抗表面接觸疲勞剝離新型重載機車車輪的開發(fā)

姚三成　江波　劉學(xué)華　趙海　鄒強　陳剛

關(guān)鍵詞：踏面剝離；棘輪效應(yīng)；塑性應(yīng)變累積；釩微合金化；屈強比

0 引言

機車車輪起傳遞牽引動力作用，是機車車輛的關(guān)鍵零部件之一。我國幅員遼闊，內(nèi)陸深廣，地區(qū)間的氣候環(huán)境差異大，在重載、提速大背景下，復(fù)雜的路線工況和高密度運行使機車車輪的運行條件變得更為苛刻，其疲勞損傷的敏感性較其他用途車輪更為突出。這其中因牽引系數(shù)高、牽引力矩大導(dǎo)致的踏面剝離是一種普發(fā)性的失效形式。

踏面剝離使輪軌接觸表面產(chǎn)生沖擊載荷，所引起的振動可能使機車其他零部件發(fā)生早期失效，進而對列車運行的安全產(chǎn)生影響。只有將踏面剝離缺陷鏇修消除后，機車車輛才能繼續(xù)投入運用。車輪的接觸疲勞性能決定著踏面剝離發(fā)生周期，直接影響車輪的鏇修頻次和使用壽命，對鐵路運輸效率、經(jīng)濟性產(chǎn)生重要影響。

鐵素體—珠光體型鐵路車輪具有優(yōu)良的耐磨性、熱穩(wěn)定性和切削加工性，一直被世界各國廣泛采用。在循環(huán)載荷作用下，組織狀態(tài)對材料的塑性變形行為、裂紋萌生敏感性及止裂能力等都起著決定性作用。為緩解機車車輪的踏面剝離，應(yīng)著力改善車輪材料的顯微組織，進而優(yōu)化材料的基本力學(xué)性能等級。因此，突破既有碳素車輪鋼材料的局限，深度挖掘材料的極致性能，是現(xiàn)階段應(yīng)對機車車輪踏面剝離問題的研究重點和難點。

1 踏面損傷模式識別

圖1為同一件重載機車車輪在不同服役階段的踏面形貌。早期踏面損傷（圖1（a））表現(xiàn)為起皮，集中在輪軌接觸區(qū)附近，并沿踏面周向呈連續(xù)、大面積分布，嚴(yán)重部位已經(jīng)翹起，與基體分開，周圍出現(xiàn)細小的裂紋，可判斷此階段裂紋在表面萌生，但未發(fā)生明顯剝離。服役較長時間后踏面損傷表現(xiàn)為裂紋、起皮、剝離共存（圖1（b）），剝離處周向均伴有龜裂紋，由表面裂紋萌生后向基體內(nèi)部擴展所致，不向內(nèi)部擴展的裂紋仍然以“起皮”形式存在。

圖2為剝離損傷處的縱剖面顯微形貌。踏面表層發(fā)生了明顯的塑性變形，裂紋起源于踏面表面，并與踏面呈一定角度沿著金屬流線向基體內(nèi)部擴展，裂紋尖端可觀察到分叉特征，說明裂紋的擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有繼續(xù)向基體內(nèi)部擴展的趨勢。從裂紋特征與組織關(guān)系看，踏面近表面的塑性變形導(dǎo)致接觸疲勞（RCF）裂紋的萌生。因此，提高車輪鋼材料的屈服強度，有效抵抗塑性應(yīng)變累積損傷，應(yīng)有利于減緩踏面剝離的發(fā)生。

當(dāng)輪軌間的牽引系數(shù)較大（≥0.25）時，在運用載荷反復(fù)作用下，位于踏面表面的最大綜合剪切應(yīng)力超過材料的抗剪屈服強度，致使表層材料持續(xù)產(chǎn)生塑性變形，同時伴有形變強化，由于損傷逐步累積而發(fā)生“棘輪效應(yīng)”，直到最大綜合剪切應(yīng)力超過材料的抗剪斷裂強度，就在表面萌生RCF裂紋。裂紋萌生后，如果裂紋較深，遇到雨雪氣候，進入裂紋的液體會影響作用在裂紋尖端的接觸應(yīng)力分布，阻止裂紋閉合。被閉合在裂紋內(nèi)部的液體顯著提高I型應(yīng)力強度因子，從而促進裂紋向內(nèi)部擴展、分叉而導(dǎo)致踏面剝離。

可見，為提高車輪抗表面RCF性能，既要提高材料的裂紋萌生抗力，又要減小裂紋尺寸。而適度的磨損將有助于初生RCF裂紋的去除或減小，降低該類損傷發(fā)生概率。材料的耐磨性與抗拉強度、硬度呈正相關(guān)關(guān)系，與鐵素體體積分?jǐn)?shù)呈負相關(guān)關(guān)系?？刂栖囕喌目估瓘姸燃坝捕仍隽浚m當(dāng)提高鐵素體的含量，可使磨損速率有所提高。歸根結(jié)底，車輪鋼材料的改進是否有效，根本取決于RCF與磨損性能的協(xié)調(diào)平衡。

2 新材質(zhì)車輪試制方案

在現(xiàn)有高強度級別的碳素鋼成分體系基礎(chǔ)上（表1），通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.15%的V元素，采用“110 t EAF→LF→RH→連鑄圓坯→緩冷”等工藝流程獲得車輪鋼坯，具體過程控制為：EAF爐高碳出鋼，控制終點w（）≥0.07%；LF精煉爐強化頂渣的還原性，控制終渣w（TFe+MnO）≤1.0%、白渣保持時間≥10 min； RH真空爐保持長時間的真空循環(huán)脫氣，控制破空后鋼水w（H）≤1.0×10-4 %；連鑄加強保護澆注，采用橫拉速，控制中間包鋼水過熱度在15～45 K之間；緩冷時間≥24 h。采用“下料→鍛前加熱→鍛造、輾軋、壓彎、沖裁→緩冷→淬前加熱→踏面噴淬→回火→預(yù)、精加工”等工藝流程制備出高屈強比的新材質(zhì)機車車輪?？刂棋懬凹訜釡囟葹? 200～1 300 ℃，加熱時間4～6 h； 緩冷時間≥8 h； 較原材質(zhì)車輪，新材質(zhì)車輪的淬火加熱溫度要高30～50 K，并采用“弱→強”梯次式噴淬，保證輪輞全截面顯微組織的一致性；回火時間≥4 h。具體的制造工藝見參考文獻。

采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、室溫拉伸力學(xué)性能試驗、緊湊拉伸斷裂韌性試驗、單軸非對稱應(yīng)力控制的“拉—壓”循環(huán)試驗等對比研究了原、新材質(zhì)車輪的顯微組織、常規(guī)力學(xué)性能、循環(huán)塑性行為。為研究車輪試樣抗表面RCF裂紋萌生與擴展能力，在GPM-30型滾動接觸疲勞試驗機上進行“干+濕”組合滾動接觸試驗（圖3）。干磨試驗?zāi)M表面RCF裂紋萌生過程，陪試樣為U75鋼軌試樣，接觸壓應(yīng)力1 200 MPa， 轉(zhuǎn)速500 r/min， 滑差率0.75%，試驗周次1.5萬r， 試驗進程中對試樣進行風(fēng)冷；干磨試驗后緊接著進行潤滑接觸試驗，模擬表面RCF裂紋向內(nèi)擴展過程，潤滑介質(zhì)為10%乙二醇水溶液，滑差率0.3%，接觸壓應(yīng)力分別設(shè)置為1 500、1 400、1 300、1 200、1 100 MPa， 轉(zhuǎn)速500 r/min。試驗機上裝有振動傳感器，試驗前設(shè)置報警閾值為25 dB，當(dāng)試樣表面發(fā)生剝離時，振動達到閾值，試驗停止。

3 新材質(zhì)車輪的綜合性能

3.1 常規(guī)力學(xué)性能

原、新材質(zhì)車輪的室溫拉伸力學(xué)性能見表2。相比于原材質(zhì)車輪，在塑性指標(biāo)不降低的同時，添加V使新材質(zhì)車輪的屈服強度顯著增加，但抗拉強度的增幅很小，幾乎未有增加，甚至略有降低，即新材質(zhì)車輪的屈強比有明顯提高。

新材質(zhì)車輪輪輞不同深度的屈服強度和抗拉強度增幅見圖4（a），距踏面15 mm處的屈服強度增幅約15%，距踏面越遠，冷卻速率越低，屈服強度增幅呈降低趨勢；如圖4（b）所示，新材質(zhì)車輪的斷裂韌性也略有提高，獲得了比較好的強韌匹配。

3.2 顯微組織及析出相

如圖5（a）（b）所示，新材質(zhì)車輪室溫下的顯微組織為細珠光體和先共析鐵素體，鐵素體沿原奧氏體晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布。自踏面向下，珠光體片間距和鐵素體體積分?jǐn)?shù)總體上呈增加趨勢，添加V使鐵素體體積分?jǐn)?shù)更高，珠光體片間距也更細小。如圖5（c）（d）所示，添加V使先共析鐵素體、珠光體片層間的鐵素體中產(chǎn)生了隨機分布的V（C，N）析出相。析出相的形貌主要為球狀、橢球狀和短棒狀，析出相尺寸大小不一，為3～55 nm， 其中尺寸在20 nm以下的占比45%以上，且先共析鐵素體中的析出相數(shù)目多于珠光體片層間的鐵素體，說明鐵素體的附加強化高于珠光體，這是屈服強度增量高于抗拉強度的原因所在。此外，由于磨損速率與硬度水平、軟相鐵素體的含量直接相關(guān)，抗拉強度增幅小、鐵素體體積分?jǐn)?shù)高使耐磨性不隨屈服強度而明顯上升，可實現(xiàn)磨損與RCF的競爭關(guān)系更加協(xié)調(diào)。

3.3 循環(huán)塑性行為

車輪踏面表面RCF裂紋萌生的本質(zhì)是塑性變形累積，即車輪材料在非對稱應(yīng)力作用下產(chǎn)生了棘輪效應(yīng)導(dǎo)致。因此，由棘輪行為差異可從本質(zhì)上評價車輪材料抗剝離性能。

在恒平均應(yīng)力下進行3個應(yīng)力幅的軸向“拉—壓”循環(huán)疲勞試驗，試驗條件見表3，加載波形為正弦波，頻率為0.1 Hz， 試樣斷裂時試驗停止。

圖6（a）顯示了新材質(zhì)車輪試樣在100±700 MPa應(yīng)力加載條件下的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)特性。每一循環(huán)周次車輪材料的滯后回線未閉合，軸向塑性應(yīng)變隨循環(huán)周次不斷累積，說明在該應(yīng)力條件下車輪材料產(chǎn)生了棘輪效應(yīng)，直至所累積的應(yīng)變超過材料的韌性極限萌生疲勞裂紋而斷裂。滯后回線的面積表征抗塑性變形能力的大小，在恒應(yīng)力范圍條件下滯后回線的面積取決于應(yīng)變幅，應(yīng)變幅越大，抗塑性變形能力弱，萌生裂紋的敏感性越高。由圖6（b）可知，不同應(yīng)力水平下均表現(xiàn)出在試驗初期，存在短時的循環(huán)硬化，而后是持續(xù)的循環(huán)軟化直至疲勞失效。3種應(yīng)力條件下新、原材質(zhì)車輪材料的棘輪循環(huán)周次（即持續(xù)壽命）對比見圖6（c）。添加V顯著提高棘輪疲勞壽命，且在低應(yīng)力條件下棘輪壽命的增加更加明顯。試驗過程中的棘輪應(yīng)變—循環(huán)周次關(guān)系曲線見圖6（d）。新、原材質(zhì)車輪材料的棘輪應(yīng)變演變規(guī)律基本一致，可分為棘輪應(yīng)變速率衰減（Ⅰ階段）、棘輪應(yīng)變速率基本恒定（Ⅱ階段）和棘輪應(yīng)變速率加速（Ⅲ階段）3個階段。棘輪應(yīng)變速率表征單一周次的塑性應(yīng)變累積增量，即棘輪應(yīng)變—循環(huán)周次關(guān)系曲線上某特定周次的切線斜率。添加V顯著降低棘輪應(yīng)變速率，且在低應(yīng)力條件下棘輪應(yīng)變速率的降低更加明顯。

新材質(zhì)車輪循環(huán)塑性試樣在100±700 MPa應(yīng)力條件下的斷口微觀形貌如圖7所示。裂紋自表面萌生，擴展區(qū)（圖7（a）中標(biāo)記1）與瞬斷區(qū)（圖7（a）中標(biāo)記3）之間存在塑性延伸區(qū)（圖7（a）中標(biāo)記2），其微觀形貌為大而深的韌窩，表明在斷裂前吸收大量塑性應(yīng)變能，宏觀表現(xiàn)出較高的抗塑性應(yīng)變破壞能力。瞬斷區(qū)微觀形貌為解理臺階，從斷口上還可以看出棘輪與疲勞的交互作用。在裂紋擴展初期因棘輪應(yīng)變速率衰減進入常棘輪應(yīng)變速率的穩(wěn)態(tài)擴展階段，而后因低周疲勞失效，斷口表現(xiàn)出疲勞特征。

3.4 滾動接觸疲勞性能

干磨接觸試驗后，新、原材質(zhì)車輪試樣縱剖面的疲勞裂紋形貌如圖8所示。在沒有潤滑介質(zhì)的條件下，因摩擦因數(shù)較大，一定循環(huán)周次干磨后在試樣表面萌生了“磨損疲勞”裂紋。相比之下，新材質(zhì)車輪試樣疲勞裂紋的深度明顯較低，數(shù)量也明顯較少，說明新材質(zhì)車輪表面RCF發(fā)生的敏感性較低。新、原材質(zhì)車輪試樣的σzmax-N疲勞曲線如圖9所示。相同接觸壓應(yīng)力下，新材質(zhì)車輪試樣的RCF壽命提高70%～110%。取循環(huán)基數(shù)N0為107次，較原材質(zhì)車輪，新材質(zhì)車輪試樣在1 100 MPa接觸壓應(yīng)力下不發(fā)生疲勞失效的概率更大。

取接觸壓應(yīng)力1 200 MPa下的“干+濕”組合滾動接觸試驗后的試樣進行稱重和解剖，其剝離失重、RCF裂紋密度及裂紋深度見表4?？梢?，較原材質(zhì)車輪材料，新材質(zhì)車輪材料的抗RCF裂紋萌生及擴展能力更大。

4 車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜強度評定時，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2007《整體車輪技術(shù)檢驗》需校核輻板及其兩端的圓弧段（即向輪轂及輪輞過渡區(qū)域）的最大等效應(yīng)力是否低于輻板材料的許用應(yīng)力（這里取355 MPa）。經(jīng)Ansys有限元計算，獲得直線工況、曲線工況、道岔工況以及超常載荷工況下考核區(qū)域的Mises等效應(yīng)力最大值及其位置，見表5。由計算結(jié)果可知，各工況下考核區(qū)域內(nèi)車輪輻板和輻板兩端圓弧段的最大等效應(yīng)力均小于355 MPa， 因此，靜強度滿足設(shè)計使用要求。

通過編寫后處理程序，對各工況下的計算結(jié)果進行處理，獲得當(dāng)量疲勞應(yīng)力的計算結(jié)果，并以云圖形式在車輪上顯示出來，見圖10。

由標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5—2007《整體車輪技術(shù)檢驗》評定方法計算獲得的疲勞強度安全系數(shù)為360/314.7=1.14，由修正的Crossland準(zhǔn)則評定方法計算獲得的疲勞強度安全系數(shù)為180/129.6=1.39。兩種評定方法計算獲得車輪的疲勞安全系數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)UIC510-5—2007的規(guī)定。

5 應(yīng)用情況

目前，新材質(zhì)抗表面RCF剝離車輪已小批量供貨美國某著名鐵路裝備公司，車輪實際服役狀況良好。

國內(nèi)，馬鋼聯(lián)合相關(guān)部門起草修訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將高屈強比的新材質(zhì)重載機車車輪納入輾鋼整體機車車輪譜系，并積極向各機務(wù)段和主機廠推介。

6 結(jié)論

（1） 重載機車車輪踏面沿周向大面積的剝離，本質(zhì)為棘輪效應(yīng)導(dǎo)致的塑性應(yīng)變累積損傷，RCF裂紋萌生于踏面表面，并以一定的角度沿金屬塑性流變方向往基體內(nèi)部擴展。

（2） 提高車輪的屈強比，協(xié)調(diào)平衡滾動接觸疲勞與磨損性能的競爭關(guān)系，是改善抗RCF性能的有效措施。

（3）在現(xiàn)有高強度級別的碳素鋼車輪基礎(chǔ)上，通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%～0.15%的V元素，采用高溫淬火加熱和“弱→強”梯次式噴淬，開發(fā)出高屈強比的新材質(zhì)機車車輪。

（4）新材質(zhì)車輪的屈服強度提高約6%～ 15%，但抗拉強度增幅很小，即屈強比有明顯提高，斷裂韌性也略有提高，獲得了比較好的強韌匹配；添加V使顯微組織中產(chǎn)生了隨機分布的V（C，N）析出相，且鐵素體的附加強化高于珠光體；添加V顯著提高棘輪疲勞壽命，降低棘輪應(yīng)變速率；在1 100 MPa接觸壓應(yīng)力下，新材質(zhì)車輪試樣不發(fā)生疲勞失效的概率較大；在相同接觸壓應(yīng)力下，新材質(zhì)車輪試樣的RCF壽命提高70%～110%。

本文摘自《寶鋼技術(shù)》2023年第2期