020%；經(jīng)成分調(diào)整后，輪輞的室溫?cái)嗔秧g性超過(guò)85 MPa·m1／2，而抗拉強(qiáng)度由原來(lái)的860～940 MPa降低到860～900 MPa，只有輕微降低。目前歐洲國(guó)家的車輪鋼主要使用ER7鋼。ER7對(duì)S、P等有害元素的控制非常嚴(yán)格，其含量遠(yuǎn)低于鋼R7［3］。

日本早期高速車輪材料為碳素鋼，牌號(hào)為SSW。SSW高速車輪鋼碳含量為0.60%～0.75%，其KIC（0℃）＜50 MPa·m1／2。日本研究者為提高車輪的抗裂損性能，開(kāi)發(fā)了 V2鋼［4］，加入0.18%～0.21%的 V，同時(shí)將C含量由原來(lái)的約0.65%下降到0.55%，從而使鋼的沖擊韌性和斷裂韌性值顯著提高，也相應(yīng)提高了車輪鋼抗裂損性能。目前日本高速車輪用鋼大多數(shù)選用ISO標(biāo)準(zhǔn)的車輪鋼，其他化學(xué)元素和力學(xué)性能要求基本和歐洲先前采用的R7鋼相同，主要化學(xué)成分要求：C≤0.52%，Si≤0.43%，Mn≤0.95%，P≤0.045%，S≤0.045%。

早期國(guó)內(nèi)車輪鋼是由馬鞍山鋼鐵股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的CL60。CL60鋼常溫輻板沖擊功（U型缺口）大于16 J，斷裂韌性為70.52 MPa·m1／2。2000年馬鋼技術(shù)中心與西安交通大學(xué)聯(lián)合研制了用于速度200 km／h列車的微合金化車輪鋼，該鋼種比原鋼種降低了含碳量，增加了合金元素的含量，并使用V進(jìn)行微合金化［5］。

上述車輪鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能數(shù)據(jù)列入表1、表2。

表1 國(guó)內(nèi)外車輪鋼主要化學(xué)成分 %

表2 國(guó)內(nèi)外車輪鋼力學(xué)性能

比較上述車輪鋼，化學(xué)成分上，歐洲添加多種微量元素來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化，日本C元素含量較高。有研究表明［6］，當(dāng)車輪鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～0.7%的范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著碳含量的增加，車輪鋼的強(qiáng)度和耐磨性能提高，而沖擊韌性及抗冷熱疲勞性能降低。故R7鋼降低碳含量來(lái)提高其韌性。對(duì)于微量元素在車輪鋼中的作用，崔銀會(huì)［7］等人研究表明在高速車輪鋼中加入少量的鉻，可在保持鋼的韌塑性基本不變的情況下，顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，有助于提高車輪鋼的耐磨性和抗接觸疲勞性能。鉻不僅對(duì)基體有固溶強(qiáng)化作用，而且可以細(xì)化珠光體片層，這對(duì)提高車輪的抗剝離性能有利。

力學(xué)性能檢測(cè)顯示，R7鋼和CL60鋼的斷裂韌性高于SSW鋼，故R7鋼和CL60鋼的抗脆斷能力更好。CL60鋼的硬度要高于R7鋼和SSW鋼，故CL60在耐磨損性上較R7鋼和SSW鋼表現(xiàn)好。通過(guò)對(duì)比R7、ER7、SSW、V2、CL60等鋼種，可以總結(jié)出國(guó)內(nèi)外高速車輪鋼主要發(fā)展趨勢(shì)是在保持一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高鋼的韌性，其主要方法是在鋼中添加微量元素進(jìn)行微合金化，提高車輪鋼的清潔度。

1.2 國(guó)內(nèi)外鋼軌鋼的發(fā)展

鋼軌按金相組織來(lái)分類可以分成：鐵素體加珠光體鋼軌，珠光體鋼軌，索氏體鋼軌，奧氏體鋼軌，貝氏體鋼軌。目前國(guó)內(nèi)外大量使用的是珠光體鋼軌。

由于各種珠光體鋼軌的化學(xué)成分和熱處理方式存在差異，故在強(qiáng)度和硬度上有差異。日本高速鐵路采用強(qiáng)度等級(jí)為800 MPa的熱軋珠光體鋼軌，其軌面硬度HB大于235。法國(guó)、德國(guó)以及其他歐洲國(guó)家高速鐵路均采用強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa的UIC 900 A鋼軌。國(guó)內(nèi)大量使用的鋼軌主要鋼種有抗拉強(qiáng)度為880 MPa級(jí)的U71 Mn，980 MPa級(jí)的 U75 V。U71 Mn鋼軌是C－Mn鋼軌，其含碳量較低，Mn含量較高，韌塑性較好，尤其低溫性能較好，焊接性能優(yōu)良［8］。U75 V鋼軌是微合金化鋼軌，是在U71 Mn鋼軌基礎(chǔ)上增加了碳、硅含量，添加了微合金元素釩，降低了Mn含量，其硬度、抗拉強(qiáng)度高于U71 Mn鋼軌。

表3 國(guó)內(nèi)外鋼軌鋼主要化學(xué)成分 %

表4 國(guó)內(nèi)外鋼軌鋼力學(xué)性能

化學(xué)成分中，碳對(duì)鋼軌鋼的性質(zhì)影響很大。提高鋼的含碳量，其抗拉強(qiáng)度、耐磨性及硬度均迅速增加。但含碳量過(guò)高，也會(huì)使鋼軌的伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌性顯著下降。碳對(duì)鋼軌鋼的影響可以從U75 V抗拉強(qiáng)度大于其他鋼種看出。U75V鋼硅含量也較高，硅易與氧化合，故能去除鋼中氣泡，增加密度，使鋼質(zhì)更加密實(shí)細(xì)致，提高鋼的含硅量能提高鋼軌的耐磨性能。U71 Mn鋼種錳含量高，鋼中錳可以提高鋼的強(qiáng)度和韌性，去除有害的氧化鐵和硫夾雜物，增加鋼抗磨性。紀(jì)緋緋［9］等研究表明Nb元素既可提高鋼的強(qiáng)度，又可改善鋼的韌性，是一種較理想的合金元素。

研究表明，珠光體鋼的硬度隨著珠光體片層間距的減少和珠光體中滲碳體含量的增加而增加［10］，目前對(duì)于珠光體鋼軌的研究主要集中在細(xì)化珠光體片層間距以提高強(qiáng)度和硬度，方法主要是合金化、熱處理或二者相結(jié)合。在鋼中加入合金元素Si，Mn，Cr，Mo，V等以固溶強(qiáng)化基體，可使CCT曲線向右移動(dòng)，這就可以在相同冷速下可獲得片間距更加細(xì)小的珠光體組織，提高強(qiáng)度，這就是合金化強(qiáng)化［11］。歐洲對(duì)合金化鋼軌例如鉻軌、鉻鉬軌的研究比較成熟，這些鋼種不僅有高強(qiáng)度，而且有較好的韌性。熱處理鋼軌是指對(duì)鋼軌進(jìn)行淬火、回火等熱處理后的鋼軌，根據(jù)工藝條件可分為離線熱處理鋼軌及在線熱處理鋼軌。

目前世界上新的高強(qiáng)度鋼軌的研發(fā)重點(diǎn)主要集中在貝氏體鋼軌上。下貝氏體中碳化物極均勻彌散地分布于鐵素體基體上，電鏡下這些碳化物呈短桿狀，排列整齊，故金相組織為下貝氏體的鋼軌鋼具有良好的綜合性能，可適用于大的沖擊負(fù)荷［12］。日本對(duì)貝氏體和珠光體鋼軌的綜合性能進(jìn)行了全面比較，其性能比較見(jiàn)表5。在抗拉強(qiáng)度相同的條件下，珠光體鋼軌要比貝氏體鋼軌更耐磨。貝氏體鋼軌在抗拉強(qiáng)度1 400 MPa下，其耐磨性能與抗拉強(qiáng)度1 300 MPa級(jí)熱處理珠光體鋼軌相當(dāng)，而其滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度比1 300 MPa級(jí)熱處理珠光體鋼軌高［13］。

表5 貝氏體鋼軌和珠光體鋼軌的綜合性能［13］

英國(guó)設(shè)計(jì)出一種無(wú)碳化物貝氏體的新型鋼軌來(lái)解決貝氏體鋼硬度高但耐磨性差這個(gè)問(wèn)題，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）為Fe—0.4C—1.5Si—2.0 Mn—0.25 Mo。并且采用Si合金化的方法來(lái)抑制滲碳體析出，使碳保留在殘余奧氏體內(nèi)，在室溫下保持殘余奧氏體的穩(wěn)定性。添加了Mo來(lái)阻止P引起的初始奧氏體晶界脆化［14］。這種高硅無(wú)碳貝氏體具有很高的耐磨性能和低溫沖擊韌性，滾動(dòng)接觸疲勞壽命幾乎是珠光體鋼軌的5倍。從上述可以看出目前高鐵鋼軌鋼主要發(fā)展趨勢(shì)是合金化和熱處理以及研發(fā)新型組織的鋼軌例如貝氏體鋼軌。

車輪鋼和軌道鋼的發(fā)展是由高鐵服役條件變化所驅(qū)動(dòng)的，其目的就在于減少高速下輪軌的損傷。高速下輪軌的損傷不僅會(huì)影響到輪軌的使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到列車行駛安全。

2 高速運(yùn)行下輪軌的損傷

2.1 磨損

輪軌鋼一般都具有較高的硬度，這是由于硬度是影響輪軌磨損的主要因素。

輪軌磨損一直是輪軌損傷的主要形式，眾多研究者多年來(lái)就輪軌材料對(duì)輪軌磨損的影響進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。有研究表明［15］磨損是由于輪軌表面氧化物不斷萌生與破裂導(dǎo)致。材料方面影響輪軌磨損的主要因素是硬度、組織、蠕滑率等。Sato等［16］利用雙圓盤滾動(dòng)試驗(yàn)機(jī)研究了硬度對(duì)輪軌材料變形、磨損的影響。其試驗(yàn)結(jié)果表明硬度越高，磨損越小。Perea－Unzueta和J.H.Beynon［17］對(duì)4種珠光體鋼軌進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，調(diào)查珠光體鋼軌鋼磨損過(guò)程中微觀組織的變化和抗磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果表明減小珠光體材料層間距，則材料硬度增大，鋼軌磨損率降低；薄的滲碳體能提高珠光體材料的抗磨損性能。Sato的試驗(yàn)還表明在同樣硬度條件下，珠光體材料的磨損率比回火馬氏體稍小。Ludger Deters和 Matt hias Proksch［15］通過(guò)兩輥模型研究表明在一定范圍內(nèi)輪軌的磨損率是隨蠕變率線性變化的，磨損不會(huì)有太大增長(zhǎng)，直到蠕變值超過(guò)約0.25%。

2.2 滾動(dòng)接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue）

對(duì)于高速鐵路，疲勞裂紋為其主要的損傷方式。因疲勞裂紋而造成的事故很多，例如英國(guó)一列速度為185 km／h的高速列車曾因踏面斜裂紋引起的鋼軌橫向斷裂而脫軌［18］。1998年德國(guó)高速列車因車輪疲勞斷裂而脫軌，造成100多人死亡的慘重事故［19］。

滾動(dòng)接觸疲勞是在一對(duì)滾動(dòng)接觸的接觸副相接觸過(guò)程中，由于接觸區(qū)的循環(huán)力作用，導(dǎo)致材料表面或次表面形成裂紋并發(fā)展以至于材料疲勞損傷失效。世界各國(guó)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的產(chǎn)生機(jī)理說(shuō)法不一，P.E.Bold等［20］認(rèn)為滾動(dòng)接觸疲勞是因棘輪效應(yīng)產(chǎn)生塑性累積變形，最后因累積變形達(dá)到材料的韌性極限，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。J.E.Gar nha m等［21］發(fā)現(xiàn)服役鋼軌表面經(jīng)過(guò)多次碾壓使得晶粒破碎細(xì)化，硬度升高，產(chǎn)生塑性變形層。D.T.Eadie等［22］認(rèn)為輪軌表面較高的摩擦力造成材料塑性流動(dòng)而產(chǎn)生疲勞。S.L.Wong等研究表明裂紋的生長(zhǎng)是受影響滾動(dòng)接觸疲勞的主要參數(shù)有效應(yīng)力強(qiáng)度和重疊的程度控制的［23］。B.Alfredsson和M.Olsson研究不認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生是由于塑性變形，而是產(chǎn)生在由于表明粗糙引起的高應(yīng)力區(qū)域［24－25］。Sato等的研究同時(shí)表明：裂紋萌生于表面并沿著塑性流線而不是沿著局部最大拉應(yīng)力的法向發(fā)展；在干態(tài)滾滑試驗(yàn)之后再進(jìn)行潤(rùn)滑狀態(tài)下滾動(dòng)或滾滑試驗(yàn)，裂紋更容易形成和擴(kuò)展。Kazuyuki Handa等［26］研究發(fā)現(xiàn)車輪踏面裂紋萌生的偏好是與軌道接觸的頻率有關(guān)的。裂紋在接觸區(qū)域以外是不會(huì)萌生和發(fā)展的，盡管它受到了熱載荷。這說(shuō)明滾動(dòng)接觸和循環(huán)熱載荷是踏面熱裂紋產(chǎn)生的必要條件。英國(guó)史密斯教授通過(guò)研究得出了RCF裂紋形成和擴(kuò)展的W型曲線［27］如圖1所示。

圖1 RCF裂紋的形成和擴(kuò)展W型曲線

曲線1表示由于嚴(yán)重的塑形變形和棘輪作用而造成的裂紋萌生。曲線2表示接觸應(yīng)力場(chǎng)下的裂紋擴(kuò)展初期，因液體作用加速，隨后可能因?yàn)閼?yīng)力下降而衰落。曲線3表示最后裂紋擴(kuò)展受組合應(yīng)力的控制，同時(shí)受殘余應(yīng)力等應(yīng)力的影響，速度不斷增加并造成斷裂。曲線4（虛線）表示由上述不同機(jī)理的疊加形成了復(fù)合裂紋擴(kuò)展速率。

2.3 磨損和疲勞之間的關(guān)系

目前很多研究表明磨損與疲勞裂紋損傷表現(xiàn)為相互爭(zhēng)競(jìng)與制約的耦合關(guān)系。王文?。?8］等在輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)試驗(yàn)證明鋼軌磨損嚴(yán)重時(shí)，疲勞裂紋損傷就表現(xiàn)輕微，通過(guò)增加磨損率能減輕鋼軌的滾動(dòng)疲勞損傷，有利于延長(zhǎng)鋼軌的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。鐘雯等［29］研究結(jié)果表明，材料硬度越高，磨損量越小，磨損面附近塑性變形層越薄，抗磨損性能越好，但高硬度材料裂紋擴(kuò)展較深，疲勞損傷嚴(yán)重。硬度略低的材料，磨損量大，磨損面附近塑性變形明顯，但由于部分剛萌生的微裂紋被磨去，疲勞損傷較為輕微。英國(guó)鐵路研究所利用Amsler試驗(yàn)機(jī)研究了歐洲鐵路鋼軌鋼UIC－860 900A在兩種硬度狀況下滾動(dòng)接觸疲勞壽命的差別。兩種硬度分別是BHN280（正常硬度）和BHN340（硬化處理過(guò)），通過(guò)滾動(dòng)接觸對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示硬化后的材料比硬化前的材料疲勞壽命高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且具有較大的摩阻［30］。F letcher和Beynon［31］利用在滾滑磨損試驗(yàn)機(jī)LEROS基礎(chǔ)上發(fā)展的SUROS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了干態(tài)條件下的輪軌材料試樣滾滑試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣滾過(guò)少量圈數(shù)后表面出現(xiàn)了小裂紋，同時(shí)發(fā)現(xiàn)滾過(guò)大約10 000圈后裂紋擴(kuò)展速率和表面磨損速率達(dá)到平衡，導(dǎo)致深度較淺的穩(wěn)態(tài)裂紋。英國(guó)史密斯教授指出了鋼軌磨損與RCF之間的相互作用［27］，輪軌表面特別高的磨損率會(huì)阻止裂紋的形成，也就是說(shuō)磨掉裂紋的速度比裂紋形成的速度快；磨損率降低時(shí)，不能阻止裂紋進(jìn)入彈性接觸應(yīng)力場(chǎng)，但是裂紋在離開(kāi)接觸應(yīng)力場(chǎng)時(shí)可能會(huì)停止擴(kuò)展，然后由組合應(yīng)力推進(jìn)其發(fā)展；磨損率進(jìn)一步降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致組合應(yīng)力將裂紋擴(kuò)展到軌頭，造成斷裂。由于高速下輪軌滾動(dòng)接觸疲勞造成的后果更加嚴(yán)重，所以在高速下我們可以合理利用磨損來(lái)控制滾動(dòng)接觸疲勞。

3 結(jié)束語(yǔ)

高鐵的發(fā)展要求高強(qiáng)度高韌性的鋼軌鋼和車輪鋼，微合金化、熱處理是提高鋼性能的途徑。高速度下輪軌接觸區(qū)材料的變化是值得探究的，通過(guò)研究接觸區(qū)材料的變化，可以揭示滾動(dòng)接觸疲勞的成因，從而找到減輕滾動(dòng)接觸疲勞的方法。高速下如何利用磨損來(lái)控制滾動(dòng)接觸疲勞是值得探討的問(wèn)題。

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