高速輪軌材料滾動摩擦損傷及白層形成機理研究.pdf

1、中國當前鐵路發(fā)展迅速，輪軌間動態(tài)行為和摩擦過程對行車安全愈發(fā)重要。輪軌對磨副之間的摩擦學問題，既有未解的科學問題，也是重要的工程應用問題。輪軌滾動摩擦白層一直被認為與輪軌滾動接觸疲勞損傷有關，由于該結構在實際工況中出現的偶然性和隨機性，一直以來雖有研究，但相對問題存在爭議，例如白層的微觀結構、其相變機制、對材料損失的影響等。本論文從摩擦學和材料學角度切入，進行輪軌材料滾動摩擦表界面摩擦化學作用和摩擦淺表層組織轉變機理的研究，揭示了輪軌滾

2、動接觸過程中材料損傷的本質特征，即白層的形成機制，這對延長當前高速重載鐵路用材的服役壽命具有重要理論意義和實際價值。
　　本論文在MMS-2A滾滑試驗機上，基于不同載荷、速度和滑滾比進行了輪軌滾動接觸模擬試驗，針對京滬高速鐵路用鋼軌U71MnG和車輪ER8配副的材料，研究其滾動接觸磨損和材料損傷演變。利用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDX)、光電子能譜(XPS)、電子探針(EPMA)、白光干涉表面形貌儀

3、等手段，對試驗后的磨痕及剖面進行了分析檢測;利用X射線衍射分析(XRD)、聚焦離子束(FIB)、透射電鏡(TEM)、原位納米力學測試系統(tǒng)對輪軌滾動摩擦白層進行成分和結構的定點定位分析表征。完成的主要工作和取得的主要結論如下:
　?。ㄒ唬┹嗆墲L動接觸過程中參數對于磨損行為的影響
　　針對U71MnG鋼軌和ER8車輪珠光體鋼材料組成的摩擦副，分別從磨損量、損傷形貌、硬度變化和淺表層組織變形行為考察了不同試驗參數（載荷、速度、滑滾

4、比）對輪軌材料滾動接觸摩擦磨損行為的影響，研究總結了試驗載荷、速度和滑滾比等參數對輪軌材料淺表層硬度演變的影響規(guī)律。其中，重點研究了滑滾比參數對輪軌滾動摩擦磨損行為的影響，發(fā)現該參數影響輪軌材料淺表層的塑性變形行為，且與摩擦磨損機制的轉變具有密切相關性。隨著滑滾比增加，摩擦磨損機制從輕微氧化磨損向疲勞磨損轉變，并伴隨著逐漸嚴重的磨粒磨損行為。
　?。ǘL動接觸界面材料摩擦化學行為研究
　　目前幾乎未有相關輪軌滾動接觸界面間

5、的摩擦化學作用的研究報道。近似純滾和滾-滑摩擦的輪軌材料磨損行為在摩擦系數和磨損形貌上都存在較大差異，具體表現為輪軌材料滾動接觸界面形成光滑的摩擦化學反應膜。研究表明摩擦化學反應膜是由鐵及其氧化物組成，具體為Fe、FeO和Fe2O3。摩擦界面氧化膜區(qū)、剝落區(qū)、未磨損基體區(qū)的XPS測試結果表明不同區(qū)域吸附的各元素原子成分比例不一樣，氧化膜區(qū)具有抗氧化的作用，未磨損區(qū)傾向于形成更多Fe2O3鐵銹，而剝落區(qū)則會繼續(xù)被氧化形成氧化膜。
　

6、?。ㄈ┹嗆壊牧蠞L動摩擦淺表層組織轉變及其形成機理
　　基于特定的滑滾比，輪軌材料滾-滑動過程中淺表層組織會形成摩擦學轉變結構，即白層。通過SEM形貌發(fā)現白層結構的“白”主要是組織均勻性的體現，且無珠光體特征，其晶粒尺寸為納米尺度。白層結構為典型的梯度結構，其附近淺表層組織的形貌特點由表層的無特征過渡為顆粒狀組織再到嚴重塑性變形的珠光體組織逐漸轉為輕微變形的珠光體組織;其顯微硬度和納米硬度測試值均表現為由表及里逐漸降低，最表層組織

7、硬度值約12GPa，為基體硬度值的三倍。EPMA面成分分布圖顯示了其化學成分的不均勻性，碳元素含量在局部偏低，可能是珠光體結構中滲碳體分解的結果;白層XRD衍射圖中鐵素體相的(110)峰發(fā)生寬化并向低角度方向偏移，其TEM電子衍射圖呈現多晶環(huán)，揭示了白層是由納米晶鐵素體，體心四方(BCT)的馬氏體以及極少量顆粒滲碳體組成。從而，精確揭示了輪軌材料滾動摩擦白層的精細結構。
　　此外，白層材料表征中未檢測到面心立方(FCC)的奧氏體，