不均勻組織對(duì)高速動(dòng)車組車輪踏面剝離損傷的影響

張關(guān)震，任瑞銘，吳 斯，張澎湃，叢 韜，趙方偉，高俊莉

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

車輪是鐵路機(jī)車車輛走行系統(tǒng)的核心部件，其服役安全受到高度關(guān)注[1-2]。尤其是近年來隨著國(guó)內(nèi)鐵路高速、重載技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)車輪材料的組織均勻性和綜合性能提出了更高的要求[3-4]。目前，我國(guó)鐵路車輪主要采用顯微組織為珠光體和鐵素體的中碳鋼材料，其在服役過程中最常見的失效形式是踏面損傷，如踏面擦傷、裂紋、剝離等[5-6]。近期，我國(guó)動(dòng)車組車輪就發(fā)生了幾起踏面剝離損傷，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這些車輪失效時(shí)的走行公里數(shù)均未超過30萬(wàn)km，遠(yuǎn)低于動(dòng)車組車輪240萬(wàn)km的正常服役壽命。動(dòng)車組車輪踏面過早的出現(xiàn)剝離損傷不僅會(huì)影響其運(yùn)行安全，而且也會(huì)加重車輪鏇修或換輪的頻次，增加車輪的維護(hù)成本，即在降低車輪使用壽命的同時(shí)也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)這些故障車輪的初步分析發(fā)現(xiàn)，車輪踏面表層中存在的不均勻組織與車輪踏面過早的出現(xiàn)剝離損傷有著密切的相關(guān)性[7]。但目前對(duì)于車輪不均勻組織的類型及其導(dǎo)致車輪踏面過早出現(xiàn)剝離的作用機(jī)理尚不明確。

本文以某型動(dòng)車組過早出現(xiàn)踏面剝離損傷的典型車輪為研究對(duì)象，對(duì)其損傷區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)、微區(qū)性能和成分進(jìn)行深入研究，并探討不均勻組織的形成原因及其對(duì)踏面剝離的影響機(jī)制。該研究旨在為改進(jìn)和提高車輪制造質(zhì)量，防止此類車輪損傷的再次發(fā)生提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)對(duì)象為某型動(dòng)車組服役77 953 km發(fā)生踏面剝離的典型失效車輪，該車輪為BS:EN13262:2004+A2:2011標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱EN標(biāo)準(zhǔn))中的ER8牌號(hào)。按照EN標(biāo)準(zhǔn)要求分別對(duì)失效車輪的化學(xué)成分及主要性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別見表1、表2。

表1 車輪化學(xué)成分的測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 車輪主要性能的測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求

采用鋸切法在車輪踏面剝離處切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后(金相腐蝕液：4%硝酸酒精)，分別采用Leica DMI5000M型光學(xué)顯微鏡(OM)，F(xiàn)EI Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)以及Tecnai G2 F30 S-TWIN型場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電鏡(TEM)對(duì)剝離處的微觀組織及損傷特征進(jìn)行觀察。金相試樣的取樣位置及觀察面如圖1所示。

圖1 金相試樣取樣位置及觀察面示意圖

采用FM-7型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試不均勻組織微區(qū)的硬度，試驗(yàn)載荷為4 900 N，加載時(shí)間為10 s。采用Nanoindenter XP型納米壓痕儀測(cè)試不均勻組織微區(qū)的彈性模量及壓痕加載—卸載位移曲線，試驗(yàn)儀器的位移精度為0.01 nm、載荷精度為50 nN，儀器可加載的最大載荷為600 mN、最大深度為500 μm。

采用ULVAC-PHII 710型原位掃描俄歇探針測(cè)試車輪踏面剝離損傷處的微區(qū)組織成分，通過線掃描方式得到不均勻組織微區(qū)的成分差異。俄歇探針的分辨率為8 nm，探針為同軸式電子能量分析器，電子能量偵測(cè)范圍為30～2 400 eV，靈敏度大于700 kcps。儀器配有離子濺射系統(tǒng)，用于試驗(yàn)過程中試樣的表面清潔和深度剖析。

2 試驗(yàn)結(jié)果的分析及討論

2.1 宏觀形貌

失效車輪踏面的宏觀形貌及其局部剝離處的放大形貌如圖2所示。由圖2可見：車輪踏面輪軌接觸區(qū)域中部(距外側(cè)面40～55 mm)沿整個(gè)圓周方向斷續(xù)分布有剝離損傷；部分剝離坑中可觀察到起自踏面表層(裂紋源)并向輪輞內(nèi)部擴(kuò)展的貝紋狀疲勞條帶存在，呈現(xiàn)典型的滾動(dòng)接觸疲勞損傷特征[8]。

圖2 失效車輪踏面損傷形貌

車輪踏面剝離處的金相觀察面形貌如圖3所示。由圖3可見：金相觀察面呈現(xiàn)出不均勻的襯度(黑白相間)，尤其在車輪踏面下10 mm區(qū)域內(nèi)，可觀察到明顯有別于車輪基體暗黑色襯度(踏面下10 mm區(qū)域外)的白色帶狀組織分布其中，由此初步判斷該區(qū)域的組織存在不均勻性。

圖3 車輪踏面剝離處的金相觀察面形貌

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)

對(duì)不均勻組織分別進(jìn)行OM，SEM及TEM表征，其形貌分別如圖4、圖5和圖6所示。由圖4可見，車輪中除正常的珠光體(P)+鐵素體(F)組織(基體組織)外，還發(fā)現(xiàn)明顯有別于基體形貌的異常組織。通過對(duì)不均勻組織進(jìn)一步的放大表征，見圖5、圖6，可以確定有別于基體組織的異常組織為上貝氏體組織(B)。上貝氏體組織的形貌、結(jié)構(gòu)與車輪的基體組織不同，其組織中的碳化物多以島鏈狀分布于鐵素體板條間，而基體組織中的滲碳體呈片層狀特征[9]。因此，上貝氏體組織的存在破壞了車輪基體組織的連續(xù)性，造成了車輪組織的不均勻。

圖4 車輪踏面不均勻組織的OM形貌

對(duì)車輪踏面剝離損傷處進(jìn)行OM觀察，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，踏面裂紋的萌生主要出現(xiàn)在踏面表層不均勻組織處，這些組織伴有明顯的塑性變形特征(表層組織的塑變積累被認(rèn)為是車輪踏面發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞損傷的前提[10])；裂紋沿塑性變形的流線方向擴(kuò)展，且多發(fā)生在不均勻組織(上貝氏體和基體組織)的交界處。因此，推測(cè)車輪踏面裂紋的萌生及擴(kuò)展應(yīng)與上貝氏體和基體組織的性能差異有關(guān)。

圖5 車輪踏面不均勻組織的SEM形貌

圖7 踏面剝離損傷處的OM組織

2.3 微區(qū)性能

分別采用顯微硬度計(jì)和納米壓痕儀對(duì)車輪踏面不均勻組織的微區(qū)性能進(jìn)行了表征，獲得上貝氏體和基體組織硬度、彈性模量的測(cè)試結(jié)果如圖8所示，以及能夠反映兩者塑性變形能力的壓痕加載—卸載位移曲線如圖9所示。

圖8 不均勻組織(上貝氏體和基體組織)顯微硬度及彈性模量的測(cè)試結(jié)果

圖9 不均勻組織(上貝氏體和基體組織)壓痕加載—卸載曲線及測(cè)試位置

由圖8可見，上貝氏體組織顯微硬度的均值為278 HV0.5，彈性模量為205.6 GPa，均明顯高于車輪基體組織，基體組織的顯微硬度均值為269 HV0.5，彈性模量為172.3 GPa。

由圖9可見，在相同位移條件下，上貝氏體組織的最大加載載荷達(dá)到了82.5 mN，基體組織的最大加載載荷為62.1 mN，即在不均勻組織(上貝氏體和基體組織)變形程度相同的條件下，上貝氏體組織比基體組織所需的載荷更大；換言之，在相同載荷條件下，上貝氏體組織發(fā)生塑性變形的程度較基體組織要小。

綜合以上測(cè)試結(jié)果可知，上貝氏體組織和基體組織的微區(qū)性能存在差異，即上貝氏體組織的硬度、彈性均高于珠光體和鐵素體構(gòu)成的基體組織，但塑性小于基體組織。因此，對(duì)于踏面存在不均勻組織(含有上貝氏體和基體組織)的車輪來說，在相同運(yùn)用載荷下，踏面表層基體組織將先發(fā)生塑性變形，而上貝氏體組織仍處于彈性變形狀態(tài)，兩者變形難易程度的不同，造成了兩者組織邊界形成應(yīng)力集中，進(jìn)而促使疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。該分析結(jié)果與踏面剝離損傷處所呈現(xiàn)的組織形貌相對(duì)應(yīng)(如圖7所示)，也闡明了踏面裂紋的萌生與擴(kuò)展多發(fā)生在表層不均勻組織處的原因。

2.4 微區(qū)組織成分

采用俄歇探針測(cè)試了車輪踏面不均勻組織的成分，微區(qū)組織成分的線掃描結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，上貝氏體組織所在區(qū)域的C和V元素含量明顯高于基體組織所在區(qū)域。因此，合金元素的偏析是造成車輪上貝組織形成，進(jìn)而引起組織不均勻的原因。

圖10 車輪不均勻組織微區(qū)成分的俄歇線掃描結(jié)果

車輪中合金元素的改變將直接影響到車輪材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)，改變車輪鋼向珠光體+鐵素體(正常組織)轉(zhuǎn)變的冷卻速度[11]。由于鐵路車輪均采用踏面淬火的工藝，即車輪踏面表層區(qū)域的冷卻速度最高，因此在車輪熱處理參數(shù)不變的情況下，合金元素的變化會(huì)增大車輪鋼(胎)坯處形成上貝氏體組織的概率[12-13]。若上貝氏體組織在車輪鋼坯表層的形成具有一定深度，則后續(xù)也難以通過車輪制造的機(jī)加工工序去除(受成品車輪特定尺寸規(guī)格的限制)，最終將殘留在成品車輪的踏面表層，破壞車輪基體組織的均勻性。此外，上貝氏體組織的形態(tài)通常也會(huì)因鋼中微區(qū)成分和形成溫度的不同而有所變化，當(dāng)微區(qū)中碳元素的含量增加時(shí)，上貝氏體組織中其鐵素體板條會(huì)逐漸變薄，滲碳體量開始逐漸增多，并由粒狀形貌逐漸向鏈狀甚至短桿狀形貌過渡[14]。這與該失效車輪上貝氏體組織中的滲碳體多呈現(xiàn)島鏈狀分布的形貌特征相吻合(如圖6所示)。

因此，通過對(duì)車輪踏面不均勻組織微區(qū)成分的分析表明，車輪制造過程中，應(yīng)控制合金元素的添加量，并配以合理的熱處理參數(shù)，可有效減小或避免成品車輪中殘留上貝氏體組織的可能。

3 結(jié) 論

(1)過早出現(xiàn)踏面剝離損傷的ER8車輪，其踏面表層發(fā)現(xiàn)有上貝氏體組織存在。上貝氏體組織的微區(qū)形貌及結(jié)構(gòu)與車輪正常的珠光體+鐵素體組織存在顯著區(qū)別，破壞了車輪正常組織的連續(xù)性，引起了車輪組織的不均勻。

(2)車輪踏面的剝離呈現(xiàn)典型的滾動(dòng)接觸疲勞損傷特征，剝離主要發(fā)生在車輪踏面表層不均勻組織處，不均勻組織中上貝氏體組織的硬度(278HV0.5)是基體組織(269HV0.5)的1.03倍，彈性(205.6 GPa)是基體組織(172.3 GPa)的1.19倍，其塑性變形的程度不如基體組織明顯。上貝氏體與基體組織在硬度、彈性以及塑性性能上的差異，是造成兩者在相同服役載荷作用下、組織交界處形成應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)并促進(jìn)車輪踏面疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，最終形成了滾動(dòng)接觸疲勞剝離的主要原因。

(3)不均勻組織中上貝氏體組織的形成是車輪中C和V合金元素的偏析所致?？刂栖囕喼圃爝^程中合金元素的添加含量，并配以合理的熱處理工藝，可有效減小或避免成品車輪中殘留上貝氏體組織的可能，獲得組織均勻的成品車輪，避免車輪此類損傷的再次出現(xiàn)。