Page 31 - 《摩擦学学报》2021年第6期

816 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

伤程度的参数之一. 未打磨的光滑区域滚动试验后表 2.1.3 表面损伤
面粗糙度增至约0.6 μm. 图4为不同打磨磨痕粗糙度的 图6为不同打磨粗糙度等级的钢轨试样滚动试验
钢轨试样试验后的表面粗糙度. 可以看出，打磨钢轨 后的表面损伤OM照片. 可以看出，钢轨试样表面产生
试样试验后表面粗糙度处于0.9~1.0 μm范围内，大于 明显的滚动疲劳裂纹，这是因为水态工况下液体会进
未打磨钢轨，且随着打磨粗糙度的增加，试验后表面 入钢轨表面的微裂纹，在轮轨滚压过程中，裂纹口闭
粗糙度呈下降趋势. 合，裂纹内的液体产生较大液压，促进裂纹的扩展(即
“油楔效应”). 打磨钢轨表面损伤相较于未打磨钢轨

1.8
略微严重，这是因为打磨钢轨的粗糙表面具有“蓄水”
1.5
Surface roughness after rolling test, R a /μm 1.2 会促进裂纹扩展. 随打磨磨痕粗糙度的增加，表面疲
作用，粗糙表面微凹痕中的水介质在轮轨接触压力下
劳损伤呈减轻趋势，这是因为随着粗糙度增加，表面
0.9
微凸体(微凹坑)尺寸变大，在轮轨接触压力下水介质
0.6
更容易流出轮轨接触界面，因此，钢轨疲劳损伤减轻.

0.3
2.1.4 剖面损伤
0
1 μm 4 μm 7 μm 为了进一步观察钢轨试样滚动接触疲劳损伤行
Surface roughness before rolling test
为，对钢轨试样沿滚动方向进行切割、抛光并观察，如
Fig. 4 Surface roughness after rolling tests on rail rollers with 图7所示. 试样剖面可见明显的疲劳裂纹损伤，且损伤
different roughness grinding marks 程度及趋势与表面损伤一致. 未打磨钢轨试样仅出现
图 4 不同打磨磨痕粗糙度的钢轨试样滚动
磨损后的表面粗糙度 单层疲劳裂纹，并开始向材料深处发展[图7(a)]. 打磨
钢轨试样剖面疲劳损伤更加严重，且随打磨磨痕粗糙
2.1.2 表面硬度 度增加，剖面疲劳损伤减轻. 当打磨粗糙度为7 μm时
轮轨滚动接触过程中，钢轨硬度从试验前的291 HV 0.5 [见图7(d)]，剖面裂纹向基体深处扩展，形成枝裂纹；
增加至360~380 HV . 图3为不同打磨粗糙度钢轨试 当打磨粗糙度降低为4 μm时[见图7(c)]，裂纹损伤更
0.5
样滚动试验后的表面硬度，打磨钢轨滚动试验后表面 加严重，部分相邻裂纹发生贯穿连通现象；当打磨粗
硬度约为375~380 HV ，大于未打磨钢轨(约367 HV ). 糙度降低为1 μm时[见图7(b)]，贯穿连通现象更加明
0.5
0.5
这是因为相较于未打磨钢轨，打磨钢轨表面粗糙，轮
显，形成网状疲劳裂纹损伤. 对钢轨试样滚动试验后
轨接触应力由表面微凸体承担，实际接触应力较大，
疲劳裂纹深度进行统计，未打磨试样滚动试验后裂纹
导致材料硬化明显. 此外，随打磨磨痕粗糙度增加，钢
平均深度约为40 μm，对于打磨钢轨(图8)，滚动试验后
轨滚动磨损表面硬度呈略微下降趋势，这可能是因为
疲劳裂纹深度较大，且随钢轨试样打磨磨痕粗糙度增
随粗糙度增加表面微凸体尺寸变大，局部接触应力变
加，滚动试验后疲劳裂纹深度减小. 当钢轨试样打磨
小导致的. 磨痕粗糙度为1 μm时，滚动试验后疲劳裂纹平均深度

385 最大，可达83 μm.

2.2 交叉磨痕对钢轨滚动接触疲劳损伤的影响
Surface hardness after rolling test/HV 0.5 375 和45°/70°的交叉磨痕，同时制备−45°和−20°单向打磨
利用砂纸在钢轨试样表面制备−45°/70°、−20°/90°
380
磨痕作为对比，然后进行轮轨滚动试验. 通过2.1研究
结果发现，当粗糙度为1 μm时，钢轨滚动接触疲劳损
370
伤最严重，因此，上述交叉磨痕和单向磨痕粗糙度均
为1 μm左右.
365
1 μm 4 μm 7 μm 2.2.1 表面粗糙度
Surface roughness before rolling test
图9给出了单向和交叉打磨磨痕的钢轨试样滚动
Fig. 5 Surface hardness after rolling tests on rail rollers with
试验后的表面粗糙度. 可以发现，−45°和−20°单向打
different roughness grinding marks
图 5 不同打磨磨痕粗糙度的钢轨试样滚动磨损后的表面硬度 磨钢轨试样滚动磨损表面粗糙度约为1.2~1.5 μm，交