動車組車輪異常組織特征及成因

張關(guān)震，任瑞銘，尹鴻祥，吳 斯，叢 韜，王 浩，李冬玲

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；4.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081）

車輪是機(jī)車車輛走行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其服役安全受到高度關(guān)注［1-2］。車輪在服役過程中最為常見的失效形式是滾動接觸疲勞損傷，如踏面的滾動接觸疲勞裂紋、剝離等［3-4］。這不僅會影響鐵路機(jī)車車輛正常的運(yùn)行秩序，也會增加車輪鏇修或換輪的頻次，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。引起車輪滾動接觸疲勞損傷的因素很多，如車輪所屬車輛的軸重、運(yùn)行的線路條件以及雨、雪等潤滑環(huán)境等［5］。除這些外部因素外，自身的顯微組織對車輪接觸疲勞壽命也有明顯影響［6］。近2年在動車組車輪中出現(xiàn)的多起過早接觸疲勞損傷故障，均與車輪顯微組織中的異常組織密切相關(guān)［7］。前期研究發(fā)現(xiàn)，車輪異常組織與正常組織在彈—塑性性能上的差異，是加速接觸疲勞裂紋萌生的主要原因［8］，但目前對異常組織的類型、分布特征等研究得還不夠細(xì)致，形成原因也尚不明確，因此十分有必要對此開展深入研究。

本文以存在異常組織的動車組車輪為研究對象，對其微觀組織特征和成分分布情況進(jìn)行表征，同時模擬和測試異常組織車輪的冷卻轉(zhuǎn)變曲線，并與正常車輪進(jìn)行對比分析，探討異常組織的類型、分布特點(diǎn)和形成原因，以期為改進(jìn)和提高車輪制造質(zhì)量，避免車輪中異常組織的出現(xiàn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)對象為存在異常組織的動車組車輪（簡稱異常車輪），該車輪為BS：EN 13262—2011 標(biāo)準(zhǔn)《Railway applications—Wheelsets and bogies—Wheels—Product requirements》（簡稱EN 標(biāo)準(zhǔn)）中的ER8 牌號。按照EN 標(biāo)準(zhǔn)要求測試異常車輪的化學(xué)成分，并與正常車輪（無異常組織的新制ER8車輪）進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。異常車輪的主要性能見表2。

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

表2 車輪主要性能測試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求

切取車輪金相試樣，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） 及Tecnai G2 F30 S-TWIN 型場發(fā)射高分辨透射電鏡（TEM）對金相試樣的微觀組織形貌進(jìn)行觀察，具體的金相試樣取樣位置及金相觀察面如圖1所示。

圖1 金相、LIBS試樣取樣位置示意圖及測試面形貌

采用LIBSOPA200 型激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析儀［9］，按照GB/T 24213—2009《金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析方法通則》測試車輪踏面區(qū)域合金元素的分布情況，LIBS 測試面如圖1所示，同時測定該區(qū)域各化學(xué)元素的偏析值（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及其對應(yīng)的偏析度（元素的偏析程度）。儀器的主要參數(shù)：Continuum Surelite III 激光器，波長為1 064 nm，脈沖寬度為5.3 ns，光斑尺寸為150 μm，樣品室充氬氣，氣壓為6 000 Pa。

由測定的異常車輪偏析值和實(shí)測化學(xué)成分，采用成熟的商用JMatPro 模擬軟件，分別預(yù)測偏析區(qū)域和正常區(qū)域的等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT 曲線）；以車輪的實(shí)測化學(xué)成分為基礎(chǔ)，僅使某一化學(xué)元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到偏析值，預(yù)測不同合金元素偏析時的TTT曲線。

采用線切割法在車輪踏面處掏取直徑為6 mm、長度為90 mm 的2個圓棒試樣，該熱膨脹試樣取樣位置如圖2所示，借助GLEEBLE-2000D 型熱膨脹儀對其進(jìn)行熱膨脹試驗(yàn)，按YB/T 5128—2019《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定方法（膨脹法）》，分別測定異常車輪和正常車輪的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT 曲線）。從室溫開始，以1oC·s-1的升溫速度將熱膨脹試樣加熱至1 000oC，保溫5 min，待其全部奧氏體化后進(jìn)行連續(xù)冷卻，冷卻速度為0.1～25oC·s-1。CCT 曲線測定后，對特定冷速下試樣的顯微組織進(jìn)行金相觀察。

圖2 熱膨脹試樣取樣位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)

異常車輪的顯微組織如圖3所示。由圖3可見：從踏面表層至踏面下10 mm 處均可觀察到明顯有別于基體（正常）組織的帶狀異常組織分布其中，異常組織的特征與金相磨面顯現(xiàn)的白色帶狀襯度（如圖1所示）有著較好的對應(yīng)，利用image-pro plus組織分析軟件，統(tǒng)計(jì)得到該異常組織在踏面表層、踏面下5 mm 和踏面下10 mm 處的占比分別為67%，42%和26%，即異常組織隨著踏面深度的增加其占比不斷減小，在踏面下15 mm 處異常組織基本消失；車輪基體組織由珠光體（P）+先共析鐵素體（F）組織構(gòu)成，珠光體中的滲碳體呈片層狀的結(jié)構(gòu)特征；異常組織呈現(xiàn)羽毛狀形貌，其滲碳體多以顆粒狀和鏈珠狀分布在鐵素體中，與珠光體的滲碳體結(jié)構(gòu)完全不同。由異常組織的形貌可以確定該組織為上貝氏體，因其硬度較高、脆性大，塑性較低、韌性差，通常被認(rèn)為是鋼鐵材料中的不良組織。它的存在破壞了車輪基體組織（P+F）的連續(xù)性，2 者在組織結(jié)構(gòu)和性能上的差異，導(dǎo)致在組織邊界處易萌生疲勞裂紋，如圖3（f）所示，從而加速車輪踏面滾動接觸疲勞損傷的出現(xiàn)。

圖3 異常車輪顯微組織

2.2 TTT曲線

異常車輪中各合金元素分布的面掃描結(jié)果如圖4所示。圖中：各合金元素在測試面上不同位置的占比以不同顏色顯示，色條中的顏色越高，表示合金元素在某區(qū)域的占比（偏析）約大。由圖4可見，各合金元素在局部微區(qū)均存在不同程度的偏析，且偏析處多呈條帶狀分布，這與上貝氏體組織的帶狀特征（如圖3（a））相對應(yīng)。因此判斷，上貝氏體組織的形成應(yīng)與合金元素的偏析有關(guān)。

圖4 踏面區(qū)域不同合金元素分布的LIBS面掃描結(jié)果

合金元素的偏析將直接影響車輪材料的冷卻轉(zhuǎn)變曲線，進(jìn)而影響車輪材料過冷奧氏體在不同冷速下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型［10］。由于偏析區(qū)域過于微觀，無法實(shí)際取樣進(jìn)行冷卻轉(zhuǎn)變曲線的測定，為此，測試獲得偏析區(qū)域各合金元素的偏析值見表3，以此模擬偏析區(qū)域的TTT 曲線。同時與模擬的正常（未偏析）區(qū)域的TTT 曲線（按表1中異常車輪成分模擬）進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

表3 偏析區(qū)域各合金元素的偏析值及對應(yīng)偏析度 %

圖5 車輪正常區(qū)域和偏析區(qū)域TTT曲線

由圖5可見：與正常區(qū)域的TTT 曲線相比，偏析區(qū)域的TTT 曲線整體向右發(fā)生了較大幅度的偏移，這對不同冷速下顯微組織的轉(zhuǎn)變將產(chǎn)生直接影響：當(dāng)冷卻速度相對較低時（如圖5所示的低冷速），正常區(qū)域和偏析區(qū)域的過冷奧氏體將分別轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體及珠光體組織，這些均屬車輪正常組織；而當(dāng)冷卻速度相對較高時（如圖5所示的高冷速），正常區(qū)域的過冷奧氏體仍會轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕喺＝M織，而偏析區(qū)域的過冷奧氏體將會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。由于鐵路車輪（毛坯）采用踏面噴水的淬火方式，踏面區(qū)域的冷卻速度最高。因此，在車輪實(shí)際生產(chǎn)中，其表層偏析區(qū)域?qū)懈嗟呢愂象w形成。

此外，不同偏析元素對貝氏體轉(zhuǎn)變程度的影響也不盡相同。分別模擬不同合金元素偏析時的TTT曲線，并與正常區(qū)域進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在這些偏析元素中，碳元素對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響最為強(qiáng)烈，其使TTT 曲線中貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)向右偏移的程度最大，分析原因應(yīng)與碳元素較高的偏析值和偏析度（見表3所示）有關(guān)。

圖6 車輪正常及單一合金元素偏析TTT曲線

元素的偏析程度由其平衡分配系數(shù)k決定，鋼鐵材料在凝固過程中溶質(zhì)元素會排放到液相，通常會按照該元素的平衡分配系數(shù)k進(jìn)行重新分布［11］。平衡分配系數(shù)k可以表示為

式中：CS和CL分別是給定溫度下處于平衡狀態(tài)的液相和固相的溶質(zhì)濃度。

研究［12］表明，當(dāng)某溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)k＜1，且k值越小時該元素將具有更大的偏析傾向。從文獻(xiàn)［13］中查到，C，Mn，Si 和Cr 等常見合金元素的平衡分配系數(shù)分別為0.34，0.79，0.80 和0.86，其中碳元素具有更大的偏析傾向。因此，異常車輪中碳元素的偏析最為嚴(yán)重，嚴(yán)重的偏析也使得碳元素具有較高的偏析值，從而使得其TTT曲線中貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)右移的程度最大。

貝氏體組織的形貌（類型）通常也會因車輪鋼中碳元素含量的不同而有所變化，在車輪淬火過程中，因過冷度很大，碳元素仍然能夠擴(kuò)散到奧氏體/鐵素體相界面上，建立局部平衡。因奧氏體一側(cè)富集碳元素，并在貝氏體鐵素體片條之間留下富碳元素的奧氏體薄膜，使相鄰的鐵素體片條之間不能融合。如果局部微區(qū)的碳元素較高，貝氏體的鐵素體片條之間的富碳奧氏體中將會逐漸析出碳化物，形成顆粒、鏈珠甚至是短棒狀的特征，那么最終形成羽毛狀的上貝氏體組織［14］。綜上，異常車輪踏面局部微區(qū)上貝氏體組織的形成，主要是其合金元素中碳元素的嚴(yán)重偏析所致。

2.3 CCT曲線

圖7 正常車輪和異常車輪CCT曲線及在不同特定冷速下顯微組織

為探明異常車輪中貝氏體組織轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況，測試異常車輪的CCT 曲線，并與正常車輪進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。圖中：Ac1 為加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Ac3為加熱時先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了溫度；Ms 為過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度；B為貝氏體。

由圖7可知：2 條曲線的奧氏體在以不同速度連續(xù)冷卻過程中，均發(fā)生了鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變，且變化的總體趨勢相同，即鐵素體、珠光體和貝氏體組織轉(zhuǎn)變溫度均是隨著冷速的增大而降低；2 條CCT 曲線所不同的是，異常車輪CCT 曲線的各相變點(diǎn)溫度比正常組織車輪略有提高，同時CCT 曲線整體向右偏移；此外，鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變溫度的范圍有所寬化。

分析CCT 曲線中貝氏體的轉(zhuǎn)變情況，發(fā)現(xiàn)異常車輪中貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度范圍為540～375oC，與正常車輪基本一致（528～380oC）。但由于異常車輪CCT 曲線整體向右移動，且貝氏轉(zhuǎn)變區(qū)的右移程度更大，使得貝氏體組織開始轉(zhuǎn)變時的冷速明顯不同于正常車輪，正常車輪組織中開始向貝氏體轉(zhuǎn)變的冷速接近5oC·s-1（該冷速下的顯微組織如圖7（b）所示），而異常車輪僅為2oC·s-1（該冷速下的顯微組織見圖7（c）所示），即異常車輪在較低冷速下仍能夠形成貝氏體組織。這使得在實(shí)際生產(chǎn)中，異常車輪（毛坯）貝氏體組織的形成深度將比相同淬火工藝下的正常車輪（毛坯）要深。因?yàn)榇慊饡r，毛坯車輪表層的冷速最高，冷速隨著毛坯輪深度的增加不斷減?。?5］，即毛坯輪冷速較低處的深度大，毛坯車輪淬火時踏面不同深度處冷速示意圖如圖8所示。

圖8 毛坯車輪淬火時踏面不同深度處冷速

引起異常車輪CCT 曲線向右偏移的原因同樣應(yīng)與其合金元素有關(guān)。對比表1的成分可知，正常車輪與異常車輪中釩元素的含量差異顯著，異常車輪的釩元素是正常車輪的10 倍。釩元素在鋼中主要以固溶態(tài)和析出態(tài)2 種形式存在［16］，但無論是固溶態(tài)還是析出態(tài)，釩元素的拖曳作用（固溶態(tài)）和釘扎作用（析出態(tài)）均會增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性，從而抑制其向珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使得材料的CCT 曲線向右整體移動［17］。這對于釩元素含量過高的車輪鋼來說，其毛坯車輪將有更深的貝氏體組織存在。若貝氏體組織在毛坯車輪的表層具有一定深度，受成品車輪特定尺寸規(guī)格的限制，則后續(xù)也難以通過機(jī)加工工序完全去除，最終將殘留在成品車輪的踏面處。

微區(qū)合金元素（碳元素）的偏析增大了車輪踏面局部微區(qū)貝氏體的形成概率，整體合金元素的過高添加量（釩元素）增加了車輪貝氏體的形成深度。因此，控制合金元素的偏析和添加量，同時配以合理的熱處理工藝，可減小車輪鋼中貝氏體組織的聚集程度和形成深度，避免成品車輪中殘留貝氏體組織。

3 結(jié) 論

（1）車輪中的異常組織為上貝氏體，其呈條帶狀分布在車輪踏面區(qū)域，在踏面表層的占比約67%，隨著距表層深度的增加貝氏體的占比不斷減小，在踏面下15 mm 處基本消失。上貝氏體的微觀組織結(jié)構(gòu)破壞了車輪正常組織的連續(xù)性。

（2）車輪局部微區(qū)碳元素的嚴(yán)重偏析是導(dǎo)致上貝組織形成的主要原因。碳元素的偏析使得其等溫轉(zhuǎn)變曲線較正常區(qū)域明顯向右偏移，增大偏析處組織在較高冷速下向貝氏體轉(zhuǎn)變的概率，造成在車輪實(shí)際生產(chǎn)中，冷速最高的毛坯輪表層將有更多貝氏體組織在其局部聚集。

（3）車輪整體過高的釩元素含量使其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線較正常車輪向右偏移，其中貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)右移程度更大，導(dǎo)致貝氏體組織轉(zhuǎn)變開始的冷速由正常車輪的5oC·s-1降低至2oC·s-1，增大車輪實(shí)際生產(chǎn)中貝氏體組織的形成深度。