Page 113 - 《摩擦学学报》2021年第4期
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556 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
318 HV和292 HV；基体区域车轮正常组织的硬度约 动接触疲劳试验方法》要求进行RCF试验：主、陪试样
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为278 HV，由于受车轮淬火工艺的影响(踏面喷水，车 接触界面采用20 机油循环润滑，当试样表面出现≥3 mm 2
轮踏面表层区域的冷速快，轮辋心部冷速慢)，车轮自 的剥落坑时，判定试样疲劳失效. 设备上配有振动监
踏面表层向轮辋基体过渡，其机械性能会呈现一定梯 测传感器和计数器，一旦试样失效将自动停机，并自
度的减小. 动记录失效时试样的循环次数. 采用original软件对试
在车轮踏面下不同深度处制备RCF小试样，试样 验数据进行处理并拟合S-N曲线. RCF试验后，分别采
工作区的厚度为5 mm，分别取自车轮踏面表层不均匀 用 LeciaDMI5000M型 光 学 显 微 镜 (OM)及 Tecnai G2
组织区域(踏面下5 mm左右)和轮辋心部正常组织区 F30 S-TWIN型高分辨透射电镜(TEM)对RCF试样失
域(踏面下30 mm左右，接近实际车轮磨耗到限位置)， 效区域的微观组织进行观察，其中OM试样经磨制、抛
取样示意图如图2(a)所示. 将工作区试样与工装试样 光后，采用4%的硝酸酒精腐蚀；TEM试样采用聚焦离
(同样为ER8车轮钢)装配在一起共同组成车轮试样， 子束微纳加工技术(FIB)制备.
示意图如图2(b)所示. 采用GPM-30型滚动接触疲劳试 为表征车轮不同组织的弹、塑性性能，分别在车
验机进行RCF试验，其中主试样的试验转速模拟的是 轮踏面表层(踏面下5 mm左右)不均匀组织区域和轮
250 km/h等级动车组车轮的实际运行速度，根据公式： 辋心部正常组织区域(踏面下30 mm左右，接近实际车
ω
N 模拟轮 = (1) 轮磨耗到限位置)制备拉伸小试样，取样示意图及样
2π
品尺寸如图3所示. 在配有Gatan 2 kN拉伸台的FEI
式(1)中试样(模拟轮)与实际车轮在单位时间内承
Quanta 650场发射扫描电子显微镜(SEM)上对两试样
受循环应力的次数是否一致应由其角速度(ω)决定，
进行拉伸试验，同时原位观察不均匀组织试样在拉伸
根据角速度公式：
过程中的裂纹扩展行为，试验过程采用位移控制，试
v
ω = (2) 验速度为0.033 mm/min. 试样在夹持区设有4个用于
R
试验转速N 模拟轮 =v/2πR，其中v=250 km/h(为时速 固定试样的工艺孔，拉伸前对试样表面进行常规金相
250 km等级动车组车轮实际运行速度)，R=460 mm(为 磨制和电解抛光.
实际车轮半径)，计算得出主试样的试验转速为1 440 r/min.
2 试验结果
试验的轮轨滑差率为0.5%，以模拟高速铁路严苛条件
下的滑差工况，实际高铁轮轨的滑差率小于0.5%. 依 2.1 RCF性能
[28]
据赫兹接触理论 ，17.5吨轴重动车组(既有动车组最 车轮踏面和基体区域接触应力与疲劳寿命的关
高轴重等级)对应的实际轮轨最大接触应力为1 147 MPa. 系(S-N)如图4(a)所示，当接触应力小于1 100 MPa时，
本试验围绕1 147 MPa选用6组接触应力，分别为1 000、 车轮踏面和基体两区域6个试样的疲劳寿命均通过了
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1 100、1 200、1 300、1 400和1 500 MPa，小间距的应力 1×10 次循环；当接触应力为1 100 MPa时，踏面区域的
7
水平为更准确地测定样品的疲劳极限，每个应力下进 3个试样中，仅1个试样的疲劳寿命超过了1×10 次循
行6组试样的测试. 按照YB/T 5 345-2014《金属材料滚 环，而基体区域的3个试样中，有2个试样的疲劳寿命
(a) (b) 5 mm Wheel sample
Work area sample
5 mm below the tread Work area samples 60 mm 50 mm
30 mm below the tread Matching sample
Rail sample
Fig. 2 (a) Scheme of the sampling location，(b) dimensions and profile of the wheel sample and its components
图 2 车轮试样取样位置(a)及滚动接触疲劳试样(b)示意图
