Page 127 - 摩擦学学报2025年第5期

第 5 期 徐昆宇, 等: 3种珠光体钢轨焊接接头滚动磨损与损伤性能研究 761

表 1 钢轨材料主要化学元素
Table 1 Main chemical elements of rail steels
Mass fraction/%
Rail
C Si Mn P S Cr+Cu+Ni V
1# 0.71~0.80 0.50~0.80 0.75~1.05 ≤0.030 ≤0.025 ̶ 0.71~0.80
2# 0.65~0.76 0.15~0.58 0.70~1.20 ≤0.030 ≤0.025 ̶ 0.65~0.76
3# 0.60~0.75 0.15~0.58 0.70~1.20 ̶ ̶ 0.60~0.90 ≤0.15

400 Rail 1# Rail 2# 2 结果与讨论

Rail 1# PM Rail 2# PM
Rail 3# 2.1 滚动磨损行为
Rail 3# PM 图5所示为试验过程中轮轨黏着系数的变化曲
Hardness/HV0.5 300 线，不同焊接接头黏着系数变化趋势基本一致，试验
350
开始时，因轮轨表面较光滑，黏着系数较小；随着循环
次数的增加，轮轨表面因磨损而变得粗糙，黏着系数
4
急剧增大，并逐渐趋于平稳；循环次数达到8×10 时，
250 黏着系数有轻微下降趋势，这与轮轨表面磨损形貌有
−40 −20 0 20 40
[24]
Distance from weld center line/mm 关 . 在达到稳定磨损状态后，随着循环次数的增大，
Fig. 2 The longitudinal distribution of hardness of three 因磨损作用试样尺寸有所减小，导致蠕滑率有减小的
different rail welded joints 趋势，从而摩擦系数轻微下降，其中2#钢轨的平均黏
图 2 种钢轨焊接接头硬度的纵向分布
着系数最大，3#钢轨的平均黏着系数最小.
图6所示为3种钢轨材料焊接接头在相同试验条
为白亮区域，这是因为在焊接过程中温度较高，熔合
件下2次试验的磨损率. 随着钢轨硬度的减小以及珠
部位温度达到1 300 ℃以上，导致碳烧损伤，从而组织
光体片层间距的增大，钢轨材料的磨损率也呈现上升
[22]
脱碳 . 3种焊接接头焊缝中心的组织均是珠光体-铁
趋势，1#钢轨焊接接头抗磨损性能最好，3#钢轨抗磨
素体结构，由先共析铁素体和片层状珠光体组成，珠光
损性能最差. 这是由于片层间距的增加，钢轨中裂纹
体片层组织发生部分破坏现象. 先共析铁素体含量随材料
[25]
扩展的阻力减小，裂纹更容易在材料中扩展 ，裂纹
硬度和含碳量的降低而增多，珠光体片层间距随着硬
扩展到表面导致材料剥落，从而磨损率增加. 对比1#
度的降低而增大. 3#钢轨中先共析铁素体含量最多，
和3#钢轨焊接接头磨损率可以发现，1#与3#钢轨焊接
几乎呈网状分布，导致其焊缝中心硬度最低[图3(a)].
接头平均磨损率分别为42.04和51.08 µg/m，定义磨损
图4所示为3种焊接接头热影响区的显微组织的
率的倒数为耐磨性，那么，相比3#钢轨焊接接头，1#钢
OM和SEM照片，该区域为珠光体结构，由交替的铁素
轨焊接接头耐磨性提升21.5%.

体和渗碳体片组成. 1#钢轨和2#钢轨中部分珠光体球
2.2 表面损伤行为
化为颗粒状，在珠光体的晶团周围分布着少量的铁素
图7所示为3种钢轨焊接接头焊缝区的表面损伤
体[图4(a)和(b)]. 3#钢轨中该区域微观结构与其他2种
形貌的OM和SEM照片，3种钢轨焊接接头表面均有明
焊接接头有所不同，晶粒破碎，组织呈网状分布，热影
显的疲劳裂纹，在循环载荷的作用下，轮轨材料表面
响区组织得到细化变得相对均匀[图4(c)]. 屈服应力超过其安定极限，表层发生塑性变形，经过
[23]
通过圆周法测量珠光体片层间距S p ，1#、2#和3# 一定积累开始萌生裂纹，即“棘轮失效” . 当疲劳裂
[26]
钢轨焊缝区的珠光体片层间距平均值分别为285.2±33、 纹向表面扩展时，表层材料沿滚动方向上小角度起
299.4±59和 353.1±122 nm，热影响区的珠光体片层间 皮，随着接触环境的恶化，表层材料进一步去除，表面
距平均值分别为272.9±27、287.8±58和 289.6±52 nm. 开始剥落. 1#钢轨焊缝处表面损伤表现为稀疏的大块
结果表明，材料的硬度随着珠光体平均片层间距增加 剥落[图7(a)]，2#和3#钢轨焊缝处表面裂纹较为密

而减小，热影响区珠光体片层间距较焊缝区有所减 集[图7(b)和(c)].
小，组织得到细化，故3种焊接接头该区域的硬度均比 图8所示为3种钢轨焊接接头热影响区的表面损
焊缝中心高. 伤形貌的OM和SEM照片，3种钢轨热影响区表面损伤