淺談材料對鐵道車輛車輪踏面接觸疲勞的影響論文

　　日前，經筆者調研發(fā)現，國內25B、25G、25T 型鐵路客車和南京地鐵、深圳地鐵、上海地鐵的部分車輛輪對踏面出現了不同程度的剝離損傷。相關資料顯示，國內外很多鐵路機車車輛在運營過程中都被車輪踏面剝離所困擾。踏面剝離這種踏面非正常磨耗，對世界許多國家的鐵路工業(yè)而言都是一個相當嚴重的問題且形勢愈加嚴峻。輪對踏面的非正常磨耗，不僅增加了運營維護成本，到一定程度甚至將直接影響行車安全。

　　踏面剝離問題基本可分為三類：接觸疲勞剝離、制動剝離、擦傷剝離。其中制動剝離僅在踏面制動條件下才會發(fā)生，原因是制動工況不良導致踏面產生熱裂紋而造成的，擦傷剝離在踏面制動、非踏面制動條件下均可能發(fā)生，原因是輪軌間滑動或滾滑導致車輪踏面表面產生馬氏體而造成的，對于這兩類剝離問題，可從改善車輛制動和運用工況來進行緩解;本文主要從材料的角度探索和分析踏面接觸疲勞剝離現象。

　　1 原因分析

　　輪對的主要工作方式是在鋼軌上做類似于滾動的運動(實際上是蠕滑)。車輪通過一個很小的輪軌接觸面積將車輛載荷傳遞給了鋼軌，通常會使局部載荷超過車輪或鋼軌材料的彈性極限，輪軌接觸面在接觸壓應力的反復長期作用后，會引起接觸表面因疲勞損傷而使局部區(qū)域產生小塊金屬剝離，這種疲勞破壞現象稱為接觸疲勞。接觸疲勞與一般疲勞一樣，同樣有疲勞裂紋產生和疲勞裂紋擴展兩個階段。長時間的接觸疲勞被認為是受到循環(huán)載荷作用的接觸面的主要失效機制。

　　接觸疲勞破壞形式有麻點剝離(點蝕)、淺層剝離和深層剝離三類。在接觸表面出現深度在0.2mm 以下的針狀或痘狀凹坑，稱為麻點剝離;深度為0.2mm~0.4mm 的剝離為淺層剝離，淺層剝離剝塊底部大致與接觸表面平行。深層剝離的深度和表面強化層深度相當，有較大面積的表層壓碎。

　　輪對踏面同時有麻點剝離、淺層剝離和深層剝離。

　　影響輪對踏面接觸疲勞的因素很多，比如車輪本身材料、踏面表面硬化情況、車輪所采用的踏面型式、輪軌接觸面的光潔度、車輛運行工況等。而筆者認為，從本質上講，決定抗疲勞性能的還是車輪材料本身的成分和微觀結構。

　　2 車輪材料對接觸疲勞的影響

　　車輪材料自身有很多方面影響著車輪的接觸疲勞性能，比如車輪材料的組織結構、材料的各向異性以及材料中的夾雜物等。材料組織結構的復雜性導致對于接觸疲勞影響的組織因素也非常復雜，這使得研究者們對于組織結構對接觸疲勞的影響觀點也千差萬別，很多方面沒有一個統(tǒng)一的認識。

　　鋼鐵材料中都有未溶的鐵素體，鐵素體在室溫時的力學性能幾乎與純鐵相同。其抗拉強度σb 為180~280Mpa，屈服強度σ0.2 為100~170MPa，硬度約為80HBS。由此可見，鐵素體的強度、硬度并不高。作為組織中的弱相，鐵素體在變應力的作用下容易成為疲勞源而導致裂紋的萌生，所以鐵素體對接觸疲勞壽命有不利影響，而且組織中鐵素體含量越大對接觸疲勞的影響也越大。

　　碳鋼中，碳溶于γ-Fe 中的.間隙固溶體稱為奧氏體，一般奧氏體的硬度為170~220HBS 之間。奧氏體的力學性能與其溶碳量及晶粒大小有關，因此其機械穩(wěn)定性會影響組織的韌性，從而影響材料的接觸疲勞壽命。疲勞變形過程中，殘余奧氏體發(fā)生應變誘發(fā)奧氏體相變，可以抑制疲勞裂紋的產生和擴展。對18Cr2Ni4WA 鋼中殘余奧氏體對接觸疲勞的影響研究表明，殘余奧氏體穩(wěn)定性適中時接觸疲勞壽命最高。過高的殘余奧氏體穩(wěn)定性會導致強度不足，過低的殘余奧氏體穩(wěn)定性會導致韌性不足。當然，不同牌號的材料對殘余奧氏體的穩(wěn)定性表現會有所差異。

　　鋼鐵材料中的滲碳體溶碳量極高，其ωc 約為6.69%，因此其硬度很高(950~1050HV)，但塑性和韌性幾乎為零。作為鋼鐵材料中的主要強化相，滲碳體在鋼鐵中與其它相共存時呈片狀、球狀、網狀和板狀，它的形態(tài)和分布對鋼的性能有很大影響。如當它在材料中呈網狀分布時，材料的韌性降低，力學性能將明顯變差。

　　滲碳體在一定條件下會發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳，而自由碳在一定條件下又會轉化為其它碳化物。自由碳及碳化物對接觸疲勞的影響主要表現在其物理參量(如彈性模量、膨脹系數等)與材料基體不同，破壞了兩相之間的連續(xù)性。疲勞變形過程中，碳化物能夠回溶，但大塊碳化物有錯位積塞作用，上貝氏體碳化物尖部容易產生應力集中，利于裂紋萌生。另外，棒狀碳化物的溶解溫度比合金滲碳體高，容易留存下來成為未溶碳化物，從而導致滾動接觸疲勞壽命的大幅下降。

　　奧氏體發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體稱為珠光體。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間, 強韌性較好. 其抗拉強度σb 為750 ~900MPa, 硬度為180 ~280HBS, 伸長率δ 為20 ~25%, 沖擊功AKU 為24 ~32J。力學性能介于鐵素體與滲碳體之間, 強度較高, 硬度適中, 塑性和韌性較好。根據相關研究，珠光體對材料的疲勞壽命影響不是單獨存在的，而是取決于珠光體與鐵素體之間的硬度比。鐵素體與珠光體之間的硬度比較大時，兩相之間連續(xù)性較差(形成相位差)，鐵素體/ 珠光體邊界容易形成疲勞裂紋，并優(yōu)先沿鐵素體/ 珠光體邊界擴展。另外，具有粗大網狀鐵素體- 珠光體組織的熱軋鋼疲勞性能較差。

　　鋼中的非金屬夾雜物對鋼材性能影響較大，其中以脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜對接觸疲勞壽命的危害最大。因為這些非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，是材料中對周圍區(qū)域產生拉應力和正交剪切應力的薄弱區(qū)，在重負荷循環(huán)作用下，接觸應力與材料本身的殘余應力相互疊加，使集中在非金屬夾雜物區(qū)域的彈性能轉變?yōu)楫a生裂紋的變形能量，這種裂紋會往最大剪切應力的方向擴展而最終形成表面剝離。

　　作為輪對生產原材料的鋼材，在其冶煉過程中不可避免地要帶入少量的常存元素(硅、錳、硫、磷)及一些雜質(非金屬雜質和某些氣體，如氮、氫、氧)。它們對鋼的質量有較大影響，有的是有益元素，而有的則相反。此外，鋼的化學熱處理在強化與保護工件表面方面起到了非常重要的作用，如噴丸處理、滲碳、滲氮等都能有效提高工件表層的硬度、耐磨性和疲勞極限等，但必須強調其處理方法和技術要求。

　　絕大多數學者在研究車輪材料的滾動接觸疲勞時，一般都假設材料是各向同性的，但研究表明，由于車輪在軌道上并非做純滾動，因此無論在方向和位置上，鐵路車輪都存在著各向異性。車輪材料的各向異性對于實驗試樣的取向和位置都有影響，因此也影響材料強度及其他參數的測量。如此得到的材料參數后應用于疲勞設計時就顯得尤為重要。

　　3 結語

　　接觸疲勞損傷是受到循環(huán)載荷的輪軌接觸面的重要失效型式之一。提出避免疲勞損傷的措施需要對涉及的失效機制有充分的理解和認識。關于接觸疲勞損傷機理的研究目前已經比較成熟，但是車輪在實際運用中工作狀態(tài)千差萬別，很難用一種理論將它們說明。

　　影響車輪接觸疲勞損傷的因素主要集中在材料自身及外部條件。就材料本身而言，應加強推廣真空熔煉技術在冶金工業(yè)中的應用，避免在車輪原材料的生產過程中滲入不利雜質(如S、P、氧化物、氮化物等)，同時又能有針對地加入一些有利元素(如Si、Mn、V 等)，降低滲碳體在材料中的含量，對珠光體- 鐵素體的硬度比等進行有效控制。在注意這些因素的前提下，利用對車輪表面進行噴丸處理、滲碳、滲氮;采用適當硬度和韌性的材料等均可有效提高車輪的滾動接觸疲勞壽命。

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