Page 190 - 《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                                       779

                                                                                                         [40]
                    [37]
            Österle等 对比分析了在役钢轨表面WEL和激光处                        温，因而热作用相变机制不能发生. Newcomb等 也
            理产生的热诱导白层的特性，发现上述两种结构转变                            认为轮轨间蠕滑率在1%时表面温度很难达到400 ℃.
            层微观结构极为相似，珠光体组织完全溶解且在原奥                            Lojkowski等  [41-42] 指出只有当轮轨间蠕滑率超过5%时
            氏体晶界处可见到一些先共析铁素体，同时，他们认                            接触区温度才能达到600~800 ℃，因此他们不赞同相
            为WEL中没有残余奥氏体的原因可能是机械载荷引                            变诱导WEL形成的观点，并认为WEL是循环塑变诱

            起的残余奥氏体应变并诱发马氏体相变.                                 导下的纳米晶铁素体，其转变温度远低于奥氏体化温
                                                                                                  2
                综上所述，热作用机制的热源主要来源于轮轨滚                          度. 轮轨滚动接触过程中，在不足100 mm 接触面积上
            动接触过程中的摩擦热，因此TTS层位于轮轨滚动作                           需承受数十吨的载荷          [19, 43] ， 因此接触应力极大，接触
                                                                                            [38]
            用形成的接触带(或称运行区域，即图6中的Running                        区会发生严重的塑性变形. Zhu等 对珠光体钢轨施
                    [30]
            band area )内. 近年来，Al-Juboori和Zhu等     [30, 38] 报道  加2 GPa接触应力并进行高压扭转试验，证实了纯剪
            了在接触带外也会出现TTS层，他们指出轮轨间漏电                           切变形条件下可以产生WEL，发现WEL的形成依赖
            引起的电弧放电效应可产生局部高温进而诱发TTS层                           于塑性应变程度. 因此，WEL形成的核心是摩擦诱导
            的形成. 因此，除摩擦热外，放电致热是热作用机制诱                          严重塑变，且应力-应变是白层形成的控制因素. 无
                                              [30]
            导TTS产生的另一种形式. Al-Juboori等 借助气体钨                    疑，轮轨表面严重的塑性变形在TTS层的形成过程中
            极弧焊机(GTAW)模拟轮轨间放电并成功获得了                            占有重要地位. 伴随着塑性变形的进行，摩擦可诱导
            TTS层，研究发现上述TTS层与在役钢轨表面WEL的                         片状渗碳体沿剪切方向排列、破碎和层间距的减小，
            微观结构特征极为相似，它们的产物均包括马氏体、                            甚至促进渗碳体溶解和晶粒细化               [41, 44] . 因此，WEL被
                                                               认为是铁素体组成的纳米微晶结构以及未完全溶解
            未溶解的片状渗碳体、片状珠光体和部分残余奥氏体.
                                                                                      [18]
                                                                                                   [29]
                                                               的碎片状或颗粒状渗碳体 . Baumann等 在研究钢
            结果表明：WEL的宽度和厚度随放电能量的增加而变
                                          2
            化，而在较高的放电能量(217 J/mm )下观察到了BEL；                    轨波浪形磨耗时发现波峰处的WEL硬度在1 000 到
            上述两类TTS与基体之间的过渡区域均有未变形的珠                           1 200 HV之间，且其微观结构为晶粒尺寸小于50 nm
            光体存在，表明该区域没有发生明显的剪切变形；此                            的纳米晶. 因此，他们认为WEL不可能仅由温度升高
                                                               引起，并提出了严重的塑性变形导致渗碳体溶解的可
            外，TEM测试表明TTS内奥氏体相与铁素体相具有共
                                                               能性.
            轭取向关系，这也进一步证实了WEL形成的热作用相
                                                               2.3    热-机械作用机制
            变机制.

                                                                   假设单纯的塑性变形可以诱导珠光体转变成
            2.2    塑性变形机制
                                                               WEL，那么塑性变形机制难以实现WEL与基体交界
                Takahashi等 指出摩擦温升依赖于轮轨间黏着
                           [39]
                                                               附近出现明显的TTS        [16, 30] ；相反，如果WEL形成的机制
            系数、轴重和运行速度等，只有当黏着系数大于0.4时
                                                               完全受轮轨间热作用下的相变驱动，那么WEL将在一
            轮轨界面的温度才能超过奥氏体转变温度，而实际的
                                                               个摩擦周期内生成，这显然与WEL依赖于加载历史的
            轮轨滚动接触时黏着系数(约0.02)不足以产生局部高
                                                               事实不符. 因此，多数学者支持WEL是摩擦热和严重
                                                               塑性变形共同作用的结果，即热-机械作用机制                   [26, 28, 30] .
                     White etching layer patches
                                                               他们认为轮轨界面的高接触应力是导致片状渗碳体
                                         Filed side
                                                               破裂的主要原因，而在反复的循环接触载荷作用下，
                                                               渗碳体层破碎并逐渐形成纳米晶结构. 同时，轮轨蠕
                                      Running band area
                                                               滑引起的摩擦热诱导表层材料奥氏体化，并在随后的
                                                                                              [23]
                                                               冷却过程中转变为细晶马氏体结构 . 因此，WEL由
                  RCF cracks            Gauge corner
                                                                                                          [45]
                                                               细马氏体、纳米晶渗碳体、铁素体和残余奥氏体组成 .
                                                                         [17]
                                                               Messaadi等 基于相变理论中的过冷奥氏体等温转变
                                    Rolling direction
                                                               动力学曲线，即TTT图(时间-温度-转变)，推断出表层
                                                               和次表层出现WEL(主要为马氏体组织)和BEL(近贝

             Fig. 6    WEL patches located outside running band are on the
                              rail surface [30]                氏体组织)分层的直接原因是沿深度方向冷却速率不
                   图 6    钢轨表面运行区域外的WEL斑块         [30]         同，其本质是表层材料发生了两种不同的相变形式.
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