高速鐵路車輪的磨損與疲勞研究

朱振宇，王清遠，2，戴光澤，朱一林

1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610106；2.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065；3.西南交通大學材料科學與工程學院，四川 成都 610031；4.西南石油大學土木工程與測繪學院，四川 成都 610500

引言

高速鐵路為人們提供了高效、便捷的交通運輸服務，對世界經濟及社會發(fā)展產生了重要影響。目前，國際上高速鐵路車輪材料主要是中高碳鋼，結構為鐵素體和珠光體組織[1-2]。珠光體車輪鋼被廣泛使用的原因有兩個方面，一方面，其具有良好的抗磨損和適度的延展性[3-5]，另一方面，便于通過熱處理對強度進行調整?？紤]到車輪復雜的結構特性以及輪輞噴淋等特殊的熱處理工藝，對車輪不同結構位置的性能要求有明顯不同：相較于輪輻，輪輞需要更高的強度[6]。運行結構件內部的應力狀態(tài)是復雜的，這是由其自身特殊的幾何形狀和復雜的載荷條件決定的。近年來，隨著中國高速鐵路的迅猛發(fā)展，車輪損傷引起了鐵路運營和科學研究等領域的共同關注。在高速條件下，如果車輪發(fā)生不可控的損傷甚至斷裂失效，將嚴重危及高速列車行駛安全和社會公共安全，因此，關于車輪多失效方式的研究意義重大。本文在對國內外高速車輪主要失效方式的研究成果進行調研的基礎上，總結并歸納了不同環(huán)境、載荷邊界等條件對踏面磨損、滾動接觸疲勞、亞表面疲勞及疲勞裂紋的擴展等主要損傷形式的影響，評述不同損傷形式背后的機理性原因，為車輪成型設計、安全評估提供重要的理論支撐。

1 高速車輪的主要失效形式

隨著鐵路逐步向著重載和高速的運輸特點發(fā)展，鐵路運輸的安全性和穩(wěn)定性更加重要地體現在輪軌接觸問題上[7]。輪軌接觸問題，在科學上的突破是在1880 年，Heinrich 提出了彈性接觸理論，隨后科學家們將這個理論應用到了鐵路運輸的工程問題上來[8]。關于機車輪軌滾動接觸問題的研究最早在1926 年就開始了，Carter 提出一個二維的滾動接觸的理論模型[9]，該模型如今在分析輪軌間的牽引力時同樣適用。1947 年，Lundberg 和Palmgren 提出滾動接觸基本原理[10]。車輪是按照無壽命限制的要求進行設計的，但是，輪軌的接觸實際上卻會帶來不可預見性的復雜的車輪損傷現象[11]。

目前，車輪鋼材料面臨困難和挑戰(zhàn)，從材料上講，廣泛使用的珠光體車輪鋼隨著鐵路運輸不斷提速以及軸重的增加，已不能滿足日益提高的滾動接觸磨損以及抗疲勞的性能需求[12-13]。在熱處理時，由于冷卻速度超過了珠光體形成的速率，導致非珠光體組織不可避免地出現在輪輞淬火層的亞表面位置，這一層組織硬而脆，影響了整個輪輞內組織結構的均勻性和一致性。Zeng 等對輪輞的淬透性進行了研究，并且試圖增加輪輞內珠光體形成的臨界冷卻速率，減少由于熱處理的不充分而形成的這一層非珠光體組織的厚度[14]。從運行環(huán)境條件上講，對于鐵路運輸的重要構件，車輪的服役問題是極其復雜的，這主要基于實際運行中車輪載荷出現極大的隨意性[15]，常常受到牽引、制動、振動、滑移及環(huán)境問題等影響[16]，滾動接觸力復合摩擦力引發(fā)車輪磨損；垂直力、橫向力、切向力的存在致使載荷大小與方向的反復變化，引發(fā)車輪材料的屈服和疲勞；牽引和制動促使車輪滑動引發(fā)車輪故障以及車輪局部相變和熱裂紋的出現[17]。這就要求車輪材料的強度和韌度達到一個良好的平衡[14]。

關于車輪的損傷，已經有許多學者進行了深入研究。輪軌間的最主要的損傷方式就是磨損和疲勞[18-20]。磨損降低了車輪使用壽命，增加了檢修和運行成本；疲勞會引發(fā)車輪突發(fā)性的裂紋、斷裂[14]。從摩擦學的角度來看，輪軌接觸是一個開放性的系統(tǒng)問題，與設計特點和環(huán)境條件決定，不同的磨損機理取決于實際載荷、滑動以及潤滑（周圍環(huán)境引起的）作用。從固體力學的角度考慮，如果車輪受到循環(huán)載荷，在接觸面和亞表面直接產生應力作用，進而在相應位置誘發(fā)塑性形變以及塑性安定，引發(fā)疲勞裂紋萌生和擴展[21]。不同的損傷機理導致車輪出現不同的損傷形貌；在踏面或者亞表面位置萌生疲勞裂紋，引發(fā)踏面剝離和層裂；材料顯微狀態(tài)下出現織構，這與材料的塑性形變息息相關，從而導致車輪失圓、多邊形等問題[22-23]。

在實際運行中，兩種踏面接觸損傷存在競爭機制。踏面及踏面以下很薄的一層組織直接受到苛刻的載荷條件影響，材料內部的累積塑性應變會直接導致疲勞裂紋的產生，如果磨損速率大于裂紋擴展速率，那么滾動接觸疲勞就可以避免了。研究發(fā)現，在高磨損率下，磨損能夠消除一定的踏面微小裂紋，阻止裂紋的進一步擴展[24-27]；但低磨損率的磨損卻降低了輪軌接觸面積，進而增加接觸應力，加快裂紋增長速率[20]。需要注意的是，車輪表面或者亞表面的疲勞裂紋比磨損的危害更加嚴重，因為裂紋的擴展將會大大破壞車輪的整體結構，令運輸系統(tǒng)產生更大的振動，牽引力被迫提高，這就使車輪進入不穩(wěn)定的損傷過程。磨損和滾動接觸疲勞是一對復雜的損傷過程，車輪鋼在理想條件下，應該能夠減緩由表面高塑性應變引起的表面微裂紋的擴展，并且能夠允許少量的磨損，來達到踏面自我凈化的作用。在材料性能與車輪損傷的關系上，Constable 等指出硬度反映了材料的抗磨損能力，而材料的屈服強度和拉伸強度與抵抗疲勞的能力有關[28]；片層狀的珠光體利于將表面萌生的裂紋沿著車輪近表面位置的周向方向擴展，磨損能夠消除這種裂紋形式的影響，但這種組織結構易于產生塑性形變，相對而言，這就減少了裂紋萌生和擴展的能量臨界值[29]。

造成車輪損傷的直接原因就是熱載荷。在制動條件下，踏面、輪輞及輪輻在車輪徑向上形成不同的溫度梯度，熱應力直接引起不同位置和不同程度的磨損、疲勞裂紋的萌生及擴展[30-31]。并且，車輪在接觸應力、摩擦、塑性形變和疲勞的影響下易于造成二次損傷[32]。

2 車輪的磨損

磨損屬于表面接觸問題，踏面或輪緣上的磨損往往有熱、力及熱力復合作用3 種類型[33]，再加上氣候環(huán)境因素，例如雨、雪、潮濕及風沙等，促進了車輪的磨損，也就不可避免地需要考慮接觸表面的諸多因素對摩擦系數和磨損影響。

在車輪載荷條件對磨損行為方面，Ding 等在研究車輪旋轉速度對車輪的磨損時發(fā)現，軌道表面硬度增加，但增速減慢，以致于輪軌接觸面的硬度比降低，車輪的磨耗量加大，滾動接觸疲勞的影響降低，黏著磨損明顯，磨損顆粒的尺寸相應減小[34]，由磨粒磨損向氧化磨損轉變[35]；重載工況下，輪軌磨損量較高，車輪損傷主要以磨損的方式存在，同時抑制了踏面萌生裂紋的擴展[36-37]；磨損深度隨著載荷頻率的增加而增大，踏面磨痕形貌的差異卻不大[38]。輪軌間的黏著力最大的作用就是增大了接觸面之間的橫向和切向作用力[39]，在這種復合作用力的影響下，塑性形變和磨損主要出現在踏面輪軌接觸區(qū)域的兩側相對滑動位移較大的位置[40]。輪軌間摩擦系數對輪軌間的黏著力影響巨大，輪軌系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，不可避免地受到環(huán)境的影響，圖1給出了常見的不同環(huán)境條件下輪軌間摩擦系數[39]，增加表面粗糙度或者氧化層厚度，都會增加磨損程度，尤其是在潮濕環(huán)境下[41]。進一步研究發(fā)現，輪軌相對濕度較大的時候，濕度對輪軌間摩擦系數變化不大；反之，相對濕度較低的時候，隨著濕度的增加摩擦系數明顯降低，但踏面上的金屬氧化物卻減緩了摩擦系數的減小速度[39]。

圖1 在不同環(huán)境條件下測定的摩擦系數[39]Fig.1 Friction coefficient measured in the field under different conditions

對近踏面位置材料織構形變的研究發(fā)現，隨著剪切力的增加，車輪表面硬度增加，亞表面的塑性流變層誘發(fā)硬化趨勢明顯（圖2），磨損損耗加大，并且，塑性流變織構方向逐漸平行于磨損表面[42]。對踏面磨損區(qū)域仔細觀察發(fā)現，有粗糙的磨損劃痕以及剝離氧化層的跡象出現（圖3）[43]，該位置磨損氧化層的厚度大致為2～5 μm，同時，在磨損的亞表面位置已經存在有少量的組織形變（圖4）[43]。磨損碎屑主要是雪花狀的金屬屑，隨著剪切力的增加，磨損碎屑會變得更小更薄，且馬氏體的含量隨之增加[34，44]，成分主要是鐵和鐵的氧化物（Fe2O3,Fe3O4）[42]。

圖2 車輪近表面位置在不同剪切力下的塑性形變[42]Fig.2 Plastic deformation of wheel rollers under different tangential force conditions

圖3 車輪低速滑動狀態(tài)下的磨損表面[43]（徑向載荷1 500 MPa，磨損率0.2%）Fig.3 Wheel disc surface running at low slip（Radial load is 1 500 MPa,wear rate is 0.2%）

圖4 車輪低速滑動狀態(tài)下平行于滾動方向的截面的織構特點[43]（徑向載荷1 500 MPa，磨損率0.2%）Fig.4 Section parallel to the rolling direction through the wheel disc running at low slip（Radial load is 1 500 MPa,wear rate is 0.2%）

踏面牽引和制動時，由異常震動帶來的機械熱交換作用是造成車輪失圓、粗糙度加大的重要原因[22]，車輪表層的塑性流變是決定磨損過程的基本因素[45]，切向摩擦力決定了磨損機制[46]。早在1948 年，針對鐵路運輸制動對車輪踏面造成熱斑的演化規(guī)律的研究就已經開始了，認為車輪滑動摩擦形成的熱斑與材料熱彈性的不穩(wěn)定性有關[47]，熱彈性的不穩(wěn)定性由踏面溫度擾動開始發(fā)生明顯變化的臨界速度來決定[30]。兩個滑動體之間的接觸應力導致局部摩擦生熱，踏面局部位置因此產生熱膨脹，最終形成踏面熱斑；高摩擦生熱速率、大熱膨脹量以及高彈性模量都會加快熱斑的形成，然而，高熱傳導率以及較高程度的磨損卻會緩解這一過程[48]，減緩了踏面材料的熱彈性的不穩(wěn)定性。

3 車輪的疲勞

車輪疲勞主要出現在輪輞位置[49]，疲勞裂紋源主要在表面、亞表面及內部3 種不同的位置[50-52]。表面萌生疲勞裂紋的主要機理是棘輪效應，是在大摩擦系數的載荷下形成的，方向幾乎平行于表面[53-54]。亞表面萌生疲勞裂紋主要是由于材料成分的不均勻性夾雜物和缺陷的存在，導致在亞表面位置出現了剪切應力[55]。深層內部疲勞裂紋源的形成與亞表面疲勞裂紋源的出現原因是近似的，但是疲勞裂紋源的形核位置越在深度方向上遠離踏面，疲勞裂紋擴展的驅動力較低[40]，危害更大。

3.1 滾動接觸疲勞

滾動接觸疲勞是最主要的車輪損傷方式，占到了全部車輪損傷的41%[56]。與磨損損傷過程緩慢、可見并且易于控制不同，滾動接觸疲勞往往會引起輪輞的裂紋和瞬間斷裂，且損傷難以檢測[40]。

3.1.1 踏面誘發(fā)疲勞裂紋

表面萌生的疲勞裂紋受到很多條件的影響，例如，載荷[57]、滑動比[58-59]、接觸條件[60]、摩擦系數、材料缺陷[55]及材料抵抗磨損和疲勞的能力[61]。在大摩擦系數（如砂礫）影響下，在車輪踏面上形成的壓痕面缺陷如圖5 所示，研究發(fā)現，面缺陷主要是球形壓痕，這通常是有利的[62]，在引入壓應力的同時，避免了應力集中。表面裂紋的萌生和擴展主要是受到熱載荷的影響[63]，當踏面制動的時候，摩擦生熱造成車輪踏面、輪輞、輪輻在車輪徑向方向上出現明顯的熱量梯度分布，在踏面下的亞表面位置形成殘余拉伸應力[64-67]，應力不斷循環(huán)、反復作用促使表面疲勞裂紋的萌生和擴展，熱載荷是主要的疲勞失效原因[68]，表面裂紋會沿車輪徑向擴展，這種裂紋不僅出現在踏面，在輪緣的底部也會出現[66]。

圖5 砂礫在車輪踏面上形成的壓痕面缺陷[62]Fig.5 Surface defects caused by gravel indentation on wheel

從組織上看，正常運行情況下，輪軌間溫度不會超過300°C，但在制動或者滑動的特殊環(huán)境下，作用面積上的車輪踏面及亞表面會達到奧氏體化溫度以上[69]，隨后，由于車輪相對較大的體積和局部熱影響區(qū)的快速冷卻易形成馬氏體組織[70]。另外，在沖擊載荷下剪切速率的增加依然會促進馬氏體的生成[71]。車輪的制動[71-72]和滑動[73]易在踏面位置大面積出現馬氏體組織，踏面上局部“熱斑”的出現促進了踏面馬氏體和其他熱損傷的形成，馬氏體區(qū)域及周圍的熱影響區(qū)促進了疲勞裂紋源的形成，并且在車輪內部擴展。進一步研究發(fā)現，由于馬氏體形成區(qū)域的體積膨脹，造成踏面以下局部形成了高殘余拉伸應力；另外，在行駛過程中，馬氏體區(qū)域容易剝落形成車輪扁疤。上述兩方面原因大大促進了車輪的二次損傷[74]。

從載荷狀態(tài)上看，在踏面制動的同時，輪軌接觸易受到沖擊載荷的影響，加上熱應力的共同作用形成表面熱裂紋，輪軌接觸面的切向力，以及局部過熱和快冷導致的塑性形變誘發(fā)殘余拉應力的雙重作用，是熱裂紋形成的主要原因[32]。進一步研究發(fā)現，即使受到剎車閘瓦的熱載荷影響，疲勞裂紋也不會在踏面輪軌接觸區(qū)域之外的位置出現[32，40]，如圖6所示，這說明只有在滾動循環(huán)接觸和機械熱載荷的同時影響下，踏面熱裂紋才會出現。踏面熱裂紋是低周高溫疲勞和滾動接觸疲勞混合作用下才會出現的特殊現象，根本原因是兩種機械作用下都會在踏面以下500 μm 區(qū)域產生不同程度和方向的循環(huán)、反復應力作用[21，32]，只有應力和應力方向的不斷改變才會促進塑性應變累積和疲勞裂紋的出現[40]，如圖7 所示[75]。

圖6 車輪踏面受作到用輪下軌的接表觸面和狀剎態(tài)車[閘32]瓦雙重載荷Fig.6 Measurement area of residual stress on the tread surface of wheels

圖7 在車輪踏面位置由熱載荷引發(fā)的疲勞裂紋[75]Fig.7 Fatigue cracks on the wheel tread initiated by thermal loading

從材料織構特性來看，牽引、制動及轉彎等載荷情況導致接觸面上切向力加大，進而表面材料會出現不同程度的塑性形變，例如，在牽引力作用下的輪軌形變如圖8 所示[62]，車輪近表面的組織逐漸演化成平行于表面的纖維狀層狀結構（圖9）[40]，并且在垂向應力和橫向切應力的共同作用下產生晶粒細化，層狀結構易出現分層[76]。側向力引起的塑性形變對材料的流變特性產生了改變，這是滾動接觸疲勞的根本性原因[40]。

圖8 車輪在牽引力作用下發(fā)生塑性形變的示意圖[62]Fig.8 Plastic deformation of the surface material in a railway wheel

圖9 車輪表面發(fā)生塑性形變后的表面萌生的裂紋和近表面的織構特點[40]Fig.9 Surface initiated cracks and subsurface texture characteristics induced by plastic deformation on wheel surface

如果塑性形變出現在材料織構的主位向上，組織結構會出現明顯的“軋剪”跡象（圖10）[77]，反過來，如果材料硬度及殘余應力不足夠來阻止進一步的塑性應變的累積，裂紋會最終形成[62，78]。在一個主剪切應力方向作用下出現的疲勞損傷實質上是棘輪效應[79]，在牽引或者制動兩種方向相反的摩擦作用下出現的損傷，主要是低周疲勞的影響[62]。因此，在車輪滾動接觸疲勞過程中，會受到棘輪以及低周疲勞雙重損傷機制的作用。

圖10 車輪在滾動載荷下顯微結構的形變和向內部擴展的疲勞裂紋[77]Fig.10 Deformed microstructure and fatigue crack propagating inward of wheel in rolling contact

滾動接觸疲勞的微裂紋，往往在踏面或亞表面上出現[21]，最終這些裂紋可能會沿著表面方向繼續(xù)擴展，然后剝落，或者在磨損的影響下逐漸消失。然而，研究認為，踏面硬度的增加會促使車輪表層塑性流變層變薄[12]，加劇滾動接觸疲勞損傷，主要原因是磨損速率會隨著踏面硬度增加而降低[27，80]，以及疲勞裂紋擴展角度增大，疲勞裂紋傾向于沿著縱向方向擴展[81]。在這兩種情況下，磨損不能起到去除疲勞微裂紋而自凈化的作用，疲勞微裂紋反而會往車輪內部更深層擴展，帶來更大的安全隱患。

3.1.2 滾動接觸疲勞的裂紋擴展

氣候原因或者表面環(huán)境會促進滾動接觸疲勞裂紋的擴展[62，82-85]。一方面，表面潤滑能夠減少疲勞裂紋的萌生，降低磨損率及摩擦力；但另一方面，在降低裂紋間摩擦力的同時，裂紋擴展驅動力卻顯著增加了[86]。腐蝕同樣會加快裂紋的擴展，研究發(fā)現在裂紋尖端有腐蝕的跡象[62]。

踏面誘發(fā)的疲勞裂紋與剪切力有直接關系，表面萌生裂紋向材料內部擴展角度較小，裂紋擴展方向與表面摩擦引起的剪切力合力方向垂直。通過研究疲勞裂紋與織構特征的關系，發(fā)現車輪的疲勞裂紋在塑性形變區(qū)域內沿鐵素體的晶界擴展，二次裂紋較少，主裂紋也較小[34]，且隨著剪切力的增加，裂紋方向傾向平行于磨損表面（圖11）[42]，分析認為這與踏面及亞表面的塑性形變特性有關。

圖11 不同切向力作用下車輪軸截面上疲勞裂紋的SEM像[42]Fig.11 SEM micrographs of fatigue cracks on axle section under different tangential forces

但高速鐵路車輪在較大熱量的機械載荷下，疲勞裂紋往往會向內部擴展，并形成明顯的熱影響區(qū)且伴隨織構變化，如圖12 所示[87]。另外，溫度升高下的疲勞主裂紋常常伴隨有二次裂紋[88]，主裂紋深度在0.5～5.0 mm 時二次裂紋形成并轉向周向擴展（圖13）[77]。疲勞主裂紋的擴展方向上出現二次裂紋，會直接導致踏面大量深淺不一的剝離。

圖12 車輪在較大載荷下的熱影響區(qū)的顯微結構[87]Fig.12 Thermal affected zone microstructure of wheel under large load

圖13 車輪表面萌生的疲勞裂紋的擴展示意圖[77]Fig.13 Schematic representation of propagation of surface initiated fatigue cracks in wheels

出現輪軌接觸下的踏面誘發(fā)疲勞裂紋的直接原因，就是輪軌間滾動滑動的摩擦作用而產生的剪切應力。踏面疲勞裂紋的擴展不僅取決于滾動接觸載荷，還與材料的低黏度流變特性有關[89]。在剪切應力的影響下促使亞表面區(qū)域產生塑性流動應變，當流變層兩側的塑性應變梯度超過了材料斷裂應變的臨界值，疲勞裂紋開始擴展。

3.2 亞表面疲勞裂紋的萌生與擴展

基于彈性理論的分析，車輪運行中的最大剪切應力出現在踏面下4～5 mm，然而，實際情況中亞表面裂紋源卻出現在踏面下4～20 mm[90-94]。分析其主要原因，是因為制造和運行過程中踏面位置引入的殘余壓應力[95]，同時滾動接觸致使踏面硬化[77]，以及在較深位置材料內部缺陷的存在[92，96-97]，都會抑制淺的疲勞裂紋的形成。材料內部缺陷越深，對車輪損傷的程度也就越大。踏面以下大約10 mm 位置，疲勞斷裂的應力級別是很低的，但同時材料缺陷會引入很大的應力集中，誘發(fā)疲勞源的形核[97]，另外，隨著軸重和運行速度的提高，輪軌接觸面積減少[98]，車輪輪輞內部萌生裂紋的“臨界夾雜物尺寸”減小，輪輞萌生裂紋的可能性增加[99]。然而，對已存在踏面剝離的車輪進行損傷判定時，在一些亞表面疲勞裂紋源的位置并沒有發(fā)現有材料缺陷的存在，這往往是因為裂紋的擴展是在壓縮和剪切共同作用下進行的，裂紋面會不斷摩擦，裂紋源位置的材料內部缺陷常因此而剝離，尤其是對于相對較軟的夾雜物，如MnS[93]等。

疲勞裂紋源在車輪亞表面位置萌生時，裂紋通常會沿著車輪徑向方向擴展，直到20 mm 深度位置時裂紋才會發(fā)生偏轉，在周向方向上繼續(xù)擴展（圖14a）[62]；但是，裂紋在踏面以下5～25 mm 較深的位置上萌生時，裂紋的擴展會一直保持這個深度并沿著周向擴展（圖14b）[62]。這兩種情況下，疲勞斷裂面都會出現典型的“河灘條紋”花樣[90]，如圖15所示[82]。

圖14 車輪亞表面疲勞裂紋的形核位置及擴展示意圖[62]Fig.14 Typical appearance of subsurface fatigue cracks in wheels

圖15 典型的車輪內部缺陷引發(fā)疲勞斷裂的形貌[82]Fig.15 Opening of the natural defect after the end of the rolling contract fatigue test and typical shelling propagation

材料內部出現疲勞裂紋，不僅與車輪內部的雜質、夾雜物、空洞有關[77，90-91，96，100]，還與接觸面的應力狀態(tài)有關。表面摩擦系數小于0.3[62]或大于0.8[101-102]，或者車輪的側面有橫向接觸應力[90]，疲勞裂紋都會傾向在亞表面萌生。分析認為，表面摩擦系數過小或者車輪輪輞存在橫向應力，會導致輪輞材料的塑性流變層向內部轉移，而不是駐留在滾動接觸面區(qū)域；另外，粗糙接觸面下易引入拉應力場[103]，而且是在完全彈性的接觸條件下產生[101-102]，這些原因促使材料內部疲勞裂紋的萌生和擴展。

4 結論

（1）車輪磨損屬于表面接觸問題，輪軌間的相對環(huán)境和載荷邊界條件對車輪的磨損具有關鍵性的影響，接觸面上的機械熱交換作用是造成磨損的直接原因，導致了接觸表面及近表面結構熱彈性的不穩(wěn)定。

（2）車輪疲勞是最主要的車輪損傷方式，源于材料成分的不均勻性（夾雜物、缺陷等）和服役過程中機械載荷引起的應力大小和方向上的反復變化，與磨損緩慢的損傷過程不同，疲勞往往會引發(fā)車輪表面、內部裂紋萌生與瞬間斷裂，且難以探測。

（3）踏面硬度的增加降低了車輪磨損速率，但過大的踏面硬度誘導車輪表層塑性流變層明顯變薄，促使疲勞裂紋向內部擴展角度增大，反而加劇了車輪滾動接觸的疲勞損傷。

（4）車輪踏面接觸損傷-磨損和滾動接觸疲勞，是存在競爭機制的，應盡量減緩由表面高塑性應變引起的表面微裂紋的擴展，并且允許少量的磨損來起到踏面自我凈化的作用。

（5）學者們對目前國際上成熟的片層珠光體車輪鋼的耐磨性和延展性給予了肯定，但在局部熱應力集中的情況下，踏面會發(fā)生組織相變而帶來安全隱患。因此，為了使車輪材料的強度和韌度達到一個更加優(yōu)良的平衡，需要在車輪的成分及工藝設計上做進一步突破，包括新型高速車輪鋼的合金化研究、晶粒精準控制的先進冶金技術以及新型車輪輪形設計等；另外，由于環(huán)境和載荷歷程都顯著影響車輪的服役性能，因此，在高速車輪損傷研究領域，需要進一步結合實際運輸工況和復雜環(huán)境帶來的流-固耦合問題進行動力學的分析；再次，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，如何提高鏇修車輪的再次服役性能是亟待解決的現實問題，該問題的解決將顯著降低運營成本，提升高速鐵路運營安全。