Page 45 - 《摩擦学学报》2020年第3期
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第 3 期 刘颍宾, 等: 列车车轮滚动接触疲劳裂纹评价研究 311
体中铁素体片层内均未发现位错；标准接触疲劳样品
硬化层发生了塑性变形，硬化层中的先共析铁素体内
和珠光体中铁素体片层内观察到大量位错. 实际服役
车轮硬化层内先共析铁素体中观察到位错墙，且珠光
体片层碎化，形成大量形变亚晶，这是实际服役车轮
表层金属长期滚动接触后产生严重塑性变形的结果. Fig. 9 Schematic diagram of rolling contact fatigue spalling
两者对比发现，实际服役车轮的损伤程度远大于标准 on wheel sample surface
接触疲劳样品的损伤程度. 这种损伤差异主要源于标 图 9 车轮试样表面金属滚动接触剥离剥落示意图
准接触疲劳样品表面和实际服役车轮踏面剪切应力
为了对裂纹进行更好的描述，现将裂纹简化为图10(a)
的差异.
中的三角形，定义了车轮试样表面裂纹的长度和取向.
2.3.4 车轮滚动接触疲劳开裂机制
其中c表示裂纹的长度；θ表示导致接触疲劳裂纹开裂
由前述分析可知，车轮试样表层组织发生累积塑
的主应力方向与车轮前进方向的夹角，裂纹取向向左
性变形，裂纹主要优先从表面萌生. 当裂纹在试样表
侧偏；λ表示裂纹取向向右侧偏. 实际车轮在服役过程
面萌生后，在循环压应力和剪切应力的作用下，裂纹 中，利用车轮踏面裂纹取向可以判断工况条件下造成
沿特定角度向试样内部扩展，该扩展角度由剪切应力 车轮损伤的外力性质和方向，这为未来实际服役车轮
大小决定，扩展至某一深度时，外力无法进一步促使 损伤原因分析中外力性质辨析提供了判据.
裂纹向更深处扩展，此时裂纹尖端开始水平扩展，当 由于本试验采用的是标准滚动接触疲劳试验，因
扩展一定距离后，转向试样表面，由此引起试样表面 而导致车轮试样表面发生接触疲劳的力比较简单，理
金属剥离. 剥离过程示意图见图9. 论上导致接触疲劳裂纹的外力方向是样品滚动圆的
3 滚动接触疲劳裂纹统计及评价方法 切线方向. 为了揭示三角形指向性裂纹的长度分布以
及外力偏离车轮滚动方向的角度规律性，随机选取了
列车车轮滚动接触疲劳裂纹及缺陷的评价始终 试样表面42处三角形指向性裂纹进行测试和统计，如
是车轮材料接触疲劳行为研究的重要内容，因为对缺 图10(b)所示. 车轮试样表层裂纹的长度总体在0.5 mm
陷尺寸和形状的描述是接触疲劳损伤量化评价的基 以内，个别裂纹长度接近2.5 mm. 外力偏离滚动方向
础. 本文作者在车轮材料滚动接触疲劳机理研究的基 的角度大小总体在10°以内，个别角度接近20°和45°.
础上尝试探索一种接触疲劳缺陷或裂纹的评价方法， θ均值为5.75°，λ均值为6.77°，裂纹长度c的均值为
尤其是滚动接触疲劳裂纹的量化评价方法. 0.52 mm. 这里可以有两种理解：其一，向左偏的角度
在进行接触疲劳样品表面宏观损伤观察与分析 和向右偏的角度相差很小(约1°)，基本上以车轮材料
时，发现了大量滚动接触疲劳裂纹，这些裂纹具有一 试样滚动圆的切线方向为中心；其二，在车轮材料试
定的指向性特征，本文作者将这类裂纹统一命名为 样上导致发生接触疲劳的应力方向均在试样滚动方
“三角形指向性裂纹”，三角形指向性裂纹形貌见图2(d). 向的±7°以内. 理论上，在标准试验中应该不发生这种
(a) Crack (b) θ
50 2 500
λ
c
40 2 000
Angle/(°) 20 1 000 Crack length/μm
c 30 1 500
θ
Crack
10 500
0 0
c 0 10 20 30 40 50
λ
Crack number
Fig. 10 (a) Triangular directional crack diagram and (b) statistical diagram
图 10 三角形指向性裂纹示意图(a)及统计图(b)
