Page 51 - 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 685

250 Hypoeutectoid rail Hypoeutectoid rail
Eutectoid rail 20 Eutectoid rail
Bainitic rail Bainitic rail
200 15
Crack length/μm 150 Crack depth/μm 10

100

50 5

0 0
Flat 2 000 m 600 m Flat 2 000 m 600 m
Curvature radius Curvature radius
(a) Crack length (b) Crack depth
Fig. 14 RCF crack statistics of three rail material under various curvature radius
图 14 不同曲线半径下3种钢轨材料滚动接触疲劳裂纹统计

多数情况下会看到贝氏体材料的疲劳裂纹横跨整个截 疲劳行为的相关性进行分析. 3种运行参数对于钢轨

面[图9(b)和图13(b)]，以近乎平行于材料表面的角度 材料磨损和滚动接触疲劳行为的影响情况列于表3
在距表面较浅的区域扩展，但其裂纹深度相比2种珠 中，“+”表示运行参数的变化趋势与材料滚动接触疲
光体材料而言轻微(图6、图10和图14). 然而，在轮轨 劳行为变化趋势正相关，“−”表示负相关，“/”表示二
滚动接触过程中，向表面扩展的裂纹一般趋于形成材 者间几乎无影响，“√”表示有一定影响但非线性关系.
料表层起皮剥落等，但向深处扩展的裂纹会对轮轨材 可以看出，运行速度、轴重及曲线半径均与钢轨材料
料服役性能造成更加严重的诸如断轨等影响，因而就 磨损率和表面形貌存在线性函数关系，而钢轨材料塑
本文中试验结果而言，贝氏体钢轨比珠光体钢轨钢表 性变形层深度不受运行速度的影响，但会随轴重的增
现出了更好的抗滚动接触疲劳损伤性能. 需要指出的 加和曲线半径的减小而呈现显著增加的趋势. 而运行
是，本文中试验是在1%滑差工况下进行的，而先前研 速度和曲线半径一定程度上不影响钢轨材料滚动接
究中发现当滑差超过2%以后，贝氏体钢轨材料的磨 触疲劳裂纹的损伤，但轴重的增加会使得钢轨材料裂
损率会阶跃式增长且远大于珠光体钢材，滑差为5% 纹出现先增加后减小的变化趋势，即不同运行参数对
时，贝氏体钢轨磨损率接近珠光体钢轨的6倍 ，这可 钢轨材料磨损和接触疲劳损伤行为的影响不同. 在列
[19]
能与贝氏体材料硬度大同时脆性高的材料特性相关， 车运行速度较小且轴重较大的情况下，列车通过曲线
在滑差较小时，轮轨间较小切向力作用下贝氏体材料 半径较小的路段时，就会出现较为严重的钢轨伤损，
的高硬度耐磨特性表现明显，而当滑差超过某个临界 这是因为相同运行距离下，运行速度较小意味着轮轨
值时，贝氏体材料的服役性能也有可能存在阶跃式改 间接触作用时间较长，钢轨材料承受较大垂向力(轴
变. 但相关的研究还未有较为系统且完善的结论，有 重)和较大横向力(小曲线半径导致大横向力)，较大的
待后续进一步针对贝氏体材料自身特性与轮轨滚动 接触应力作用较长时间便会使得材料磨损和变形加

接触磨损和疲劳行为的关联关系开展深入研究. 剧，且对滚动接触疲劳裂纹也存在一定的影响. 因此，
另一方面，对3种运行参数与钢轨材料磨损和滚 需及时对相关路段钢轨伤损情况进行实时监测，必要
动接触疲劳行为进行了相关性分析. 其中，利用线性 时可采取钢轨打磨等维修养护作业.

回归对运行速度、轴重及曲线半径关于磨损率及塑性
变形层深度的相关性进行了分析，如图15所示. 而表 3 结论

面损伤程度与3种运行参数的相关性基于表面形貌照 a. 相同工况下，不同成分钢轨材料磨损和滚动接
片进行初步判定，需要指出的是，本文中3个运行参数 触疲劳行为存在差异，整体而言，贝氏体钢轨材料的
相关试验的组次仅有3组，可以对参数间的相关性进 损伤程度较亚共析和共析钢轨材料轻微.
行初步的分析并得出相应结论，后续可针对3个运行 b. 随运行速度增加，钢轨材料磨损率减小，表面
参数及3种钢轨材料进一步开展更多组次的试验，进 损伤程度减轻；随轴重增加，钢轨材料磨损率及塑性
而更加系统全面地对运行参数与材料磨损滚动解除 变形层深度增加，表面损伤程度增加，疲劳裂纹损伤