浅谈材料对铁道车辆车轮踏面接触疲劳的影响

　　日前，经笔者调研发现，国内25B、25G、25T 型铁路客车和南京地铁、深圳地铁、上海地铁的部分车辆轮对踏面出现了不同程度的剥离损伤。相关资料显示，国内外很多铁路机车车辆在运营过程中都被车轮踏面剥离所困扰。踏面剥离这种踏面非正常磨耗，对世界许多国家的铁路工业而言都是一个相当严重的问题且形势愈加严峻。轮对踏面的非正常磨耗，不仅增加了运营维护成本，到一定程度甚至将直接影响行车安全。
　　踏面剥离问题基本可分为三类：接触疲劳剥离、制动剥离、擦伤剥离。其中制动剥离仅在踏面制动条件下才会发生，原因是制动工况不良导致踏面产生热裂纹而造成的，擦伤剥离在踏面制动、非踏面制动条件下均可能发生，原因是轮轨间滑动或滚滑导致车轮踏面表面产生马氏体而造成的，对于这两类剥离问题，可从改善车辆制动和运用工况来进行缓解;本文主要从材料的角度探索和分析踏面接触疲劳剥离现象。
　　1 原因分析
　　轮对的主要工作方式是在钢轨上做类似于滚动的运动(实际上是蠕滑)。车轮通过一个很小的轮轨接触面积将车辆载荷传递给了钢轨，通常会使局部载荷超过车轮或钢轨材料的弹性极限，轮轨接触面在接触压应力的反复长期作用后，会引起接触表面因疲劳损伤而使局部区域产生小块金属剥离，这种疲劳破坏现象称为接触疲劳。接触疲劳与一般疲劳一样，同样有疲劳裂纹产生和疲劳裂纹扩展两个阶段。长时间的接触疲劳被认为是受到循环载荷作用的接触面的主要失效机制。
　　接触疲劳破坏形式有麻点剥离(点蚀)、浅层剥离和深层剥离三类。在接触表面出现深度在0.2mm 以下的针状或痘状凹坑，称为麻点剥离;深度为0.2mm~0.4mm 的剥离为浅层剥离，浅层剥离剥块底部大致与接触表面平行。深层剥离的深度和表面强化层深度相当，有较大面积的表层压碎。
　　轮对踏面同时有麻点剥离、浅层剥离和深层剥离。
　　影响轮对踏面接触疲劳的因素很多，比如车轮本身材料、踏面表面硬化情况、车轮所采用的踏面型式、轮轨接触面的光洁度、车辆运行工况等。而笔者认为，从本质上讲，决定抗疲劳性能的还是车轮材料本身的成分和微观结构。
　　2 车轮材料对接触疲劳的影响
　　车轮材料自身有很多方面影响着车轮的接触疲劳性能，比如车轮材料的组织结构、材料的各向异性以及材料中的夹杂物等。材料组织结构的复杂性导致对于接触疲劳影响的组织因素也非常复杂，这使得研究者们对于组织结构对接触疲劳的影响观点也千差万别，很多方面没有一个统一的认识。
　　钢铁材料中都有未溶的铁素体，铁素体在室温时的力学性能几乎与纯铁相同。其抗拉强度b 为180~280Mpa，屈服强度0.2 为100~170MPa，硬度约为80HBS。由此可见，铁素体的强度、硬度并不高。作为组织中的弱相，铁素体在变应力的作用下容易成为疲劳源而导致裂纹的萌生，所以铁素体对接触疲劳寿命有不利影响，而且组织中铁素体含量越大对接触疲劳的影响也越大。
　　碳钢中，碳溶于-Fe 中的间隙固溶体称为奥氏体，一般奥氏体的硬度为170~220HBS 之间。奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，因此其机械稳定性会影响组织的韧性，从而影响材料的接触疲劳寿命。疲劳变形过程中，残余奥氏体发生应变诱发奥氏体相变，可以抑制疲劳裂纹的产生和扩展。对18Cr2Ni4WA 钢中残余奥氏体对接触疲劳的影响研究表明，残余奥氏体稳定性适中时接触疲劳寿命最高。过高的残余奥氏体稳定性会导致强度不足，过低的残余奥氏体稳定性会导致韧性不足。当然，不同牌号的材料对残余奥氏体的稳定性表现会有所差异。
　　钢铁材料中的渗碳体溶碳量极高，其c 约为6.69%，因此其硬度很高(950~1050HV)，但塑性和韧性几乎为零。作为钢铁材料中的主要强化相，渗碳体在钢铁中与其它相共存时呈片状、球状、网状和板状，它的形态和分布对钢的性能有很大影响。如当它在材料中呈网状分布时，材料的韧性降低，力学性能将明显变差。
　　渗碳体在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳，而自由碳在一定条件下又会转化为其它碳化物。自由碳及碳化物对接触疲劳的影响主要表现在其物理参量(如弹性模量、膨胀系数等)与材料基体不同，破坏了两相之间的连续性。疲劳变形过程中，碳化物能够回溶，但大块碳化物有错位积塞作用，上贝氏体碳化物尖部容易产生应力集中，利于裂纹萌生。另外，棒状碳化物的溶解温度比合金渗碳体高，容易留存下来成为未溶碳化物，从而导致滚动接触疲劳寿命的大幅下降。
　　奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体称为珠光体。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间, 强韧性较好. 其抗拉强度b 为750 ~900MPa, 硬度为180 ~280HBS, 伸长率 为20 ~25%, 冲击功AKU 为24 ~32J。力学性能介于铁素体与渗碳体之间, 强度较高, 硬度适中, 塑性和韧性较好。根据相关研究，珠光体对材料的疲劳寿命影响不是单独存在的，而是取决于珠光体与铁素体之间的硬度比。铁素体与珠光体之间的硬度比较大时，两相之间连续性较差(形成相位差)，铁素体/ 珠光体边界容易形成疲劳裂纹，并优先沿铁素体/ 珠光体边界扩展。另外，具有粗大网状铁素体- 珠光体组织的热轧钢疲劳性能较差。
　　钢中的非金属夹杂物对钢材性能影响较大，其中以脆性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂对接触疲劳寿命的危害最大。因为这些非金属夹杂物破坏了基体的连续性，是材料中对周围区域产生拉应力和正交剪切应力的薄弱区，在重负荷循环作用下，接触应力与材料本身的残余应力相互叠加，使集中在非金属夹杂物区域的弹性能转变为产生裂纹的变形能量，这种裂纹会往最大剪切应力的方向扩展而最终形成表面剥离。
　　作为轮对生产原材料的钢材，在其冶炼过程中不可避免地要带入少量的常存元素(硅、锰、硫、磷)及一些杂质(非金属杂质和某些气体，如氮、氢、氧)。它们对钢的质量有较大影响，有的是有益元素，而有的则相反。此外，钢的化学热处理在强化与保护工件表面方面起到了非常重要的作用，如喷丸处理、渗碳、渗氮等都能有效提高工件表层的硬度、耐磨性和疲劳极限等，但必须强调其处理方法和技术要求。
　　绝大多数学者在研究车轮材料的滚动接触疲劳时，一般都假设材料是各向同性的，但研究表明，由于车轮在轨道上并非做纯滚动，因此无论在方向和位置上，铁路车轮都存在着各向异性。车轮材料的各向异性对于实验试样的取向和位置都有影响，因此也影响材料强度及其他参数的测量。如此得到的材料参数后应用于疲劳设计时就显得尤为重要。
　　3 结语
　　接触疲劳损伤是受到循环载荷的轮轨接触面的重要失效型式之一。提出避免疲劳损伤的措施需要对涉及的失效机制有充分的理解和认识。关于接触疲劳损伤机理的研究目前已经比较成熟，但是车轮在实际运用中工作状态千差万别，很难用一种理论将它们说明。
　　影响车轮接触疲劳损伤的因素主要集中在材料自身及外部条件。就材料本身而言，应加强推广真空熔炼技术在冶金工业中的应用，避免在车轮原材料的生产过程中渗入不利杂质(如S、P、氧化物、氮化物等)，同时又能有针对地加入一些有利元素(如Si、Mn、V 等)，降低渗碳体在材料中的含量，对珠光体- 铁素体的硬度比等进行有效控制。在注意这些因素的前提下，利用对车轮表面进行喷丸处理、渗碳、渗氮;采用适当硬度和韧性的材料等均可有效提高车轮的滚动接触疲劳寿命。