低溫環(huán)境下列車車輪材料磨損與損傷演變行為研究

周 亮,郭立昌,丁昊昊,王文健,劉啟躍

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所,四川 成都 610031)

作為保障列車安全運行的基礎部件，列車車輪在為車輛提供支撐、導向和傳遞動力等方面發(fā)揮著不可替代的作用.隨著列車運行速度與軸重的增加，車輪材料磨損與滾動接觸疲勞損傷問題變得日益突出，成為車輪材料失效的主要誘因[1-2].

國內外研究人員對列車車輪材料的磨損與滾動接觸疲勞行為展開了大量研究.在通過曲線段時，車輪輪緣磨損較為嚴重[3].線路不平順或局部缺陷將會誘發(fā)車輪的不圓磨耗[4]，從而影響乘坐舒適性與列車運行安全.此外，列車頻繁制動會加劇車輪材料的熱疲勞損傷[5].車輪滾動接觸疲勞裂紋的萌生與擴展會導致踏面剝離和車輪斷裂等問題[6].Franklin等[7]認為在滾滑載荷作用下剪切應變在材料內部逐步累積，達到材料變形極限后裂紋萌生.Garnham等[8]發(fā)現(xiàn)車輪材料中的先共析鐵素體會累積更高的剪切應變，其塑性率先耗盡而萌生微裂紋.Hu等[9]發(fā)現(xiàn)車輪材料組織在失效前會發(fā)生顯著細化，并利用電子背散射衍射(EBSD)和透射電鏡(TEM)等研究了車輪表層材料的組織演變過程.此外，許多學者也研究了軸重[10]、運行速度[11]和滑差[12]等接觸參數(shù)對車輪材料滾動接觸疲勞損傷的影響.

作為運行在開放環(huán)境中的部件，車輪材料的服役行為還將受到環(huán)境溫度的影響.馬蕾等[13-14]對車輪材料在低溫環(huán)境下的磨損行為進行了試驗研究.結果表明：當溫度低于0 ℃時，輪軌間摩擦系數(shù)與車輪磨損量相對于室溫環(huán)境明顯上升.但文獻[15]認為，當環(huán)境溫度進一步降至-35 ℃時，車輪磨損量將低于室溫水平.溫度下降會降低車輪材料的沖擊韌性與斷裂韌性，嚴重威脅車輪的疲勞壽命[16-17].Fang等[18]通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)：我國高鐵上常用的ER8C車輪鋼的韌脆轉變溫度在-20 ℃以上，這不能滿足高寒地區(qū)冬季最低溫度的需要(低于-40 ℃).車輪材料在韌脆轉變溫度以下發(fā)生疲勞失效時，斷面呈現(xiàn)典型的解理斷裂特征[19]，這表明車輪材料性能在服役前已經(jīng)發(fā)生了顯著改變.低溫環(huán)境下材料的疲勞性能成為影響車輪材料安全服役的關鍵因素，因此十分有必要開展低溫環(huán)境下車輪材料滾動接觸疲勞行為的研究.然而目前對車輪材料接觸疲勞損傷的研究通常是在室溫下進行的，難以對低溫下車輪材料滾動接觸疲勞損傷機制的形成提供合理的解釋.

本文中利用低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)與輪軌模擬試驗機首先開展列車車輪材料在室溫(20 ℃)與-40 ℃工況下的滾動磨損試驗，研究了室溫與-40 ℃工況下車輪材料磨損與滾動接觸疲勞行為.然后在-40 ℃工況下開展不同循環(huán)次數(shù)的滾動磨損試驗，對-40 ℃溫度下車輪材料滾動接觸疲勞裂紋的形成和擴展機制進行討論.研究結果可為列車車輪材料在低溫環(huán)境下的安全服役起到理論指導作用.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本試驗中選用的材料為ER7車輪和U71Mn鋼軌，輪軌試樣的取樣位置及外形尺寸如圖1(a)所示，輪軌試樣均加工成直徑為40 mm的圓盤狀，其中，車輪試樣寬度為5 mm.車輪與鋼軌材料的微觀組織分別如圖1(b)和圖1(c)所示.車輪材料為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體組織，鋼軌材料為珠光體和少量鐵素體組織.車輪和鋼軌材料的化學成分與維氏硬度列于表1中.車輪材料硬度(274.8 HV0.5)低于鋼軌材料硬度(292.8 HV0.5).

表1 輪軌材料化學成分與硬度Table 1 Chemical compositions of rail and wheel materials (mass fraction) and hardness

1.2 試驗方法

本試驗均在帶有低溫環(huán)境模擬裝置的WR-1輪軌滾動磨損試驗機上進行，試驗機與低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)的結構示意圖如圖2所示.輪軌試樣分別安裝在試驗機的上、下軸，并由1臺交流伺服電機驅動.調節(jié)加載彈簧的壓縮量可以對輪軌界面施加不同法向力.通過載荷傳感器(LC-7，精度：3‰)測量法向力并反饋給計算機時顯示.下軸安裝有扭矩傳感器(TQ660，0～±20 N·m)，切向力根據(jù)扭矩和試樣半徑計算得出.低溫環(huán)境模擬裝置由制冷系統(tǒng)和低溫環(huán)境腔組成，制冷系統(tǒng)由兩級壓縮機組成，可為環(huán)境腔內提供-60 ℃的制冷介質.PID溫度控制器用于控制加熱器的加熱時間，使環(huán)境腔內的溫度穩(wěn)定在設定值.通過安裝在環(huán)境腔內的溫濕度傳感器，可實時監(jiān)測腔內溫度和相對濕度.

Fig.1 Sampling positions and dimensions of wheel and rail rollers and microstructures of wheel and rail materials圖1 輪軌試樣尺寸、取樣位置及材料微觀組織

Fig.2 The schematic diagram of wheel-rail test apparatus and low temperature simulation system圖2 輪軌模擬試驗機與低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)示意圖

本試驗中，車輪試樣和鋼軌試樣的轉速分別設置為195.24和200 r/min，對應的輪軌滑差為2.38%.加載力為1 060 N (輪軌最大赫茲接觸應力為860 MPa，對應現(xiàn)場軸重14 t).本試驗中首先在室溫(約20 ℃)與-40 ℃溫度下進行60 000次循環(huán)輪軌滾動磨損試驗，研究室溫與-40 ℃溫度下車輪材料的磨損與損傷行為；然后在-40 ℃下分別進行5 000、25 000、60 000和150 000 次循環(huán)輪軌滾動磨損試驗.在雙盤對滾試驗中，輪軌材料磨損與損傷行為需要經(jīng)過約20 000次循環(huán)方可進入穩(wěn)定狀態(tài)[20].因此，在本試驗中，選擇循環(huán)次數(shù)分別為5 000 (早期狀態(tài))、25 000 (達到穩(wěn)定狀態(tài))、60 000和150 000 (最終穩(wěn)定狀態(tài))時研究低溫下列車車輪材料磨損與滾動接觸疲勞損傷的演變過程，所有試驗均重復1次.

利用電子天平(JA4103，精度：0.000 1g)分別測量車輪試樣試驗前后的質量，試驗前后質量差即為車輪磨損量；利用顯微維氏硬度儀(MVK-H21，Japan)測試樣品表面和亞表層硬度；利用光學顯微鏡(OM，KEYENCE VHX-6 000，Japan)和掃描電鏡(SEM，Phenom Pro-SE，Netherlands)觀察試樣表面磨損形貌以及剖面裂紋形貌；利用X射線能譜儀(EDS，OXFROD X-Max 80)測試試驗后磨損表面的元素分布.

2 結果與討論

2.1 室溫與-40 ℃下車輪材料滾動磨損與損傷行為

圖3所示為室溫與-40 ℃溫度下輪軌摩擦系數(shù)、車輪磨損率(單位滾動距離上質量損失，單位μg/m)和表面硬度.在試驗初期，-40 ℃下(黑色曲線)摩擦系數(shù)較室溫下(紅色曲線)高，隨循環(huán)次數(shù)增加，逐漸下降并最終與室溫下摩擦系數(shù)保持一致[圖3(a)].-40 ℃下初期較高的摩擦系數(shù)與低溫環(huán)境的低濕度有關[13-14]，而后期摩擦系數(shù)的下降則與輪軌表面磨損形貌有關.-40 ℃下車輪試樣磨損率低于室溫下磨損率[圖3(b)].此外，溫度的降低將加速車輪表層材料硬化，-40 ℃下車輪表面硬度(752.7 HV0.5)與硬化率(1.715)明顯分別高于室溫工況下的表面硬度(541.4 HV0.5)與硬化率(0.97)[圖3(c)].

Fig.3 Friction coefficient,wear rates,surface hardness and hardening ratio of wheel rollers at room temperature and -40 ℃圖3 室溫與-40 ℃工況下輪軌摩擦系數(shù)、車輪試樣磨損率與磨后表面硬度和硬化率

Fig.4 OM and SEM micrographs of surface and subsurface damages of wheel rollers at room temperature and -40 ℃圖4 室溫與-40 ℃工況下車輪試樣表面與亞表面損傷形貌的光學顯微鏡及SEM照片

圖4所示為室溫與-40 ℃試驗后車輪試樣表面與亞表面損傷形貌的光學顯微鏡及SEM照片，可以看出，在室溫下，表面損傷的形貌主要以嚴重起皮為主，亞表面損傷則以細長型裂紋為主.-40 ℃工況下，車輪表面損傷的形貌以輕微接觸疲勞裂紋為主，剖面的SEM照片顯示車輪亞表面損傷以形貌復雜且數(shù)量較多的短小裂紋為主.

從以上結果可以看出，環(huán)境溫度明顯影響車輪材料的磨損與損傷行為，溫度的下降降低了車輪材料磨損率[圖3(b)].從車輪試樣剖面可以看出，-40 ℃下車輪材料滾動接觸疲勞裂紋形貌更為復雜(圖4).為揭示-40 ℃下車輪材料磨損與損傷形成過程，非常有必要研究不同循環(huán)次數(shù)下車輪試樣的磨損與滾動接觸疲勞損傷演變行為.

2.2 -40 ℃下車輪材料磨損與損傷演變行為

2.2.1 磨損與表面損傷

Application of waterscape in small-scale space landscape design

圖5給出了-40 ℃下車輪試樣磨損率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，可以看出，在5 000次循環(huán)時車輪磨損率為28.5 μg/m.隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪試樣磨損率逐漸增加，并在60 000次循環(huán)時達到穩(wěn)定.圖6所示為-40 ℃工況下不同循環(huán)次數(shù)后輪軌試樣的表面損傷形貌的SEM照片.可以看出，5 000次循環(huán)后，車輪試樣表面以小尺寸剝落為主，25 000次循環(huán)后，車輪表面可觀察到明顯的疲勞裂紋，并且隨循環(huán)次數(shù)增加，表面裂紋的尺寸和密度均增加，5 000次循環(huán)后，鋼軌試樣表面即可觀察到大面積的摩擦膜.

Fig.5 Wear rates and of wheel rollers at -40 ℃ as a function of number of cycles圖5 -40 ℃下車輪試樣磨損率隨循環(huán)次數(shù)變化

利用EDS測試了-40 ℃下圖6中A、B兩點處元素分布，結果如圖7所示.可以看出，摩擦膜處主要為O和Fe元素，原子占比分別為43.9%和42.7%，這說明摩擦膜中主要為鐵的氧化物.干態(tài)下，輪軌界面生成的氧化物主要為FeO、Fe3O4和Fe2O3[21].文獻[22]認為低溫條件下(-40 ℃)輪軌界面處的氧化物為Fe和Fe2O3的混合物，同時，Lyu等[15]通過EDS證實了類似的黑色氧化物為Fe2O3.在本研究中，F(xiàn)e和O的原子比約為1:1，大于Fe2O3中Fe和O的原子比，因此，摩擦膜主要為Fe和Fe2O3的混合物.

2.2.2 材料硬化與塑性變形

Fig.6 The worn surface morphologies of wheel and rail rollers with number of cycles at -40 ℃圖6 -40 ℃工況下車輪與鋼軌試樣表面形貌隨循環(huán)次數(shù)變化情況

Fig.7 EDS detection of rail worn surfaces and atomic ratios at -40 ℃ for 60 000 cycles圖7 EDS測試-40 ℃工況下60 000次循環(huán)后鋼軌表面元素分布

Fig.8 Surface hardness,hardening ratio and hardness profiles as a function of distance of wheel rollers at -40 ℃圖8 -40 ℃下車輪試樣表面硬度、硬化率與剖面硬度分布曲線

圖8(a)給出了試驗后車輪表面硬度與硬化率(試驗后車輪表面硬度增加量與初始硬度之比)隨循環(huán)次數(shù)變化關系.可以看出，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪表面硬度與硬化率先迅速增加后緩慢增加.圖8(b)所示為車輪試樣的剖面硬度分布情況.可以看出，車輪材料的硬度值隨深度增加而逐漸減小，直至接近基體硬度.此外，在相同深度下，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪試樣剖面硬度逐漸增大.

-40 ℃工況時車輪試樣不同循環(huán)次數(shù)下亞表層材料塑性變形如圖9所示，在5 000次循環(huán)后，塑性變形層深度約224 μm.在距表面約0 μm處，珠光體組織變形嚴重，先共析鐵素體細化為線狀[圖9(a)]，此外，靠近表面的變形鐵素體與滾動方向具有小角度.當深度增至100 μm時，組織變形輕微，鐵素體變形明顯.當深度進一步增至200 μm，車輪材料組織變形非常輕微.當循環(huán)次數(shù)為25 000時[圖9(b)]，塑性變形層深度約351 μm，靠近表面的車輪組織塑性變形非常嚴重，珠光體組織完全變形破碎，先共析鐵素體細化為短棒狀，靠近表面的變形鐵素體與滾動方向幾乎平行.在100 μm深度處，鐵素體細化為線狀；當深度增至300 μm時方可見變形輕微的鐵素體.當循環(huán)次數(shù)增加到60 000和150 000后，組織變形行為與25 000次循環(huán)后大致相似，此外，車輪材料組織塑性變形有輕微增加，塑性變形層深度分別為375和384 μm[圖9(c)和(d)].

2.2.3 滾動接觸疲勞損傷

圖10所示為車輪材料剖面損傷形貌的SEM照片，圖11則給出了剖面裂紋統(tǒng)計結果.可以看出，在循環(huán)早期(5 000次循環(huán))，車輪材料損傷輕微，萌生的短小狀裂紋(約55 μm)通常折向表面，并形成小尺寸剝落坑[圖10(a)].當循環(huán)次數(shù)大于25 000時，可以在車輪試樣上觀察到大量的亞表層裂紋，亞表層裂紋將與相鄰裂紋匯合，從而加速裂紋擴展，因此，可以觀察到細長型裂紋[圖10(b)]，此時裂紋夾角較小，主要沿著平行于滾動方向進行擴展.當循環(huán)次數(shù)增加到60 000和150 000后，裂紋形貌與25 000次循環(huán)后大致相似.此時，裂紋長度有輕微下降，但裂紋深度與裂紋密度均增大(圖11).

Fig.9 The microstructure evolution of wheel rollers at -40 ℃ in different depth圖9 -40 ℃下車輪試樣不同循環(huán)次數(shù)下剖面不同深度處塑性變形

Fig.10 OM and SEM micrograph of subsurface cracks of wheel rollers at -40 ℃圖10 -40 ℃下不同循環(huán)次數(shù)車輪剖面損傷形貌

Fig.11 The size statistics of fatigue cracks on wheel rollers at -40 ℃圖11 -40 ℃工況下車輪試樣疲勞裂紋統(tǒng)計結果

室溫下60 000次循環(huán)試驗后，車輪材料表層先共析鐵素體組織沿著切應力方向變形且細化為線狀.鐵素體晶粒將比珠光體累積更高的塑性應變并率先耗盡[8-9,26].因此，在室溫下試驗后，裂紋沿著變形后的鐵素體線萌生和擴展并形成細長型裂紋(圖4).而在-40 ℃下60 000次循環(huán)試驗后，車輪材料在亞表層萌生的裂紋數(shù)量較室溫下多(圖10)，并且亞表層裂紋擴展長度(平均377 μm，最長687 μm)較室溫下長(平均330 μm，最長445 μm).試驗后車輪材料先共析鐵素體變形和細化程度與低溫下力學性能變化是導致室溫與-40 ℃下車輪材料裂紋萌生與擴展行為差異的主要原因.由于-40 ℃下試驗后車輪試樣磨損率較低[圖3(b)]，車輪材料表層鐵素體晶粒完全破碎并細化為大量短棒狀[圖9(b)、(c)和(d)].鐵素內晶粒內部位錯的運動與纏結會導致局部材料形成空腔[27]，空腔的擴展和相互匯合使鐵素體顆粒內部萌生出微裂紋，因此，-40 ℃下車輪材料在亞表層處萌生出大量次表層裂紋(圖10).滾滑接觸條件下，車輪表層材料硬度由于位錯強化和細晶強化而顯著上升[圖8(a)]，-40 ℃試驗后車輪表層材料的加工硬化率[圖3(c)]和組織變形(圖9)較室溫下高.大變形晶粒更有利于裂紋擴展[8,28]，此外，環(huán)境腔內溫度(-40 ℃)低于車輪材料韌脆轉變溫度時(約-15～-20 ℃)，車輪材料強度增加而韌塑性顯著下降，疲勞裂紋擴展速率在珠光體內增大[29].因此，-40 ℃下試驗后車輪材料亞表層裂紋萌生后將迅速擴展，從而使-40 ℃下車輪材料亞表層裂紋擴展長度(見圖11)較室溫下長.

-40 ℃工況下車輪材料磨損與滾動接觸疲勞損傷形成具有明顯的演化特征.在磨損初期，輪軌界面發(fā)生顯著材料轉移并在輪軌界面形成穩(wěn)定的摩擦膜(圖6)，摩擦膜降低了車輪材料的磨損率.由于磨損率低，車輪表層材料在滾動載荷作用下持續(xù)累積塑性變形.在磨損后期，累積了高塑性變形的車輪材料將促進裂紋萌生，因此在車輪試樣亞表層形成大量裂紋，這些亞表層裂紋相互匯合，從而加速疲勞裂紋擴展.總體來說，低溫環(huán)境下，車輪試樣磨損下降，表面損傷較為輕微，但材料亞表層損傷嚴重，裂紋在車輪材料亞表層處萌生與擴展，將嚴重影響高寒地區(qū)車輪服役安全性.

3 結論

a.溫度對車輪材料的磨損和損傷機制有明顯影響.與室溫相比，-40 ℃時車輪材料磨損率降低，表面硬化率上升.室溫時，車輪表面起皮嚴重，磨損機制為疲勞磨損，在-40 ℃時，車輪表面疲勞磨損明顯減輕.

b.-40 ℃下，隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪材料磨損率、表面硬度與硬化率先迅速增加后緩慢增加，在60 000次后達到穩(wěn)定.早期車輪試樣表面以小尺寸剝落為主，達到25 000次循環(huán)后車輪表面可觀察到明顯的疲勞裂紋，且隨循環(huán)次數(shù)增加，表面裂紋尺寸和密度均增加.

c.-40 ℃下，滾動接觸疲勞裂紋在車輪材料亞表層處萌生并沿著滾動方向擴展.亞表層處萌生的微裂紋相互匯合將加速裂紋擴展.隨循環(huán)次數(shù)增加，車輪材料裂紋長度先增大后輕微減小，但裂紋深度與裂紋密度均呈增加趨勢.