Page 192 - 《摩擦学学报》2021年第5期

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 781

制诱导下使片状渗碳体破碎、溶解，C在铁素体中富 未变形珠光体的韧性几乎是WEL的两倍，如图10所
集，随后在热-机械作用机制下形成部分溶解的原始 示. 因此，相比BEL，他们认为疲劳裂纹更容易在WEL
[48]
渗碳体、铁素体和细晶马氏体以及残余奥氏体；其二 萌生与扩展. Daniel等 指出WEL和BEL等局部微观
是在具备奥氏体化的条件下，首先，因T＞A1，P完全 结构(如晶界、残余奥氏体、晶粒取向等)的差异是决定
转变为M，而在随后的热循环作用下使得BEL微观组 断裂韧性大小的主要原因. WEL结构中位错密度和碳
织接近WEL，主要为包含溶解的原始渗碳体、二次渗 的超饱和度高，因而韧性低、脆性大 [28, 39, 45] . Kirchlechner
[9]
碳体、铁素体组成的回火马氏体. 等 推算出WEL的临界缺陷尺寸(Critical defect size)

在5~10 μm范围内，而BEL的临界缺陷尺寸大于50 μm.
3 TTS层的力学行为
由于WEL的临界缺陷尺寸大于其晶粒尺寸，他们认为
Kirchlechner和Kumar等 [9, 22] 基于压痕技术对比研 表面缺陷和金属夹杂物最有可能成为裂纹萌生点，这
究了珠光体钢(牌号R350HT)表面的WEL和与它相邻 一观点与Carroll和Al-Juboori等 [49-50] 的研究结果吻合.
的BEL、马氏体以及成分相似的未变形珠光体微悬臂 此外，BEL中的临界裂纹长度大于WEL，表明后者更
梁试样[见图9(a)]断裂韧性行为. 其中，文献[22]获得 易形核.
[32]
了含WEL悬臂梁的力-位移曲线以及在不同阶段对应 Zhu等 测定了带有WEL特征的珠光体钢表面沿
的微悬臂挠度和裂纹扩展形貌，如图9(b~h)所示. 此 基体内不同深度下的弹性模量和纳米硬度. 如图11所
[9]
外，研究表明 ：断裂韧性依次为WEL<马氏体<BEL 示，WEL具有最高的硬度值，弹性模量约为281 GPa，
和未变形珠光体，其中马氏体的韧性稍高于WEL，而 而15~30 μm深度处次表面层弹性模量降低至260 GPa，

1 2
X
Notch 3.0
Load
Z
(F) 3
2.5
Y F Q
Force/mN 2.0
L
1.5
W
1.0 4
L 0 5
0.5
X=Towards rail surface B
Y=Transverse direction 0.0
0 5 10 15
(a) Z=Train running direction 10 μm (b) Displacement/μm

1 2 3

(c) 4 μm (d) 4 μm (e) 4 μm

4 5 5
Micro-dimples
Crack

(f) 4 μm (g) 4 μm (h) 2 μm

Fig. 9 Fracture behavior of WEL microcantilever based on in-situ nanomechanical performance test [22]
图 9 基于原位纳米力学性能测试的WEL微悬臂梁断裂行为 [22]