周 亮,郭立昌,丁昊昊,王文健,刘启跃
(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 摩擦学研究所,四川 成都 610031)
作为保障列车安全运行的基础部件，列车车轮在为车辆提供支撑、导向和传递动力等方面发挥着不可替代的作用.随着列车运行速度与轴重的增加，车轮材料磨损与滚动接触疲劳损伤问题变得日益突出，成为车轮材料失效的主要诱因[1-2].
国内外研究人员对列车车轮材料的磨损与滚动接触疲劳行为展开了大量研究.在通过曲线段时，车轮轮缘磨损较为严重[3].线路不平顺或局部缺陷将会诱发车轮的不圆磨耗[4]，从而影响乘坐舒适性与列车运行安全.此外，列车频繁制动会加剧车轮材料的热疲劳损伤[5].车轮滚动接触疲劳裂纹的萌生与扩展会导致踏面剥离和车轮断裂等问题[6].Franklin等[7]认为在滚滑载荷作用下剪切应变在材料内部逐步累积，达到材料变形极限后裂纹萌生.Garnham等[8]发现车轮材料中的先共析铁素体会累积更高的剪切应变，其塑性率先耗尽而萌生微裂纹.Hu等[9]发现车轮材料组织在失效前会发生显著细化，并利用电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等研究了车轮表层材料的组织演变过程.此外，许多学者也研究了轴重[10]、运行速度[11]和滑差[12]等接触参数对车轮材料滚动接触疲劳损伤的影响.
作为运行在开放环境中的部件，车轮材料的服役行为还将受到环境温度的影响.马蕾等[13-14]对车轮材料在低温环境下的磨损行为进行了试验研究.结果表明：当温度低于0 ℃时，轮轨间摩擦系数与车轮磨损量相对于室温环境明显上升.但文献[15]认为，当环境温度进一步降至-35 ℃时，车轮磨损量将低于室温水平.温度下降会降低车轮材料的冲击韧性与断裂韧性，严重威胁车轮的疲劳寿命[16-17].Fang等[18]通过拉伸试验发现：我国高铁上常用的ER8C车轮钢的韧脆转变温度在-20 ℃以上，这不能满足高寒地区冬季最低温度的需要(低于-40 ℃).车轮材料在韧脆转变温度以下发生疲劳失效时，断面呈现典型的解理断裂特征[19]，这表明车轮材料性能在服役前已经发生了显著改变.低温环境下材料的疲劳性能成为影响车轮材料安全服役的关键因素，因此十分有必要开展低温环境下车轮材料滚动接触疲劳行为的研究.然而目前对车轮材料接触疲劳损伤的研究通常是在室温下进行的，难以对低温下车轮材料滚动接触疲劳损伤机制的形成提供合理的解释.
本文中利用低温环境模拟系统与轮轨模拟试验机首先开展列车车轮材料在室温(20 ℃)与-40 ℃工况下的滚动磨损试验，研究了室温与-40 ℃工况下车轮材料磨损与滚动接触疲劳行为.然后在-40 ℃工况下开展不同循环次数的滚动磨损试验，对-40 ℃温度下车轮材料滚动接触疲劳裂纹的形成和扩展机制进行讨论.研究结果可为列车车轮材料在低温环境下的安全服役起到理论指导作用.
1.1 试验材料
本试验中选用的材料为ER7车轮和U71Mn钢轨，轮轨试样的取样位置及外形尺寸如图1(a)所示，轮轨试样均加工成直径为40 mm的圆盘状，其中，车轮试样宽度为5 mm.车轮与钢轨材料的微观组织分别如图1(b)和图1(c)所示.车轮材料为珠光体和网状铁素体组织，钢轨材料为珠光体和少量铁素体组织.车轮和钢轨材料的化学成分与维氏硬度列于表1中.车轮材料硬度(274.8 HV0.5)低于钢轨材料硬度(292.8 HV0.5).
表1 轮轨材料化学成分与硬度Table 1 Chemical compositions of rail and wheel materials (mass fraction) and hardness
1.2 试验方法
本试验均在带有低温环境模拟装置的WR-1轮轨滚动磨损试验机上进行，试验机与低温环境模拟系统的结构示意图如图2所示.轮轨试样分别安装在试验机的上、下轴，并由1台交流伺服电机驱动.调节加载弹簧的压缩量可以对轮轨界面施加不同法向力.通过载荷传感器(LC-7，精度：3‰)测量法向力并反馈给计算机时显示.下轴安装有扭矩传感器(TQ660，0～±20 N·m)，切向力根据扭矩和试样半径计算得出.低温环境模拟装置由制冷系统和低温环境腔组成，制冷系统由两级压缩机组成，可为环境腔内提供-60 ℃的制冷介质.PID温度控制器用于控制加热器的加热时间，使环境腔内的温度稳定在设定值.通过安装在环境腔内的温湿度传感器，可实时监测腔内温度和相对湿度.
Fig.1 Sampling positions and dimensions of wheel and rail rollers and microstructures of wheel and rail materials图1 轮轨试样尺寸、取样位置及材料微观组织
Fig.2 The schematic diagram of wheel-rail test apparatus and low temperature simulation system图2 轮轨模拟试验机与低温环境模拟系统示意图
本试验中，车轮试样和钢轨试样的转速分别设置为195.24和200 r/min，对应的轮轨滑差为2.38%.加载力为1 060 N (轮轨最大赫兹接触应力为860 MPa，对应现场轴重14 t).本试验中首先在室温(约20 ℃)与-40 ℃温度下进行60 000次循环轮轨滚动磨损试验，研究室温与-40 ℃温度下车轮材料的磨损与损伤行为；
然后在-40 ℃下分别进行5 000、25 000、60 000和150 000 次循环轮轨滚动磨损试验.在双盘对滚试验中，轮轨材料磨损与损伤行为需要经过约20 000次循环方可进入稳定状态[20].因此，在本试验中，选择循环次数分别为5 000 (早期状态)、25 000 (达到稳定状态)、60 000和150 000 (最终稳定状态)时研究低温下列车车轮材料磨损与滚动接触疲劳损伤的演变过程，所有试验均重复1次.
利用电子天平(JA4103，精度：0.000 1g)分别测量车轮试样试验前后的质量，试验前后质量差即为车轮磨损量；
利用显微维氏硬度仪(MVK-H21，Japan)测试样品表面和亚表层硬度；
利用光学显微镜(OM，KEYENCE VHX-6 000，Japan)和扫描电镜(SEM，Phenom Pro-SE，Netherlands)观察试样表面磨损形貌以及剖面裂纹形貌；
利用X射线能谱仪(EDS，OXFROD X-Max 80)测试试验后磨损表面的元素分布.
2.1 室温与-40 ℃下车轮材料滚动磨损与损伤行为
图3所示为室温与-40 ℃温度下轮轨摩擦系数、车轮磨损率(单位滚动距离上质量损失，单位μg/m)和表面硬度.在试验初期，-40 ℃下(黑色曲线)摩擦系数较室温下(红色曲线)高，随循环次数增加，逐渐下降并最终与室温下摩擦系数保持一致[图3(a)].-40 ℃下初期较高的摩擦系数与低温环境的低湿度有关[13-14]，而后期摩擦系数的下降则与轮轨表面磨损形貌有关.-40 ℃下车轮试样磨损率低于室温下磨损率[图3(b)].此外，温度的降低将加速车轮表层材料硬化，-40 ℃下车轮表面硬度(752.7 HV0.5)与硬化率(1.715)明显分别高于室温工况下的表面硬度(541.4 HV0.5)与硬化率(0.97)[图3(c)].
Fig.3 Friction coefficient,wear rates,surface hardness and hardening ratio of wheel rollers at room temperature and -40 ℃图3 室温与-40 ℃工况下轮轨摩擦系数、车轮试样磨损率与磨后表面硬度和硬化率
Fig.4 OM and SEM micrographs of surface and subsurface damages of wheel rollers at room temperature and -40 ℃图4 室温与-40 ℃工况下车轮试样表面与亚表面损伤形貌的光学显微镜及SEM照片
图4所示为室温与-40 ℃试验后车轮试样表面与亚表面损伤形貌的光学显微镜及SEM照片，可以看出，在室温下，表面损伤的形貌主要以严重起皮为主，亚表面损伤则以细长型裂纹为主.-40 ℃工况下，车轮表面损伤的形貌以轻微接触疲劳裂纹为主，剖面的SEM照片显示车轮亚表面损伤以形貌复杂且数量较多的短小裂纹为主.
从以上结果可以看出，环境温度明显影响车轮材料的磨损与损伤行为，温度的下降降低了车轮材料磨损率[图3(b)].从车轮试样剖面可以看出，-40 ℃下车轮材料滚动接触疲劳裂纹形貌更为复杂(图4).为揭示-40 ℃下车轮材料磨损与损伤形成过程，非常有必要研究不同循环次数下车轮试样的磨损与滚动接触疲劳损伤演变行为.
2.2 -40 ℃下车轮材料磨损与损伤演变行为
2.2.1 磨损与表面损伤
Application of waterscape in small-scale space landscape design
图5给出了-40 ℃下车轮试样磨损率随循环次数变化曲线，可以看出，在5 000次循环时车轮磨损率为28.5 μg/m.随循环次数增加，车轮试样磨损率逐渐增加，并在60 000次循环时达到稳定.图6所示为-40 ℃工况下不同循环次数后轮轨试样的表面损伤形貌的SEM照片.可以看出，5 000次循环后，车轮试样表面以小尺寸剥落为主，25 000次循环后，车轮表面可观察到明显的疲劳裂纹，并且随循环次数增加，表面裂纹的尺寸和密度均增加，5 000次循环后，钢轨试样表面即可观察到大面积的摩擦膜.
Fig.5 Wear rates and of wheel rollers at -40 ℃ as a function of number of cycles图5 -40 ℃下车轮试样磨损率随循环次数变化
利用EDS测试了-40 ℃下图6中A、B两点处元素分布，结果如图7所示.可以看出，摩擦膜处主要为O和Fe元素，原子占比分别为43.9%和42.7%，这说明摩擦膜中主要为铁的氧化物.干态下，轮轨界面生成的氧化物主要为FeO、Fe3O4和Fe2O3[21].文献[22]认为低温条件下(-40 ℃)轮轨界面处的氧化物为Fe和Fe2O3的混合物，同时，Lyu等[15]通过EDS证实了类似的黑色氧化物为Fe2O3.在本研究中，Fe和O的原子比约为1:1，大于Fe2O3中Fe和O的原子比，因此，摩擦膜主要为Fe和Fe2O3的混合物.
2.2.2 材料硬化与塑性变形
Fig.6 The worn surface morphologies of wheel and rail rollers with number of cycles at -40 ℃图6 -40 ℃工况下车轮与钢轨试样表面形貌随循环次数变化情况
Fig.7 EDS detection of rail worn surfaces and atomic ratios at -40 ℃ for 60 000 cycles图7 EDS测试-40 ℃工况下60 000次循环后钢轨表面元素分布
Fig.8 Surface hardness,hardening ratio and hardness profiles as a function of distance of wheel rollers at -40 ℃图8 -40 ℃下车轮试样表面硬度、硬化率与剖面硬度分布曲线
图8(a)给出了试验后车轮表面硬度与硬化率(试验后车轮表面硬度增加量与初始硬度之比)随循环次数变化关系.可以看出，随循环次数增加，车轮表面硬度与硬化率先迅速增加后缓慢增加.图8(b)所示为车轮试样的剖面硬度分布情况.可以看出，车轮材料的硬度值随深度增加而逐渐减小，直至接近基体硬度.此外，在相同深度下，随循环次数增加，车轮试样剖面硬度逐渐增大.
-40 ℃工况时车轮试样不同循环次数下亚表层材料塑性变形如图9所示，在5 000次循环后，塑性变形层深度约224 μm.在距表面约0 μm处，珠光体组织变形严重，先共析铁素体细化为线状[图9(a)]，此外，靠近表面的变形铁素体与滚动方向具有小角度.当深度增至100 μm时，组织变形轻微，铁素体变形明显.当深度进一步增至200 μm，车轮材料组织变形非常轻微.当循环次数为25 000时[图9(b)]，塑性变形层深度约351 μm，靠近表面的车轮组织塑性变形非常严重，珠光体组织完全变形破碎，先共析铁素体细化为短棒状，靠近表面的变形铁素体与滚动方向几乎平行.在100 μm深度处，铁素体细化为线状；
当深度增至300 μm时方可见变形轻微的铁素体.当循环次数增加到60 000和150 000后，组织变形行为与25 000次循环后大致相似，此外，车轮材料组织塑性变形有轻微增加，塑性变形层深度分别为375和384 μm[图9(c)和(d)].
2.2.3 滚动接触疲劳损伤
图10所示为车轮材料剖面损伤形貌的SEM照片，图11则给出了剖面裂纹统计结果.可以看出，在循环早期(5 000次循环)，车轮材料损伤轻微，萌生的短小状裂纹(约55 μm)通常折向表面，并形成小尺寸剥落坑[图10(a)].当循环次数大于25 000时，可以在车轮试样上观察到大量的亚表层裂纹，亚表层裂纹将与相邻裂纹汇合，从而加速裂纹扩展，因此，可以观察到细长型裂纹[图10(b)]，此时裂纹夹角较小，主要沿着平行于滚动方向进行扩展.当循环次数增加到60 000和150 000后，裂纹形貌与25 000次循环后大致相似.此时，裂纹长度有轻微下降，但裂纹深度与裂纹密度均增大(图11).
Fig.9 The microstructure evolution of wheel rollers at -40 ℃ in different depth图9 -40 ℃下车轮试样不同循环次数下剖面不同深度处塑性变形
Fig.10 OM and SEM micrograph of subsurface cracks of wheel rollers at -40 ℃图10 -40 ℃下不同循环次数车轮剖面损伤形貌
Fig.11 The size statistics of fatigue cracks on wheel rollers at -40 ℃图11 -40 ℃工况下车轮试样疲劳裂纹统计结果
室温下60 000次循环试验后，车轮材料表层先共析铁素体组织沿着切应力方向变形且细化为线状.铁素体晶粒将比珠光体累积更高的塑性应变并率先耗尽[8-9,26].因此，在室温下试验后，裂纹沿着变形后的铁素体线萌生和扩展并形成细长型裂纹(图4).而在-40 ℃下60 000次循环试验后，车轮材料在亚表层萌生的裂纹数量较室温下多(图10)，并且亚表层裂纹扩展长度(平均377 μm，最长687 μm)较室温下长(平均330 μm，最长445 μm).试验后车轮材料先共析铁素体变形和细化程度与低温下力学性能变化是导致室温与-40 ℃下车轮材料裂纹萌生与扩展行为差异的主要原因.由于-40 ℃下试验后车轮试样磨损率较低[图3(b)]，车轮材料表层铁素体晶粒完全破碎并细化为大量短棒状[图9(b)、(c)和(d)].铁素内晶粒内部位错的运动与缠结会导致局部材料形成空腔[27]，空腔的扩展和相互汇合使铁素体颗粒内部萌生出微裂纹，因此，-40 ℃下车轮材料在亚表层处萌生出大量次表层裂纹(图10).滚滑接触条件下，车轮表层材料硬度由于位错强化和细晶强化而显著上升[图8(a)]，-40 ℃试验后车轮表层材料的加工硬化率[图3(c)]和组织变形(图9)较室温下高.大变形晶粒更有利于裂纹扩展[8,28]，此外，环境腔内温度(-40 ℃)低于车轮材料韧脆转变温度时(约-15～-20 ℃)，车轮材料强度增加而韧塑性显著下降，疲劳裂纹扩展速率在珠光体内增大[29].因此，-40 ℃下试验后车轮材料亚表层裂纹萌生后将迅速扩展，从而使-40 ℃下车轮材料亚表层裂纹扩展长度(见图11)较室温下长.
-40 ℃工况下车轮材料磨损与滚动接触疲劳损伤形成具有明显的演化特征.在磨损初期，轮轨界面发生显著材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜(图6)，摩擦膜降低了车轮材料的磨损率.由于磨损率低，车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形.在磨损后期，累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生，因此在车轮试样亚表层形成大量裂纹，这些亚表层裂纹相互汇合，从而加速疲劳裂纹扩展.总体来说，低温环境下，车轮试样磨损下降，表面损伤较为轻微，但材料亚表层损伤严重，裂纹在车轮材料亚表层处萌生与扩展，将严重影响高寒地区车轮服役安全性.
a.温度对车轮材料的磨损和损伤机制有明显影响.与室温相比，-40 ℃时车轮材料磨损率降低，表面硬化率上升.室温时，车轮表面起皮严重，磨损机制为疲劳磨损，在-40 ℃时，车轮表面疲劳磨损明显减轻.
b.-40 ℃下，随循环次数增加，车轮材料磨损率、表面硬度与硬化率先迅速增加后缓慢增加，在60 000次后达到稳定.早期车轮试样表面以小尺寸剥落为主，达到25 000次循环后车轮表面可观察到明显的疲劳裂纹，且随循环次数增加，表面裂纹尺寸和密度均增加.
c.-40 ℃下，滚动接触疲劳裂纹在车轮材料亚表层处萌生并沿着滚动方向扩展.亚表层处萌生的微裂纹相互汇合将加速裂纹扩展.随循环次数增加，车轮材料裂纹长度先增大后轻微减小，但裂纹深度与裂纹密度均呈增加趋势.
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