Page 119 - 《摩擦学学报》2021年第6期

904 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

用以改善珠光体车轮钢原始组织的均匀性，对比两种 试样，其主要化学成分(质量分数)为C：0.65%~0.77%；
不同原始组织的车轮钢试样在预磨损前后的滚动接 Si：0.15%~0.35%；Mn：1.00%~1.40%. 两种不同原始组
触疲劳性能，讨论不同微观组织的滚动接触疲劳机理. 织的ER9车轮钢，一种是少量先共析铁素体加片层状

珠光体，记作P+PF；另一种是粒状渗碳体颗粒分布在
1 材料与方法
铁素体基体上的回火索氏体组织，记作TS. 两种主试
试验所选用的材料为原始组织不同的ER9车轮 样的原始组织如图1所示. P+PF试样的硬度约为290~
钢，作为主试样，其主要的化学成分(质量分数)为C： 310 HV 0.025 ，TS试样的硬度为300~320 HV 0.025 ，与其配
0.57％，Si：0.26％，Mn：0.73％. U71Mn钢轨钢作为陪 对的U71Mn试样的硬度约为345 HV 0.025 .

1 μm 1 μm

(a) P+PF sample (b) TS sample
Fig. 1 Original microstructures of ER9 wheel steel
图 1 ER9车轮钢的原始组织

使用济南益华GPM-40滚动接触疲劳试验机进行 进行硬度测量，测试载荷为0.25 N，保荷时间为15 s.

预磨损和滚动接触疲劳试验，试样的尺寸和接触方式
[11]
如图2所示，根据相关学者的研究 ，滚动接触疲劳试 2 结果与分析

验选择的接触应力为1 450 MPa，根据高速列车250 km/h 2.1 疲劳性能
确定转速为1 440 r/min，滑差率为0.5％，采用20 机油 对原始和预磨损后的两种不同原始组织的试样
#
润滑，冷却方式为风冷. 预磨损试验根据高速列车的 在1 450 MPa接触应力下进行滚动接触疲劳试验，平
17 t轴重选用的接触应力为1 140 MPa，纯滚动，转速为 均疲劳寿命结果如图3所示. 原始P+PF试样的平均寿
1 440 r/min，同样采用风冷. 使用USB数码显微镜和附 6 5
命为1.6×10 周次，原始TS试样的平均寿命为5.6×10
带电子背散射衍射(EBSD)的Zeiss Supra 55场发射扫
周次. 将P+PF试样预磨1×10 周次后，疲劳寿命提升至
5
描电镜对两种不同显微组织的试样进行表面形貌、表
6
5
2.7×10 周次，将TS试样预磨1×10 周次后，疲劳寿命大
面组织以及截面组织观察分析. 使用FM-700型硬度仪
幅度提升，平均寿命为8.3×10 周次，相比于原始TS试
6
5 样，疲劳寿命提升15倍，且高于相同预磨周次下P+PF
R15 试样3倍. 观察试样疲劳失效后的接触表面(图4)，疲劳
60 损伤特点基本相同，出现典型的V型剥落坑，剥落由损
伤的尖角处起源，沿着试样滚动的方向扩展，同时也
伴有形状不规则的剥落，可以观察到接触表面较为细
Φ16 小的麻点损伤和从接触表面中间萌生的疲劳裂纹.

2.2 试样表面形貌
两种不同原始组织的试样未运行时，可以发现二
5 者的表面都有着机加工所带来的不平的凸峰和凹谷，

Fig. 2 Sizes of samples and contact mode illustration 即机加工纹理，两种原始试样的粗糙度值约为0.72. 当
5
图 2 试样尺寸和接触方式示意图 疲劳试验运行1×10 周次之后，P+PF试样的表面出现