Page 111 - 《摩擦学学报》2021年第4期

554 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

of upper bainite in the non-uniform microstructure, which interrupted the continuity and uniformity of normal matrix.
RCF cracks mainly initiated and propagated at the boundary between upper bainite and matrix. Both the hardness and
the elasticity of upper bainite were higher than those of the matrix while the plasticity was lower than that of the matrix.
Under the same contact stress, the incongruity of the elastic-plastic deformation resulted in the stress concentration at the
boundary, and thus induced and facilitated initiation and propagation of fatigue cracks in wheel steel and accelerated the
occurrence of RCF damage.
Key words: ER8 wheel steels; RCF; non-uniform microstructure; upper bainite; pearlite and proeutectoid ferrite

车轮是铁路机车车辆走行系统的关键部件，其服 钢的RCF性能.
役质量直接关系到车辆的运行安全和品质. 车轮在服 上述这些研究主要是基于正常显微组织(珠光
役过程中最为突出的失效形式是滚动接触疲劳(RCF) 体+铁素体)的车轮钢开展的. 但在车轮实际生产制造
损伤，如踏面RCF裂纹、剥离等，占车轮所有失效形式 过程中，由于采用踏面淬火工艺(踏面冷速高)，若车轮
的41% . 车轮的RCF损伤不仅会影响铁路机车车辆 钢中的合金元素添加量或配予的热处理参数不当，有
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正常的运行秩序，而且也会增加车轮镟修或换轮的频 可能造成车轮钢踏面表层产生非珠光体+铁素体组织
[2]
次，造成巨大的经济损失 . (异常组织)，浅层的异常组织可以通过后续的机加工
目前普遍认为，车轮踏面表层材料的塑变累积是 工序去除，但深层的异常组织仍会残留在成品车轮踏
[4]
[3]
引起车轮RCF损伤的前提 ，Cvetkovski等 在对欧洲 面处，进而影响车轮组织的均匀性 [25-26] .
客车车轮进行检验时发现，车轮踏面下5~l0 μm区域 近期有报道发现，车轮踏面不均匀组织与其过早
存在严重的塑性变形，并且伴有大量的疲劳裂纹产生. 出现RCF损伤有着密切的相关性，且已引发了多起失
[27]
Sangid等 发现疲劳裂纹萌生区域存在应变集中，应 效故障 ，严重扰乱了铁路的正常行车秩序. 而目前
[5]
变累积通过位错将导致晶粒滑移，晶粒滑移不完全可 对于车轮不均匀组织的类型及其导致车轮踏面过早
逆，不可逆的部分进一步发生应变累积，从而最终引 出现RCF损伤的作用机理尚不明确. 因此十分有必要
[6]
起车轮RCF裂纹的萌生. Ekberg等 通过研究RCF损伤 对不均匀组织车轮的RCF性能进行研究，揭示其RCF
车轮发现，材料产生的“棘轮效应”是导致表面疲劳裂 性能不佳的原因. 本文作者以存在不均匀组织的实物
纹萌生的主要原因，疲劳裂纹在表层萌生后，裂纹通 ER8车轮为研究对象，对其踏面不均匀组织区域和轮
过较小的角度在近表层逐渐扩展，并最终使材料表面 辋基体(磨耗到限位置)正常组织区域的RCF性能进行
发生RCF剥离. 近年来，国内西南交大王文健团队 [7-8] 了测试，获得了两位置的RCF极限. 同时分析了疲劳

和大连交大任瑞铭团队 [9-10] 对车轮的RCF机制也进行 裂纹在车轮不均匀组织区域的萌生和扩展机制，以期
了大量研究，得到了上述相同的研究结论，即车轮的 为铁路车轮的伤损控制，防止此类车轮损伤的再次发
RCF损伤是表层材料累积应变疲劳的结果. 生提供理论和试验依据.

尽管引起车轮RCF失效的机制相同，但影响因素
[11]
[12]
较多 ，如车轮所属车辆的轴重 、运行的线路条件 [13-14] 1 试验材料与方法
以及雨、雪环境 [15-16] 等. Makino等 以安定极限图为准 RCF试验主试样材料为存在不均匀组织的ER8车
[17]
则研究了车轮钢在水润滑条件下不同蠕滑率对其 轮钢，分别取自实际服役的动车组车轮踏面和基体
RCF的影响，研究结果表明，随着蠕滑率的增加，车轮 (磨耗到限位置)区域，该车轮实测化学成分列于表1中. RCF
的RCF强度逐渐降低，随之引起RCF裂纹的产生. 此 试验陪试样材料采用高速铁路钢轨常用的U71Mn钢，
外，一些研究发现 [18-20] ，油或者水润滑会加速轮轨材料 同样取自实际钢轨.
接触疲劳裂纹的萌生和扩展，因此控制表面滚动接触 车轮踏面(踏面下0~10 mm)和基体区域(磨耗到限
疲劳裂纹的萌生是提高滚动接触疲劳寿命的主要因 位置，踏面下35 mm左右)的显微组织如图1所示，试样
素. 除这些外部因素外，车轮自身的微观组织结构对 取样及观察面如图1(a)所示. 车轮不均匀组织主要集
[23]
车轮RCF寿命也有明显的影响 [21-22] . 如Li等 发现了 中在踏面区域(踏面下0~15 mm)，该区域所呈现的形
片状珠光体钢的疲劳极限明显高于球状珠光体钢. 貌(衬度)与轮辋基体区域(踏面下30 mm左右)不同，轮
Liu等 [24]] 对车轮钢进行了预磨损研究，发现车轮钢经 辋基体区域的组织由珠光体+先共析铁素体(P+F)组
预磨后，表层组织得到了有效强化，可明显提高车轮 成[图1(b)]，其中珠光体中的渗碳体呈片层状结构[图1(e)]，