水介質(zhì)下打磨磨痕對鋼軌疲勞損傷的影響

郭 帥 趙相吉 何成剛 劉啟躍 郭 俊 王文健

西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都，610031

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，建設(shè)高效的運(yùn)輸系統(tǒng)變得越來越迫切，鐵路運(yùn)輸作為我國交通運(yùn)輸行業(yè)中重要的組成部分，迅速發(fā)展高速、重載鐵路線路也成為了重中之重［1］。線路上的列車頻繁運(yùn)行，鋼軌在反復(fù)載荷的作用下，塑性變形逐漸積累，其表面會形成各種微裂紋，然后在循環(huán)應(yīng)力的作用下，容易擴(kuò)展為嚴(yán)重的疲勞裂紋，對鋼軌壽命造成嚴(yán)重的影響［2－3］。鋼軌打磨作為經(jīng)濟(jì)有效的維修方式，可以很好地去除輪軌運(yùn)行過程中出現(xiàn)在鋼軌表面上的損傷層［4］。鋼軌打磨是利用安裝于打磨列車上的磨石的高速旋轉(zhuǎn)來去除鋼軌表面材料，磨石在去除鋼軌損傷層的過程中必然產(chǎn)生大量的熱，這些熱量會使鋼軌表面發(fā)生組織變化，產(chǎn)生有危害作用的白層和磨削裂紋［5－6］。鋼軌打磨所用的磨石是由磨粒組成的，打磨過后鋼軌表面上會留下大量肉眼可見的磨削溝痕［7］，在鋼軌上存在水、油等第三介質(zhì)時，這種磨痕的存在使得輪軌接觸面間的壓力分布極不均勻，可能會大大加速鋼軌的疲勞破壞，嚴(yán)重危害到鋼軌的壽命［8－9］。

國內(nèi)外學(xué)者對存在不同表面形貌的鋼軌服役行為進(jìn)行了大量研究。CHEN等［10］以塑性流動、硬度、晶體軸密度三種手段表征了干態(tài)下打磨磨痕粗糙度對鋼軌疲勞損傷的影響，結(jié)果表明干態(tài)下粗糙度的影響作用很小。GAO等［11－12］通過相關(guān)試驗(yàn)探究水油介質(zhì)下鋼軌表面存在缺陷時疲勞裂紋的擴(kuò)展情況，指出橫向的犁溝缺陷會促使表面出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀裂紋。KHALLADI等［13］研究了表面具有不同磨痕方向鋼軌的磨損行為，發(fā)現(xiàn)45°方向磨痕造成的磨損最大。SVAHN等［14］利用銷盤試驗(yàn)機(jī)研究了純滑動時不同輪軌表面形貌對磨損、摩擦因數(shù)、噪聲的影響。蔡寶春等［15］通過試驗(yàn)和仿真計(jì)算分析了輪軌試樣表面粗糙度取向?qū)τ蜐櫥瑮l件下摩擦因數(shù)的影響。方新燕［16］通過開展紋理表面的油膜潤滑數(shù)值模擬研究，揭示了表面紋理角度對表面潤滑性能、流體承載能力的影響規(guī)律。然而，對于水介質(zhì)下不同打磨磨痕角度鋼軌的滾動接觸疲勞損傷行為研究，國內(nèi)外學(xué)者尚未涉足。本文利用MMS-2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了水介質(zhì)下不同打磨磨痕角度鋼軌的滾動接觸疲勞損傷行為，揭示打磨磨痕角度對鋼軌滾動接觸疲勞損傷的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 輪軌材料及鋼軌試樣處理

試驗(yàn)使用的鋼軌試樣取自鋼軌軌頭，材料為U71MnG，車輪試樣取自車輪踏面，材料為CL60，試樣取樣位置和尺寸如圖1所示。初始的輪軌試樣表面粗糙度約為0.8μm，其化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見表1和表2。

圖1 輪軌試樣取樣位置及尺寸Fig.1 Sampling position and scheme of wheel and rail rollers

表1 輪軌材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of wheel／rail materials（mass fraction） %

表2 輪軌材料機(jī)械性能Tab.2 Mechanical properties of the wheel／rail materials

為了模擬出實(shí)際打磨后鋼軌表面的打磨磨痕，并達(dá)到現(xiàn)場粗糙度Ra小于10μm的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)前使用80號棕剛玉砂紙對鋼軌試樣表面進(jìn)行反復(fù)打磨。鋼軌試樣表面打磨為分別與滾動方向成0°、20°、45°、70°、90°夾角的磨痕，考慮到實(shí)驗(yàn)室打磨處理的條件，打磨后的鋼軌試樣表面粗糙度Ra保持在1.5μm左右。結(jié)合試樣的大小，一個試樣上只能達(dá)到3處不同的磨痕，故5個角度的磨痕分別處理在2個試樣上。1號鋼軌試樣上處理成0°、45°和90°角度的磨痕，2號鋼軌試樣上處理成0°、20°、70°角度的磨痕，如圖2所示。處理后的鋼軌試樣表面如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在MMS-2A輪軌摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為了模擬現(xiàn)場中輪軌的接觸狀態(tài)，試驗(yàn)采用兩個輪形試樣對滾的方法，其中，上試樣為鋼軌試樣，下試樣為車輪試樣。

圖2 鋼軌試樣處理示意圖Fig.2 Schematic of rail sample processing

圖3 處理過和未處理過的鋼軌試樣表面OM照片F(xiàn)ig.3 OM micrographs of treated and untreated surface of rail specimen

試驗(yàn)參數(shù)如下：下試樣轉(zhuǎn)速為200r／min，蠕滑率為0.91%，結(jié)合文獻(xiàn)［9］并考慮預(yù)試驗(yàn)中打磨磨痕的影響作用，利用赫茲接觸理論計(jì)算，最終選擇1 000MPa來模擬輪軌接觸應(yīng)力。試驗(yàn)在水介質(zhì)下進(jìn)行，以5mL／min的流速連續(xù)均勻地將常溫自來水滴到鋼軌試樣上方，這樣在輪軌接觸斑之間就能形成水膜，從而模擬降雨工況。考慮文獻(xiàn)［17］中相關(guān)論述，干態(tài)下5 000次循環(huán)后，鋼軌試樣表面會形成比較明顯的微裂紋，經(jīng)過表面打磨處理后，依舊會有一定的殘留微裂紋存在。所以試驗(yàn)首先在干態(tài)工況下進(jìn)行5 000次循環(huán)，然后在試樣表面不同位置進(jìn)行統(tǒng)一的打磨處理，最后在水態(tài)工況下運(yùn)行95 000次循環(huán)。

試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，利用粗糙度輪廓儀（JB-6C，Japan）測量試驗(yàn)前后鋼軌試樣表面粗糙度Ra的變化，為了保證試驗(yàn)前磨痕粗糙度測量的準(zhǔn)確性，儀器測針運(yùn)行方向與試樣表面打磨磨痕垂直；利用光學(xué)顯微鏡（OM）（OLYMPUS BX60M，Japan）分析試驗(yàn)完成后試樣剖面裂紋情況并統(tǒng)計(jì)裂紋數(shù)據(jù)；然后使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，利用掃描電子顯微鏡（SEM）（JSM-7001F，Japan）進(jìn)一步觀察不同磨痕角度區(qū)域剖面裂紋的特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面粗糙度

圖4 試驗(yàn)前后鋼軌試樣表面粗糙度Fig.4 Surface roughness Ra of rail specimens before and after testing

試驗(yàn)前后鋼軌試樣表面粗糙度Ra變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯囼?yàn)前打磨造成的較大粗糙度差異，經(jīng)過輪軌試樣滾動運(yùn)行后并沒有繼續(xù)呈現(xiàn)，但是在不同的打磨磨痕角度試驗(yàn)區(qū)域表現(xiàn)出來，隨著磨痕角度的增大，粗糙度比光滑對比區(qū)域分別高出18.3%、26.4%、21.5%、－6.7%、－14.6%，這是因?yàn)殇撥壴嚇由系拇蚰ツズ凼沟盟橘|(zhì)的流動呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。打磨磨痕角度在0°～45°范圍時，磨痕偏向于“儲水”功用，儲水造成磨痕中的水壓增大，這對試樣的破壞較為嚴(yán)重，表面剝離起皮等損傷現(xiàn)象突出，使得粗糙度相對偏高；打磨磨痕角度大于45°后，磨痕的“排水”功用更為突出，當(dāng)輪軌接觸時，裂紋內(nèi)的部分水介質(zhì)會被擠出并沿著磨痕流出，該區(qū)域的疲勞剝離就輕微許多，表面則相對光滑一些。

2.2 鋼軌疲勞裂紋

不同打磨磨痕角度區(qū)域和光滑區(qū)域的鋼軌試樣剖面照片見圖5。由圖5a可以看到，沒有預(yù)制打磨磨痕的光滑區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的疲勞裂紋，這是因?yàn)樵嚇釉诟蓱B(tài)條件下經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，其表面已經(jīng)出現(xiàn)了微裂紋。當(dāng)鋼軌表面出現(xiàn)水介質(zhì)時，車輪試樣滾向裂紋，水介質(zhì)會隨著裂紋的張開而進(jìn)入裂紋，隨后裂紋面受擠壓閉合，裂紋中的液體將無法被排出。同時由于液體的不可壓縮性，使得裂紋表面受到垂直壓力從而阻止裂紋閉合，在 一定程 度上加速 了裂紋 擴(kuò) 展［8，18－19］。因?yàn)楣饣瑓^(qū)域沒有打磨磨痕，水介質(zhì)只能無規(guī)則地沿運(yùn)行方向流動，對凹陷或者較為脆弱處容易形成比較大的破壞，所以該處會出現(xiàn)共用一個開口的平行裂紋，如圖5a所示。

圖5 不同打磨磨痕角度鋼軌試樣疲勞裂紋Fig.5 Fatigue crack of rail specimens with different angles of grinding marks

0°打磨磨痕的情況下，磨痕的凹槽主要起到儲水的作用，如圖6所示，0°磨痕末端不處于開放區(qū)，水介質(zhì)無法從試樣側(cè)面流出，只能在磨痕中受擠壓向前運(yùn)動，而流動的水介質(zhì)不斷沖擊表面微裂紋，會提前促進(jìn)它的擴(kuò)展。當(dāng)擴(kuò)展過的裂紋進(jìn)入輪軌接觸區(qū)域時，水介質(zhì)被封閉在裂紋內(nèi)部，在垂向載荷的作用下，裂紋內(nèi)部形成更大的水壓，再次促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。相比光滑區(qū)域，0°磨痕處的裂紋每經(jīng)過一次循環(huán)轉(zhuǎn)動，要受到兩次促進(jìn)作用，所以0°磨痕處的裂紋要比光滑區(qū)域深，分布也比較密集（圖5b）。

圖6 鋼軌試樣上0°～70°磨痕中水介質(zhì)示意圖Fig.6 Water medium schematic in the 0°～70°grinding marks of rail specimen

當(dāng)打磨磨痕與運(yùn)行方向成20°時，磨痕的存在同樣主要起到“儲水”功能，且其作用與0°磨痕接近相同，對裂紋的擴(kuò)展作用要大于光滑區(qū)域。但是0°磨痕與20°磨痕中水介質(zhì)的流速是不同的。圖6中，L1表示鋼軌試樣上試驗(yàn)區(qū)域0°磨痕的長度，L2表示20°磨痕的長度。磨痕中的水介質(zhì)從磨痕始端到末端，在0°磨痕區(qū)域流動的距離為L1，20°磨痕區(qū)域流動的距離為L2，根據(jù)幾何關(guān)系，L2＞L1。因?yàn)殇撥壴嚇拥霓D(zhuǎn)速是一定的，即無論0°磨痕還是20°磨痕，其中的水介質(zhì)從磨痕始端流到末端的時間是相等的，所以20°磨痕中的水介質(zhì)流速v2要大于0°磨痕中水介質(zhì)流速v1，相對而言，20°磨痕區(qū)域的微裂紋就會受到更大的沖擊作用，擴(kuò)展則更為嚴(yán)重。而當(dāng)裂紋的擴(kuò)展達(dá)到一定深度時，根據(jù)文獻(xiàn)［20］，深的裂紋進(jìn)入輪軌接觸區(qū)域，水介質(zhì)可能沒有足夠的時間到達(dá)裂紋的尖端，這使得裂紋尖端受到的剪切應(yīng)力強(qiáng)度幅值低于裂紋擴(kuò)展機(jī)制的臨界值，裂紋則會出現(xiàn)分支現(xiàn)象，如圖5c所示。

當(dāng)打磨磨痕角度為45°時，相比前兩者，磨痕的一側(cè)是開放的，同樣如圖6所示，45°磨痕的末端處于鋼軌試樣的側(cè)面，屬于開放區(qū)域，水介質(zhì)受擠壓向前流動并由側(cè)面流出，使得磨痕中的水壓小于0°、20°磨痕區(qū)域，水介質(zhì)對損傷的作用弱于0°磨痕與20°磨痕區(qū)域，所以該區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)得較為輕微，如圖5d所示。

70°磨痕區(qū)域（圖5e），同樣是單側(cè)開放，但是磨痕在運(yùn)行方向的分量比較小，水介質(zhì)對裂紋在試樣運(yùn)行方向的擴(kuò)展作用較小，且從圖6可以看出，70°磨痕中的水介質(zhì)較45°磨痕更早地流出，則在相同的時間內(nèi)70°磨痕排出更多的水介質(zhì)，使得70°磨痕中的水壓比45°磨痕更小，所以裂紋的擴(kuò)展比45°磨痕更為輕微。

當(dāng)磨痕方向與運(yùn)行方向成90°時，磨痕兩側(cè)開放，嚴(yán)重的側(cè)流現(xiàn)象使得水介質(zhì)大多向外流出［21－23］，只有較少一部分進(jìn)入裂紋中，所以此處的裂紋大多生長在表層，水介質(zhì)頻繁作用于裂紋的開口處，使得該區(qū)域裂紋的開口比較明顯，如圖5f所示。

綜上所述，水介質(zhì)下打磨磨痕的存在對鋼軌疲勞裂紋的擴(kuò)展有很大的影響。0°～45°角度的磨痕區(qū)域，其疲勞裂紋的擴(kuò)展比較明顯，20°磨痕區(qū)域的裂紋甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的分支；磨痕角度大于45°時，疲勞裂紋的擴(kuò)展情況較為輕微，且磨痕角度越大，裂紋深度方向的擴(kuò)展越不明顯。

2.3 鋼軌疲勞裂紋深度和角度

通過對鋼軌試樣切割、磨樣、光學(xué)顯微鏡拍照儲存、CAD軟件測量換算裂紋實(shí)際深度，統(tǒng)計(jì)出試樣運(yùn)行方向上5mm區(qū)域內(nèi)所有裂紋的尖端到試樣表面垂直距離的平均值。數(shù)據(jù)整理后得到鋼軌試樣不同打磨磨痕角度區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展的平均深度，如圖7所示?？梢钥闯?，0°～45°打磨磨痕區(qū)域的裂紋擴(kuò)展深度要比45°～90°磨痕區(qū)域和光滑區(qū)域大很多，且呈現(xiàn)先增大又減小的趨勢；當(dāng)磨痕角度從45°開始增大時，裂紋的平均擴(kuò)展深度迅速減小，甚至小于光滑區(qū)域的裂紋深度，即45°的打磨磨痕作為一個分界線，磨痕角度小于45°時，它引起的裂紋擴(kuò)展情況要比正常擴(kuò)展的光滑區(qū)域嚴(yán)重；而磨痕角度大于45°時，造成的裂紋擴(kuò)展比光滑區(qū)域輕微。將打磨磨痕從0°～90°整體的情況來分析時，疲勞裂紋的擴(kuò)展深度先增大然后逐漸減小。

圖7 疲勞裂紋平均深度Fig.7 Average depth of fatigue crack

試樣各對應(yīng)區(qū)域疲勞裂紋的平均擴(kuò)展角度如圖8所示。同理，統(tǒng)計(jì)了試樣運(yùn)行方向上5mm區(qū)域所有裂紋擴(kuò)展方向與試樣表面夾角的平均值。0°、20°打磨磨痕處的裂紋擴(kuò)展角度相近（接近60°），而隨著打磨磨痕的角度繼續(xù)增大，裂紋擴(kuò)展角度逐漸減小。這是因?yàn)檩嗆壴嚇訚L動運(yùn)行中，水介質(zhì)受擠壓對鋼軌試樣產(chǎn)生的沖擊力與鋼軌試樣受到的摩擦力方向相反，當(dāng)水介質(zhì)形成的沖擊力增大時，鋼軌試樣受到的切向合力在減小，那么與垂向力合成的力的角度在增大，由文獻(xiàn)［24］可知，載荷角度越大，加載復(fù)合比越大，裂紋擴(kuò)展角度也越大。所以當(dāng)磨痕角度大于或等于45°時，磨痕中水介質(zhì)的沖擊減小，鋼軌試樣切向受到的力增加，合力角度卻減小，最終使得裂紋的擴(kuò)展角度減小。

圖8 疲勞裂紋平均擴(kuò)展角度Fig.8 Average propagation angle of fatigue crack

3 結(jié)論

（1）水介質(zhì)下打磨磨痕對輪軌后續(xù)運(yùn)行中的鋼軌表面粗糙度的影響主要取決于磨痕對水介質(zhì)的功用，當(dāng)打磨磨痕主要起到儲水功能（如0°～45°打磨磨痕）時，磨痕中的水壓較大，大的水壓對磨痕以及試樣表面的破壞比較嚴(yán)重，剝離起皮等損傷突出，使得鋼軌表面比較粗糙，粗糙度值就略高；而磨痕起到排水作用（如45°～90°打磨磨痕）時，水介質(zhì)主要從磨痕端部或者試樣兩側(cè)流出，無法形成對磨痕起到較大破壞作用的水壓，則鋼軌表面較為光滑，粗糙度則略低。

（2）水介質(zhì)下打磨磨痕的存在對鋼軌試樣疲勞性能有很大的影響。0°～45°的打磨磨痕在一定程度上削弱了鋼軌試樣的疲勞性能，使得磨痕區(qū)域裂紋擴(kuò)展比較嚴(yán)重，20°磨痕區(qū)域甚至出現(xiàn)了分支裂紋；而打磨磨痕角度大于45°時，其側(cè)流現(xiàn)象比較突出，反而增強(qiáng)了鋼軌試樣的抗疲勞性能，磨痕區(qū)域的裂紋逐漸變得輕微，90°的磨痕區(qū)域基本只存在表層裂紋。

（3）打磨磨痕的存在使得疲勞裂紋的擴(kuò)展深度和角度呈現(xiàn)了一定的規(guī)律性；打磨磨痕角度從0°～90°逐漸增大時，裂紋擴(kuò)展深度先變大后變小，而裂紋擴(kuò)展角度基本上呈減小趨勢。