Page 186 - 《摩擦学学报》2021年第5期
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第 5 期                     沈明学, 等: 轮轨界面摩擦学转变结构层特性及其研究进展                                       775

            方面仍存在较大的分歧和争论              [7-9] . 但已有的研究普遍        方法，区分探讨了WEL和BEL的各自特点及性能，以
                                                        [10]
            认为TTS是磨屑的主要来源、疲劳裂纹萌生的起源地 ，                         期为深入揭示轮轨界面损伤失效行为和破坏机理提
            它对材料的摩擦学性能具有重要影响，因此具有极大                            供参考.

            的研究价值     [3, 8] .
                                                               1    轮轨界面TTS层的典型特征
                在铁路领域，白层(WEL)行为广泛存在于实际运
            营的各类运行线路中，其发生在轮轨摩擦界面且涉及                            1.1    TTS的分层现象

            材料组织变化，是一种典型的摩擦学转变结构(TTS).                             通常，轮轨界面上的TTS层沿列车牵引方向由若
                                                                                    [19]
            德国时速200 km/h以上高速线路上曾发现一种新形式                        干月牙形(crescent-shape )结构组成且彼此呈不连续
            蜂窝状群裂纹特征(称为Belgrospi损伤)，其波峰处存                      分布的特征     [20-21] . 在光学显微镜(OM)下，局部月牙形

            在马氏体组织，具有明显的白层特征，他们认为Belgrospi                     全貌沿截面深度方向依次可观察到由WEL(以及BEL
                               [11]
            现象与白层高度关联 ；法国时速80 km/h地铁线路                         和PDL或以上形式同时存在            [17-18] )和基体等组成的分
            上，出现钢轨压溃损伤，认为钢轨压溃损伤与WEL结                           层特征   [19, 22] ，如图1所示. 值得注意的是：BEL不会单独
            构相关，并进一步证实WEL结构中的渗碳体基本上被                           出现且仅存在于在役钢轨上，它往往分布在WEL以下
                                          [12]
                                                                                               [17]
                                                  [13]
            破坏，已无完整的珠光体结构组织 ；Pal等 在澳大                          并与其共存，形成“三明治”层状结构 ，一般WEL的
                                                                                       [23]
            利亚钢轨AS60上发现白色光亮带，指出该结构为典型                          厚度大约在10~200 μm之间 ，有时WEL极薄              [15, 18] ；其
            的WEL结构，WEL是由马氏体组成，他们认为这是由                          次，研究表明上述的TTS层无论是沿列车牵引方向还
            摩擦热效应引起的；国内城际高速线路上也观察到了                            是轨道横断面方向，其纵向截面形貌均为月牙形                     [19, 22] ，
            钢轨白层结构导致的材料剥落掉块，微观分析证实白                            如图1(b)所示. 因此可推断实际的TTS层三维立体结
            层结构为马氏体组织、疲劳裂纹主要在白层区域内萌                            构呈“球冠”形，再则，轮轨界面上的TTS层分布于轮
            生，其原因在于这种马氏体组织硬而脆且薄，在列车                            轨近表层，它对摩擦过程中表层裂纹的萌生与扩展具

            车轮的碾压作用下WEL区域极易产生裂纹，从而形成                           有重要影响     [24-25] ，如图1(c)所示. 但也有研究发现当疲
                                                                                                      [26]
                    [14]
            脱落掉块 .                                             劳裂纹形成后期TTS也能在裂纹缝隙内形成 ，这种
                                                                                                 [27]
                                                                                                         [26]
                近年来，有学者在钢轨表面发现了一种新型的摩                          现象类似于轴承等摩擦副的WEL特征 . Liu等 将
            擦学转变结构，它在硝酸酒精溶液浸蚀下表现出明显                            上述WEL结构的形成归因于裂纹面内摩擦热和循坏
            不同于WEL的浸蚀反应，在非偏振光反射下呈现出棕                           接触力累积应变能共同促进裂纹扩展过程中的马氏
            色并具有与WEL明显分层的特征且硬度较WEL低. 为                         体相变所致.
                                                                       [18]
            区别于广泛报道的WEL，它被称为棕层(brown etching                       Li等 分析了牌号为R260Mn的珠光体钢轨TTS
                      [15]
            layer, BEL) . Steenbergen等  [16] 较早报道了钢轨表面         分层形貌，他们指出BEL与珠光体基体间具有明显的
            WEL与珠光体基体间存在厚度约50 μm的BEL，他们                        分界面，如图2(b)中“Int-1”虚线；而WEL和BEL之间的
            认为BEL性能与WEL相似且无明显区别于WEL的特                          也可以区分出明显的分界线，如图2(b)中“Int-1a”所
                                                                               [17]
            征，是应变诱导珠光体内渗碳体溶解的两个不同阶段.                           示. 然而，Messaadi 通过OM和SEM分别观察了如图3
                      [17]
            Messaadi等 指出，BEL通常不会单独存在，一般与WEL                    所示的相同区域TTS形貌，结果发现SEM观察到的
            共存；其次，BEL仅存在于服役过的钢轨表面，而新的                          WEL厚度明显比OM观察到的薄，他们认为珠光体向
            钢轨或表面打磨过的钢轨不会出现BEL. 因此，从形                          马氏体转变形成两种不同的TTS具有梯度扩散性，从
            成条件来看，BEL的产生相比WEL更为苛刻. Li等                  [18]   而导致两种成像条件下WEL与BEL间可辨的分界面
            指出BEL与WEL类似，即疲劳裂纹与BEL密切相关.                         位置不同.
            他们的研究发现，与现有文献报道的WEL诱发裂纹相                               事实上，轮轨界面的TTS层是1个逐渐衍化的动态
            比，当BEL存在时其疲劳裂纹扩展得更深，且裂纹没                           发展过程. Baμmann等 概括了形成连续WEL结构需
                                                                                  [29]
            有分枝现象，甚至可能最终导致钢轨的断裂.                               要依次经历4个阶段，即小斑点、大斑点、不连续层和
                本文作者提出了广义的TTS概念，它由WEL、BEL                      连续层阶段. 当连续层形成后，“球冠”形的WEL三维
            和塑性变形层(PDL，Plastic deformation layer)组成. 综         立体结构消失. 同时，他们的研究也表明连续层的形
                                                                                                 [30]
            述了轮轨界面TTS的研究现状，分析归纳了轮轨界面                           成过程受载荷的影响较大. Al-Juboori等 也指出WEL
            TTS的形貌特征、形成机制和力学行为及其相关研究                           的厚度依赖于在滚动接触区的加载历史和施载方式.
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