高速鐵路鋼軌硌傷疲勞擴(kuò)展模擬試驗(yàn)研究

周韶博尹利鈞楊光李英奇劉佳朋趙鑫

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.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031

高速鐵路鋼軌硌傷已引起鐵路工務(wù)部門的普遍重視［1-2］。鋼軌硌傷多由車輪碾壓異物產(chǎn)生，在鋼軌表面形成凹坑，影響軌道縱向平順性，其尖銳邊緣還可能造成車輪踏面?zhèn)麚p。凹坑在輪軌載荷持續(xù)作用下進(jìn)一步發(fā)展為滾動接觸疲勞傷損，危及行車安全。凹坑的深度和幾何形狀均影響硌傷的疲勞擴(kuò)展，現(xiàn)場典型的鋼軌硌傷有圓錐形、方錐形、球形、長條形4種［3］。

文獻(xiàn)［4］通過數(shù)值計(jì)算得出了包含硌傷在內(nèi)的軌頭表面缺陷發(fā)展為隱傷的關(guān)鍵尺寸是6~8 mm。文獻(xiàn)［5］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硌傷凹坑內(nèi)的裂紋會在水潤滑作用下急劇擴(kuò)展，裂紋角度越大越容易向內(nèi)部擴(kuò)展。文獻(xiàn)［6］通過測試發(fā)現(xiàn)硌傷坑底部的材料抗疲勞性能最差。文獻(xiàn)［7］對某鋼軌踏面的硌傷進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)硌傷后的鋼軌基體組織產(chǎn)生了微裂紋和嚴(yán)重塑性變形。文獻(xiàn)［8］發(fā)現(xiàn)硌傷坑尺寸的增大會增加鋼軌產(chǎn)生滾動接觸疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過實(shí)驗(yàn)室條件下小比例鋼軌試樣表面預(yù)制硌傷的滾動疲勞試驗(yàn)，模擬研究不同幾何形狀和深度鋼軌硌傷的疲勞擴(kuò)展規(guī)律和特征，為高速鐵路鋼軌硌傷合理限值的確定提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用GPM-30雙盤式（Twin-disc）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（圖1）。該型試驗(yàn)機(jī)可通過控制轉(zhuǎn)速、接觸壓力、蠕滑率、潤滑條件等參量模擬不同工況下金屬材料純滾動以及滾滑復(fù)合狀況下的摩擦磨損行為。

圖1 GPM-30試驗(yàn)機(jī)和輪軌試樣安裝

選用我國高速鐵路使用的ER8車輪及U71MnG鋼軌材料，主要合金元素及含量見表1。ER8車輪、U71MnG硬度分別為261、277 HV0.5，伸長率分別為17.5%、15.0%。

表1 試驗(yàn)用輪軌材料主要合金元素及含量 %

輪軌圓盤形試樣分別取自車輪輪輞中部及鋼軌軌頭上部，如圖2所示。試驗(yàn)機(jī)上下主軸轉(zhuǎn)速相同，通過設(shè)置輪軌試樣直徑差來模擬輪軌間黏著飽和狀態(tài)的惡劣工況。車輪試樣直徑取60.00 mm，鋼軌試樣直徑取59.52 mm，相應(yīng)蠕滑率為-0.8%。輪軌試樣厚度均為20 mm，鋼軌試樣上設(shè)有厚5 mm的凸臺（圖3）。

圖2 輪軌試樣取樣位置示意（單位：mm）

圖3 輪軌試樣尺寸及接觸示意（單位：mm）

試驗(yàn)中模擬的高速鐵路動車組軸重17 t，輪徑920 mm，鋼軌軌頂圓弧半徑為300 mm，輪軌材料楊氏模量取206 GPa，泊松比取0.28；采用Hertz接觸理論計(jì)算可得接觸斑最大法向應(yīng)力為1 150 MPa；相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室輪軌試樣所需施加試驗(yàn)力為2 699 N。試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為900 r/min，為加速鋼軌試樣硌傷的裂紋萌生和擴(kuò)展，采用油潤滑條件。試驗(yàn)總循環(huán)達(dá)到50萬轉(zhuǎn)（約10 h）或傷損發(fā)展導(dǎo)致機(jī)器振動超過25 dB時(shí)停機(jī)。

采用機(jī)床壓制方式在鋼軌試樣表面預(yù)制硌傷，如圖4所示，從左到右依次為圓錐形、方錐形、球形、長條形硌傷。每個(gè)試樣圓周上均勻預(yù)制8或16個(gè)硌傷（輪盤U5為16個(gè)，其余為8個(gè)）。Hertz理論計(jì)算鋼軌試樣承受的最大剪應(yīng)力位置在接觸表面以下0.745a~0.785a處（a為接觸斑短軸半長），深約0.23 mm。結(jié)合文獻(xiàn)［9］試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)制硌傷深度取0.1~0.3 mm。試樣硌傷深度見表2。其中軌盤U5上有8個(gè)硌傷預(yù)定深度為200 μm，另8個(gè)為250 μm。

表2 預(yù)制硌傷試樣硌傷深度 μm

圖4 預(yù)制硌傷壓頭示意（單位：mm）

試驗(yàn)前后使用MVK-H21顯微硬度計(jì)、電子天平、OLS4100激光共焦顯微鏡、金相顯微鏡等儀器分別對試樣表面硬度、質(zhì)量、表面形貌及凹坑深度、局部滾動接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue，RCF）傷損的剖面金相組織和形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加工硬化與磨耗

試驗(yàn)前后各組輪軌試樣的表面維氏硬度和質(zhì)量損失測試結(jié)果見圖5?？芍很壉P試樣硬度增加值為6~12 HV0.5，輪盤試樣硬度增加值為11~27 HV0.5；試驗(yàn)前后的質(zhì)量損失則均在20 mg以內(nèi)，鋼軌試樣略高于車輪試樣。與干態(tài)試驗(yàn)結(jié)果相比［10］，輪軌試樣的加工硬化和磨損都較為輕微，這與油態(tài)下試樣間的摩擦因數(shù)顯著較小有關(guān)。

圖5 試驗(yàn)前后各組輪軌試樣表面硬度和質(zhì)量損失

2.2 表面形貌和硌傷深度

試驗(yàn)過程中，多數(shù)硌傷沒有擴(kuò)展形成顯著的疲勞裂紋和剝離掉塊傷損，硌傷坑的深度都顯著減小，見圖6、圖7。圖7中x為車輪滾動方向，z為垂直于鋼軌表面方向。

圖6 各典型硌傷試驗(yàn)前后表面形貌

圖7 各典型硌傷的深度變化曲線

由圖6、圖7可知：試驗(yàn)后，圓錐形和方錐形硌傷的寬度和深度都明顯縮小，在沿滾動方向的切向力作用下被拉長為橢圓形，形似一條溝槽；球形硌傷坑邊緣在滾動接觸載荷下發(fā)生鈍化，隨著滾動循環(huán)次數(shù)增加被逐漸磨平；長條形硌傷坑在試驗(yàn)過程中發(fā)生閉合，演化為一條橫向的細(xì)線。

2.3 局部滾動接觸疲勞傷損

根據(jù)鋼軌試樣傷損特征將硌傷疲勞擴(kuò)展形成的局部RCF傷損分為表面裂紋、淺層剝離和深層掉塊。

圖8（a）和圖8（b）分別為U3-3#方錐形硌傷試驗(yàn)前后的表面形貌?？芍涸擁褌谠囼?yàn)后出現(xiàn)了表面裂紋和輕微剝離，硌傷坑尺寸在試驗(yàn)后顯著縮小，但在凹坑邊緣有多處不同方向的疲勞裂紋分布，且裂紋走向不一。試驗(yàn)后凹坑的縱向剖面金相照片見圖8（c）?？芍悍娇騾^(qū)域有不規(guī)則的細(xì)微裂紋和空穴，次表面的空穴是硌傷凹坑受塑性變形影響未完全閉合而形成的；在硌傷中后位置有沿滾動方向擴(kuò)展的多個(gè)疲勞裂紋，擴(kuò)展深度達(dá)150 μm。

圖8 U3-3#方錐形硌傷表面形貌和縱向剖面金相照片

圖9（a）和圖9（b）分別為U1-1#圓錐形硌傷試驗(yàn)前后的表面形貌。可知：硌傷坑發(fā)生了淺層的剝離掉塊。試驗(yàn)后凹坑的縱向剖面金相照片見圖9（c）?？芍毫鸭y起源于硌傷坑的后緣，沿25°方向斜向下擴(kuò)展，主裂紋最大深度達(dá)872 μm，且底部分叉后較大的枝裂紋已轉(zhuǎn)向向上擴(kuò)展；主裂紋在擴(kuò)展中產(chǎn)生了3處較嚴(yán)重的枝裂紋，沿60°方向向上擴(kuò)展，與起源于表面的裂紋交匯，將引發(fā)更嚴(yán)重的剝離掉塊。

圖9 U1-1#圓錐形硌傷表面形貌和剖面照片（單位：mm）

圖10為U2-8#長條形硌傷試驗(yàn)前后表面形貌和試驗(yàn)后凹坑縱向剖切后的金相照片?？芍毫鸭y同樣起源于硌傷凹坑的后緣，沿28°方向向下擴(kuò)展，主裂紋最大深度達(dá)到1 625 μm；疲勞部位已經(jīng)發(fā)生兩次較大的剝離掉塊；與圓錐形硌傷疲勞裂紋相似，該硌傷主裂紋的擴(kuò)展過程中也產(chǎn)生了多個(gè)向上發(fā)展的枝裂紋。

圖10 U2-8#長條形硌傷表面形貌和剖面照片（單位：mm）

3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)中4類共56個(gè)硌傷中，有14個(gè)硌傷進(jìn)一步發(fā)展為局部RCF傷損，見表3?？芍呵蛐雾褌谠囼?yàn)中產(chǎn)生的局部RCF傷損最少，僅有1個(gè)；3個(gè)方錐形硌傷導(dǎo)致的RCF傷損均為表面裂紋類型；圓錐形和長條形硌傷各發(fā)展出5個(gè)局部RCF傷損。整體來看，發(fā)生RCF傷損的硌傷初始深度集中在150 μm以上，圓錐形和長條形硌傷更容易發(fā)展出局部RCF傷損。

表3 鋼軌試樣局部RCF傷損信息匯總

硌傷的滾動疲勞發(fā)展與硌傷的深度、幾何形狀密切相關(guān)。鋼軌硌傷是鋼軌表面的一種缺口傷損，在滾動循環(huán)中，缺口不承受外力而將其傳遞至缺口前方材料，會產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的程度用理論應(yīng)力集中系數(shù)（因子）Kt表示，Kt=σmax/σn，其中σmax和σn分別為集中應(yīng)力和名義應(yīng)力。缺口越尖銳，Kt值越大，表明應(yīng)力集中現(xiàn)象越顯著，同時(shí)缺口試樣的疲勞極限下降也越多［11］。4種硌傷形式中，相同深度下球形硌傷的Kt最小，圓錐形硌傷的Kt最大，方錐形和長條形硌傷介于二者之間，相應(yīng)地在試驗(yàn)中產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中和局部材料疲勞極限下降。此外，硌傷坑外形越尖銳，深度越大，硌傷坑內(nèi)部和邊緣材料的塑性應(yīng)變也越大［12］，進(jìn)一步影響硌傷坑內(nèi)部材料疲勞裂紋萌生。

球形硌傷坑為半徑2 mm的部分球面。在深度較小時(shí)，硌傷坑內(nèi)部材料的變形輕微，整體協(xié)調(diào)變形使得硌傷坑邊緣被壓延、鈍化并趨于消失；當(dāng)深度增加至150 μm以上時(shí)，塑性應(yīng)變加速累積，局部強(qiáng)度和殘余應(yīng)力的提高使其無法通過協(xié)調(diào)變形而變得平整，但應(yīng)力和應(yīng)變分布仍相對均勻，不易產(chǎn)生疲勞裂紋。

對于圓錐形和方錐形硌傷，底部尖角和棱邊位置非常尖銳，可能在預(yù)制硌傷時(shí)產(chǎn)生裂紋［7］，硌傷后的殘余應(yīng)力和應(yīng)變也顯著高于其他硌傷形式。硌傷深度較大時(shí)，這2種硌傷在滾動疲勞試驗(yàn)中傾向于閉合，但底部和棱邊位置因難于變形而形成空穴和微裂紋（參見圖7），在滾動載荷和油楔效應(yīng)作用下產(chǎn)生局部RCF傷損。這種硌傷凹坑頂部閉合而內(nèi)部存在空穴和微裂紋的傷損狀態(tài)，可能是鋼軌隱傷的一種產(chǎn)生方式。

長條形硌傷模擬條形鐵釘類異物的硌入，其兩端與圓錐形、方錐形的尖端相似；試驗(yàn)中深層的剝離掉塊多起源于長條形硌傷的兩端位置。此外，由于長條形硌傷較長，兩端位于鋼軌試樣接觸面的邊緣［參見圖10（a）］，與接觸面中心的硌傷形式相比缺少橫向約束，其橫向塑性變形疊加也對傷損發(fā)展有不利影響。

油潤滑條件不僅降低了表面的摩擦因數(shù)，減輕了磨損的影響，而且由于潤滑油進(jìn)入凹坑和疲勞裂紋內(nèi)部而引起的油楔效應(yīng)，加速了硌傷傷損的滾動疲勞發(fā)展。此外，考慮到尺寸效應(yīng)的影響，為模擬實(shí)際大小高速鐵路鋼軌硌傷的演化行為，應(yīng)結(jié)合干態(tài)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段開展實(shí)尺鋼軌硌傷疲勞擴(kuò)展的研究。

4 結(jié)論與建議

在U71MnG鋼軌試樣上預(yù)制深度為0.1~0.3 mm的圓錐形、方錐形、球形、長條形硌傷，以ER8車輪材料為對磨副，在油潤滑條件下開展了6組雙盤式滾滑疲勞對比試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1）試驗(yàn)后輪軌試樣表面的加工硬化和磨損都較為輕微。

2）4類56個(gè)硌傷中有14例硌傷發(fā)展為局部RCF傷損，表現(xiàn)為表面裂紋、淺層剝離和深層掉塊。硌傷進(jìn)一步擴(kuò)展為局部RCF傷損的臨界深度約為150 μm。

3）從局部RCF傷損的數(shù)量統(tǒng)計(jì)來看，4類硌傷形式中球形硌傷發(fā)生滾動接觸疲勞的可能性最小，圓錐形和長條形硌傷的可能性最大。

4）硌傷的滾動疲勞發(fā)展與硌傷坑深度、硌傷幾何形狀密切相關(guān)。擁有大深度和尖銳幾何的硌傷形式更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和塑性應(yīng)變累積，具有更低的疲勞極限，從而更容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

由于油潤滑條件對鋼軌硌傷后的疲勞發(fā)展有顯著的加速作用，有必要繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)室條件下的小比例干態(tài)對比試驗(yàn)?？衫^續(xù)開展鋼軌硌傷實(shí)尺疲勞試驗(yàn)，探索尺寸效應(yīng)的影響，為鋼軌的科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修提供理論支撐。