Page 196 - 《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 785

研究发现干燥和潮湿条件下钢轨表面形成的TTS层相 块剥落出现，马鞍状损伤形成. 文献[38]区分了TP-
[18]
似，并指出水不是形成WEL的必要条件；Li等 指出 WEL和SD-WEL两类不同WEL对轨面塌陷的贡献，认
BEL的形成与轮轨运行工况没有关联，目前也没有充 为TP-WEL诱发的裂纹扩展速率相对快速，倾向于形
[64]
足的证据能够证明BEL与轮轨配副材料有关. 成如Grassie 提出的“螺柱”型塌陷；而SD-WEL塑性

累积严重，有助于形成常规的轨面塌陷. 当然，轨面塌
5 TTS对轮轨界面损伤的贡献
陷的发展也取决于轮轨表面的磨损率，表面磨损和
以Österle和Lojkowski等 [37, 41] 为代表的铁路轮轨 TTS的形成存在竞争关系，若磨损率高于WEL的形成
表面TTS早期关注者就已认识到WEL在轮轨波浪形 率，则裂纹萌生和扩展的可能性降低，因而出现塌陷
[52]
磨耗、疲劳裂纹形核等方面的积极贡献. Wild 报道 的可能性较小 .
[50]
了德国铁路系统中波浪形磨耗钢轨波峰处存在纳米 普遍认为，WEL具有高硬度的显著特点. 一方面，
晶马氏体和渗碳体组成的WEL，而波谷处出现变形珠 它可提高轮轨表面的耐磨性；另一方面，因其脆性大
光体的严重塑变层. 此外，在多条线路上轨面塌陷 易萌生裂纹，可以导致材料以大块颗粒形式发生剥层
[65]
[12]
[Squat defect ，见图15(a)]附近经常被发现WEL的存 脱落或成为疲劳源 . TTS层的厚度对耐磨性有很大
在 [48, 63] . Clayton认为钢轨轨头上的WEL可能是引发轨 的作用，当TTS层较薄且表面尖锐时，极易被磨掉且导
[12]
面塌陷的元凶；Simon等 指出轨面塌陷的早期阶段 致基体表面划伤；当TTS层组织较厚时，其剥落和划伤
就发现其周围分布着WEL、同时也会存在于高度塑变 的可能性也相对较小. 因此，白层的耐磨性随厚度的
[66]
层上. 许多学者赞同WEL结构是轨面塌陷形成的早期 增大而加强 .
[26]
行为这一观点 [12, 48, 63] . Liu等 对钢轨轨面塌陷进行剖 大量的研究已证实钢轨中微裂纹的萌生和扩展
面分析发现，塌陷下方分布着如图15(b)所示的疲劳裂 与TTS密不可分，通常微裂纹的形核是由于TTS层的
纹. Pal等 总结了轨面塌陷演变的3个阶段：首先是 脆性断裂引起的 [16, 49] . WEL杨氏模量低，在摩擦过程
[63]
[67]
WEL形成并诱发裂纹萌生的早期阶段；随后，水分进 中容易破坏 ，常常是疲劳裂纹形核的起源地. 实际
入裂纹内部并促进裂纹扩展，早期塌陷形成；最后大 上，轮轨界面的失效形式受到裂纹的扩展行为支配.

(a)

Squat Squat Squat

6 mm

(b)

3 mm

Fig. 15 (a) Surface morphology of rail squat defect induced by TTS and (b) local section crack behavior [26]
图 15 (a)TTS诱导下的轨面塌陷表面形貌及(b)局部剖面裂纹行为 [26]