Page 47 - 摩擦学学报2025年第5期

第 5 期 韩振宇, 等: 不同运行参数下珠光体与贝氏体钢轨钢滚动磨损与接触疲劳行为研究 681

现象且伴随有剥落坑的产生，这是因为运行速度较小 象. 而贝氏体钢轨材料疲劳裂纹损伤程度较轻，始终

时，表面材料在较长时间的轮轨接触作用下趋于剥落. 以较小角度扩展，这与材料表面形貌的变化规律近似.
图5所示为不同运行速度下3种钢轨材料的剖面 图6所示为不同运行速度下3种钢轨材料滚动接
形貌的SEM照片，包括塑性变形层深度及滚动接触疲 触疲劳裂纹的数值统计结果，可见3种钢轨材料的裂
劳裂纹形态，其中，材料硬度相近的亚共析钢轨与贝 纹深度、裂纹长度及裂纹密度分别低于15 μm、120 μm

氏体钢轨材料塑性变形层深度近似. 对于硬度比亚共 及3条/mm. 3种钢轨材料的疲劳损伤均较为轻微，而
析钢轨和贝氏体钢轨小将近20%的共析钢轨材料而 珠光体钢轨材料的裂纹长度和深度普遍大于贝氏体
言，在相同的轮轨接触作用力下，材料将发生更为严重 钢轨材料，这是因为细小的无碳化物贝氏体组织使贝
的塑性变形. 对比发现，其塑性变形层深度约为亚共析 氏体钢轨材料具有较高的强度和硬度且对疲劳裂纹
和贝氏体钢轨材料的1.8倍，而运行速度对钢轨材料塑 扩展起到了阻碍作用，因而疲劳裂纹长度及深度均较
性变形层深度几乎无影响. 另外，试样在接触表面受到 小. 同时，贝氏体钢轨材料的滚动接触疲劳裂纹统计
法向力、切向力和横向力的共同作用后，轮轨间滚动接 学特征不受运行速度的影响，而对于珠光体材料而
触的同时伴随有滑动摩擦，当接触表面的切应力超过 言，共析钢轨裂纹损伤程度大于亚共析钢轨，这是因
材料屈服极限时，钢轨试样便会沿滚动方向形成疲劳 为亚共析钢轨中存在的少量先共析铁素体在变形的
裂纹且疲劳裂纹以小角度沿铁素体流变线萌生和扩展， 过程中沿剪切应力方向拉伸形成塑性流变线，并且铁
在滚动接触过程中的疲劳裂纹会出现断裂及剥落现 素体相对较软且屈服极限较小，大量位错缠结和堆积

Hypoeutectoid rail Hypoeutectoid rail Hypoeutectoid rail
≈51 μm ≈52 μm ≈55 μm
50 μm 20 μm 50 μm 20 μm 50 μm 20 μm

Eutectoid rail Eutectoid rail Eutectoid rail
≈90 μm ≈83 μm ≈81 μm

50 μm 20 μm 50 μm 20 μm 50 μm 20 μm
Bainitic rail Bainitic rail Bainitic rail
≈43 μm ≈43 μm ≈50 μm

50 μm 20 μm 50 μm 20 μm 50 μm 20 μm
(a) 120 km/h (b) 200 km/h (c) 250 km/h
Fig. 5 SEM micrographs of sub-surface morphology of three rail material under various velocity
图 5 不同运行速度下3种钢轨材料剖面形貌的SEM照片

35 35

Hypoeutectoid rail Hypoeutectoid rail
30 Eutectoid rail 30 Eutectoid rail
Bainitic rail Bainitic rail
25
Crack length/μm 20 Crack depth/μm 25
20
15
15
10
5 10 5
0 0
120 200 250 120 200 250
Velocity/(km/h) Velocity/(km/h)
(a) Crack length (b) Crack depth
Fig. 6 RCF crack statistics of three rail material under various velocity
图 6 不同运行速度下3种钢轨材料滚动接触疲劳裂纹统计