Page 103 - 摩擦学学报2025年第9期
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第 9 期 谢瑜龙, 等: 基于裂纹损伤楔形体积/截面积的滚动接触疲劳损伤量化评价方法研究 1357
量化评价. 对于客观评价轮轨滚动接触疲劳损伤的裂 测量方法如图3所示，所统计的不同钢轨和车轮材料
纹判断，根据不同轮轨材料的微观组织晶粒尺寸，建 珠光体晶粒尺寸具体值列于表1中. 因此，对于不同类
立了客观评价轮轨滚动接触疲劳损伤的裂纹最小长 型的钢轨和车轮材料，客观评价其滚动接触疲劳损伤
度确定方法，即统计不同车轮和钢轨材料的微观组织 的裂纹最小长度可以确定为对应材料微观组织晶粒
晶粒尺寸，将材料晶粒尺寸作为客观评价轮轨材料滚 的尺寸大小. 根据所统计钢轨材料的珠光体晶粒尺寸
动接触疲劳损伤的裂纹最小长度. 同时，基于滚动接 结果，客观评价U75V钢轨材料滚动接触疲劳损伤的
触疲劳损伤的楔形体积/截面积而构建轮轨滚动接触 裂纹最小长度界限为13.3 μm，即在U75V钢轨材料的
疲劳裂纹损伤量的量化评价方法. 滚动接触疲劳损伤的客观评价中，将观察到裂纹的长
1.1 客观评价疲劳损伤的裂纹最小长度确定方法 度超过最小长度界限(13.3 μm)的裂纹作为U75V钢轨
在循环交变载荷作用下的轮轨接触，由于不同轮 材料滚动接触疲劳损伤量化评价的目标裂纹[或长度
轨材料抗疲劳性能的差异，因此所形成的滚动接触疲 低于最小长度界限(13.3 μm)的裂纹不作为量化评价
劳损伤呈现出不同的形式. 在轮轨滚动接触过程中， 的对象]，进一步对不同楔形裂纹损伤的三维尺寸进
循环交变载荷的作用在材料晶粒尺度上表现为应力 行测量统计，量化计算所形成的滚动接触疲劳裂纹的
[25]
和应变在晶内与晶间的分配和协调 . 因此，从材料 损伤量.
微观组织晶粒角度统计分析不同轮轨材料的组织晶
表 1 不同珠光体型钢轨和车轮材料的微观组织晶粒尺寸值
粒尺寸，以晶粒尺寸确定客观评价轮轨滚动接触疲劳
Table 1 The grain size of different pearlite rail
损伤的裂纹最小长度. 针对珠光体材料晶粒尺寸的测 and wheel materials
量，具体方法为通过扫描电子显微镜(SEM, PhenoPre- Materials Grain size/μm
SE, The Neherands)对不同珠光体型车轮和钢轨材料 U78CrV 14±2.3
的组织金相进行表征. 在材料晶粒尺寸测量中，随机 U75V 13.3±2.0
U71Mn 14±2.8
选取10个视场，每个视场中测量3个珠光体团晶粒大 ER8 12.3±0.9
小，并对测量的数据取平均值，得到该材料的珠光体 CL60 10.5±0.8
AAR-B 9.9±0.9
[23]
晶粒尺寸大小 . 图2所示为具体测量方式示意图，即
找到某个区域中珠光体片层取向相同的区域作为1个
1.2 滚动接触疲劳裂纹损伤的量化评价方法
珠光体团，采用中点相交并平行和垂直片层取向的两
在滚动接触循环载荷的作用下，轮轨接触界面处
条线段作为此珠光体团尺寸的长短弦，则将两条垂直
的材料所受应力如果超过材料的弹性极限，表层材料
[23]
弦d 和d 长度的平均值作为此珠光体晶粒的尺寸 ，即
1
2
将发生塑性形变. 如果循环接触载荷进一步升高，表
d 1 +d 2 [26]
L p = (1) 层塑性变形材料的形变量将逐渐累积 ，并且更深层
2
的材料也将发生塑性变形. 由于形变的不断累积，材
对于不同珠光体型钢轨(U78CrV、U75V、U71Mn)
料的形变延展性被耗尽，当超过材料极限延展性的临
和车轮(ER8、CL60、AAR-B)材料的晶粒尺寸的具体
界值时，此部分材料将会萌生微裂纹，这里将微裂纹
萌生的开始称为“棘轮效应” . 如果萌生的疲劳裂纹
[27]
沿表面横向扩展，并在滚动接触切向力作用下在表面
形成“V”型开口状裂纹. 另一方面，萌生的疲劳裂纹
如果向材料深度方向扩展，将形成一定角度和深度的
d 1 Ferrite 疲劳裂纹损伤. 在循环交变应力的作用下，严重疲劳
d 2
损伤的材料将会被去除，在接触表面形成坑状掉块，
此过程称为剥落. 轮轨滚动接触界面处的材料发生疲
Lamellar pearlite Grain boundary 劳失效剥落，会形成一定体积的剥落坑 [28-29] ，通常剥落
坑中部较深，边缘逐渐变浅. 图4所示为超景深光学显
微镜(OM, KEYENCE VHX-6000, Osaka Japan)观察到
Fig. 2 Schematic diagram of the measured method
of pearlite grain size 的实验室滚动接触疲劳模拟试验所形成的剥落坑和
图 2 珠光体晶粒尺寸测量方法示意图 现场实际服役车轮踏面上的剥落坑. 此外，实验室的
