高速輪軌材料滾動(dòng)摩擦損傷及白層形成機(jī)理研究.pdf

1、中國(guó)當(dāng)前鐵路發(fā)展迅速，輪軌間動(dòng)態(tài)行為和摩擦過程對(duì)行車安全愈發(fā)重要。輪軌對(duì)磨副之間的摩擦學(xué)問題，既有未解的科學(xué)問題，也是重要的工程應(yīng)用問題。輪軌滾動(dòng)摩擦白層一直被認(rèn)為與輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷有關(guān)，由于該結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況中出現(xiàn)的偶然性和隨機(jī)性，一直以來雖有研究，但相對(duì)問題存在爭(zhēng)議，例如白層的微觀結(jié)構(gòu)、其相變機(jī)制、對(duì)材料損失的影響等。本論文從摩擦學(xué)和材料學(xué)角度切入，進(jìn)行輪軌材料滾動(dòng)摩擦表界面摩擦化學(xué)作用和摩擦淺表層組織轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究，揭示了輪軌滾

2、動(dòng)接觸過程中材料損傷的本質(zhì)特征，即白層的形成機(jī)制，這對(duì)延長(zhǎng)當(dāng)前高速重載鐵路用材的服役壽命具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。
　　本論文在MMS-2A滾滑試驗(yàn)機(jī)上，基于不同載荷、速度和滑滾比進(jìn)行了輪軌滾動(dòng)接觸模擬試驗(yàn)，針對(duì)京滬高速鐵路用鋼軌U71MnG和車輪ER8配副的材料，研究其滾動(dòng)接觸磨損和材料損傷演變。利用光學(xué)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(duì)試驗(yàn)后的磨痕及剖面進(jìn)行了分析檢測(cè);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(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輪軌滾動(dòng)摩擦白層進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)定位分析表征。完成的主要工作和取得的主要結(jié)論如下:
　?。ㄒ唬┹嗆墲L動(dòng)接觸過程中參數(shù)對(duì)于磨損行為的影響
　　針對(duì)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(yàn)參數(shù)（載荷、速度、滑滾

4、比）對(duì)輪軌材料滾動(dòng)接觸摩擦磨損行為的影響，研究總結(jié)了試驗(yàn)載荷、速度和滑滾比等參數(shù)對(duì)輪軌材料淺表層硬度演變的影響規(guī)律。其中，重點(diǎn)研究了滑滾比參數(shù)對(duì)輪軌滾動(dòng)摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)影響輪軌材料淺表層的塑性變形行為，且與摩擦磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變具有密切相關(guān)性。隨著滑滾比增加，摩擦磨損機(jī)制從輕微氧化磨損向疲勞磨損轉(zhuǎn)變，并伴隨著逐漸嚴(yán)重的磨粒磨損行為。
　?。ǘL動(dòng)接觸界面材料摩擦化學(xué)行為研究
　　目前幾乎未有相關(guān)輪軌滾動(dòng)接觸界面間

5、的摩擦化學(xué)作用的研究報(bào)道。近似純滾和滾-滑摩擦的輪軌材料磨損行為在摩擦系數(shù)和磨損形貌上都存在較大差異，具體表現(xiàn)為輪軌材料滾動(dòng)接觸界面形成光滑的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜。研究表明摩擦化學(xué)反應(yīng)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(cè)試結(jié)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(huì)繼續(xù)被氧化形成氧化膜。
　

6、?。ㄈ┹嗆壊牧蠞L動(dòng)摩擦淺表層組織轉(zhuǎn)變及其形成機(jī)理
　　基于特定的滑滾比，輪軌材料滾-滑動(dòng)過程中淺表層組織會(huì)形成摩擦學(xué)轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)，即白層。通過SEM形貌發(fā)現(xiàn)白層結(jié)構(gòu)的“白”主要是組織均勻性的體現(xiàn)，且無珠光體特征，其晶粒尺寸為納米尺度。白層結(jié)構(gòu)為典型的梯度結(jié)構(gòu)，其附近淺表層組織的形貌特點(diǎn)由表層的無特征過渡為顆粒狀組織再到嚴(yán)重塑性變形的珠光體組織逐漸轉(zhuǎn)為輕微變形的珠光體組織;其顯微硬度和納米硬度測(cè)試值均表現(xiàn)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(xué)成分的不均勻性，碳元素含量在局部偏低，可能是珠光體結(jié)構(gòu)中滲碳體分解的結(jié)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(xiàn)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(dòng)摩擦白層的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
　　此外，白層材料表征中未檢測(cè)到面心立方(FCC)的奧氏體，