淺談材料對(duì)鐵道車(chē)輛車(chē)輪踏面接觸疲勞的影響論文
日前，經(jīng)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)25B、25G、25T 型鐵路客車(chē)和南京地鐵、深圳地鐵、上海地鐵的部分車(chē)輛輪對(duì)踏面出現(xiàn)了不同程度的剝離損傷。相關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)外很多鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都被車(chē)輪踏面剝離所困擾。踏面剝離這種踏面非正常磨耗，對(duì)世界許多國(guó)家的鐵路工業(yè)而言都是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題且形勢(shì)愈加嚴(yán)峻。輪對(duì)踏面的非正常磨耗，不僅增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，到一定程度甚至將直接影響行車(chē)安全。
踏面剝離問(wèn)題基本可分為三類：接觸疲勞剝離、制動(dòng)剝離、擦傷剝離。其中制動(dòng)剝離僅在踏面制動(dòng)條件下才會(huì)發(fā)生，原因是制動(dòng)工況不良導(dǎo)致踏面產(chǎn)生熱裂紋而造成的，擦傷剝離在踏面制動(dòng)、非踏面制動(dòng)條件下均可能發(fā)生，原因是輪軌間滑動(dòng)或滾滑導(dǎo)致車(chē)輪踏面表面產(chǎn)生馬氏體而造成的，對(duì)于這兩類剝離問(wèn)題，可從改善車(chē)輛制動(dòng)和運(yùn)用工況來(lái)進(jìn)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(xiàn)象。
1 原因分析
輪對(duì)的主要工作方式是在鋼軌上做類似于滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)(實(shí)際上是蠕滑)。車(chē)輪通過(guò)一個(gè)很小的輪軌接觸面積將車(chē)輛載荷傳遞給了鋼軌，通常會(huì)使局部載荷超過(guò)車(chē)輪或鋼軌材料的彈性極限，輪軌接觸面在接觸壓應(yīng)力的反復(fù)長(zhǎng)期作用后，會(huì)引起接觸表面因疲勞損傷而使局部區(qū)域產(chǎn)生小塊金屬剝離，這種疲勞破壞現(xiàn)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(chǎn)生和疲勞裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。長(zhǎng)時(shí)間的接觸疲勞被認(rèn)為是受到循環(huán)載荷作用的接觸面的主要失效機(jī)制。
接觸疲勞破壞形式有麻點(diǎn)剝離(點(diǎn)蝕)、淺層剝離和深層剝離三類。在接觸表面出現(xiàn)深度在0.2mm 以下的針狀或痘狀凹坑，稱為麻點(diǎn)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(qiáng)化層深度相當(dāng)，有較大面積的表層壓碎。
輪對(duì)踏面同時(shí)有麻點(diǎn)剝離、淺層剝離和深層剝離。
影響輪對(duì)踏面接觸疲勞的因素很多，比如車(chē)輪本身材料、踏面表面硬化情況、車(chē)輪所采用的踏面型式、輪軌接觸面的光潔度、車(chē)輛運(yùn)行工況等。而筆者認(rèn)為，從本質(zhì)上講，決定抗疲勞性能的還是車(chē)輪材料本身的成分和微觀結(jié)構(gòu)。
2 車(chē)輪材料對(duì)接觸疲勞的影響
車(chē)輪材料自身有很多方面影響著車(chē)輪的接觸疲勞性能，比如車(chē)輪材料的組織結(jié)構(gòu)、材料的各向異性以及材料中的夾雜物等。材料組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致對(duì)于接觸疲勞影響的組織因素也非常復(fù)雜，這使得研究者們對(duì)于組織結(jié)構(gòu)對(duì)接觸疲勞的影響觀點(diǎn)也千差萬(wàn)別，很多方面沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
鋼鐵材料中都有未溶的鐵素體，鐵素體在室溫時(shí)的力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。其抗拉強(qiáng)度σb 為180~280Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2 為100~170MPa，硬度約為80HBS。由此可見(jiàn)，鐵素體的強(qiáng)度、硬度并不高。作為組織中的弱相，鐵素體在變應(yīng)力的作用下容易成為疲勞源而導(dǎo)致裂紋的萌生，所以鐵素體對(duì)接觸疲勞壽命有不利影響，而且組織中鐵素體含量越大對(duì)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(xué)性能與其溶碳量及晶粒大小有關(guān)，因此其機(jī)械穩(wěn)定性會(huì)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(guò)程中，殘余奧氏體發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)奧氏體相變，可以抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。對(duì)18Cr2Ni4WA 鋼中殘余奧氏體對(duì)接觸疲勞的影響研究表明，殘余奧氏體穩(wěn)定性適中時(shí)接觸疲勞壽命最高。過(guò)高的殘余奧氏體穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度不足，過(guò)低的殘余奧氏體穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致韌性不足。當(dāng)然，不同牌號(hào)的材料對(duì)殘余奧氏體的穩(wěn)定性表現(xiàn)會(huì)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(qiáng)化相，滲碳體在鋼鐵中與其它相共存時(shí)呈片狀、球狀、網(wǎng)狀和板狀，它的形態(tài)和分布對(duì)鋼的性能有很大影響。如當(dāng)它在材料中呈網(wǎng)狀分布時(shí)，材料的韌性降低，力學(xué)性能將明顯變差。
滲碳體在一定條件下會(huì)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(huì)轉(zhuǎn)化為其它碳化物。自由碳及碳化物對(duì)接觸疲勞的影響主要表現(xiàn)在其物理參量(如彈性模量、膨脹系數(shù)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(guò)程中，碳化物能夠回溶，但大塊碳化物有錯(cuò)位積塞作用，上貝氏體碳化物尖部容易產(chǎn)生應(yīng)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(lái)成為未溶碳化物，從而導(dǎo)致滾動(dòng)接觸疲勞壽命的大幅下降。
奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)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(qiáng)韌性較好. 其抗拉強(qiáng)度σb 為750 ~900MPa, 硬度為180 ~280HBS, 伸長(zhǎng)率δ 為20 ~25%, 沖擊功AKU 為24 ~32J。力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間, 強(qiáng)度較高, 硬度適中, 塑性和韌性較好。根據(jù)相關(guān)研究，珠光體對(duì)材料的疲勞壽命影響不是單獨(dú)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(shí)，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(kuò)展。另外，具有粗大網(wǎng)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(duì)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(duì)接觸疲勞壽命的危害最大。因?yàn)檫@些非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，是材料中對(duì)周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力和正交剪切應(yīng)力的薄弱區(qū)，在重負(fù)荷循環(huán)作用下，接觸應(yīng)力與材料本身的殘余應(yīng)力相互疊加，使集中在非金屬夾雜物區(qū)域的彈性能轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生裂紋的變形能量，這種裂紋會(huì)往最大剪切應(yīng)力的方向擴(kuò)展而最終形成表面剝離。
作為輪對(duì)生產(chǎn)原材料的鋼材，在其冶煉過(guò)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(zhì)(非金屬雜質(zhì)和某些氣體，如氮、氫、氧)。它們對(duì)鋼的質(zhì)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(xué)熱處理在強(qiáng)化與保護(hù)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(qiáng)調(diào)其處理方法和技術(shù)要求。
絕大多數(shù)學(xué)者在研究車(chē)輪材料的滾動(dòng)接觸疲勞時(shí)，一般都假設(shè)材料是各向同性的，但研究表明，由于車(chē)輪在軌道上并非做純滾動(dòng)，因此無(wú)論在方向和位置上，鐵路車(chē)輪都存在著各向異性。車(chē)輪材料的各向異性對(duì)于實(shí)驗(yàn)試樣的取向和位置都有影響，因此也影響材料強(qiáng)度及其他參數(shù)的測(cè)量。如此得到的材料參數(shù)后應(yīng)用于疲勞設(shè)計(jì)時(shí)就顯得尤為重要。
3 結(jié)語(yǔ)
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(duì)涉及的失效機(jī)制有充分的理解和認(rèn)識(shí)。關(guān)于接觸疲勞損傷機(jī)理的研究目前已經(jīng)比較成熟，但是車(chē)輪在實(shí)際運(yùn)用中工作狀態(tài)千差萬(wàn)別，很難用一種理論將它們說(shuō)明。
影響車(chē)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(yīng)加強(qiáng)推廣真空熔煉技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用，避免在車(chē)輪原材料的生產(chǎn)過(guò)程中滲入不利雜質(zhì)(如S、P、氧化物、氮化物等)，同時(shí)又能有針對(duì)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(duì)珠光體- 鐵素體的硬度比等進(jìn)行有效控制。在注意這些因素的前提下，利用對(duì)車(chē)輪表面進(jìn)行噴丸處理、滲碳、滲氮;采用適當(dāng)硬度和韌性的材料等均可有效提高車(chē)輪的滾動(dòng)接觸疲勞壽命。
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