钢轨滚动疲劳裂纹与磨损耦合关系研究
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本文针对 U75V 和 U71M n 两种钢轨材料 , 通过 轮轨模拟试验研究滚动疲劳与磨损间的关系 , 分析材 料抗疲劳性能及疲劳裂纹形成情况 , 试验结果可对铁 路钢轨的选材提供有益的技术指导 。
1 试验
试验在西南交通大学 JD-1 型轮轨模拟试验机上 进行 , 模 拟试 样尺 寸见 图 1 。 试验 采用 赫 兹模 拟准 则[ 3] , 即按照赫兹接触理论 , 使实验室条件下模拟轮轨 试样间的平均接触应力和接触区椭圆的长短半轴之比 与现场相同 , 这样就可以保证实验室条件下模拟轮轨 试样间的摩擦学相互作用过程与现场相似 。
U71Mn 0 .65 ～ 0 .76 0 .15 ～ 0 .35 1 .1 ～ 1 .4 ≤0 .03 ≤0 .03
-
图 3 为试验后试样的磨损量 。在相同试验条件 下 , 4 号试样的磨损量最大 , 1 号试样的磨损量最小 , 其 他居中 。 3 号试样的硬度值与 2 号试样相差不大 , 但 3 号的磨损量却比 2 号的大许多 , 这主要是由于 2 号试 样的含碳量比 3 号试样高 , 含碳量的高低可以改变材 料的磨损机制[ 5] 、增加抗磨损能力 , 因此 , 试验后含碳 量较 高 的 U75V 试 样 的 磨 损 量 比 含 碳 量 较 低 的 U71Mn 试样的磨损量低 。试验结果也表明 , 含碳量相 同情况下 , 磨损量与试样的硬度成反比关系 , 即材料硬
Abstract :Alo ng w it h the development o f high-speed heavy-haul railw ay s , w heel-rail rolling w ear and f atigue damages appear t o af fect the safety o f rai lw ay operation serio usly .T he rolling w ea r and fati gue characterist ics of f our specimens m ade of tw o rai l mate rials pro cessed w it h tw o techniques have been investi gated wi th the JD1 w heel-rail t ribolo gical simulation f acility under t he unlubricat ed conditi ons .T he surface hardness , w earing capaci ty and fati gue cracking and so on have been examined wi th the microhardness t est er and elect ronic scanning micro sco pe .T he study show t he f ollo wi ng result s :T here i s a g row t h in t he surf ace hardness o f all specim ens aft er t est ing due t o w o rk hardening ;t he heat-t reat ment technique has an obvious ef fect o n the ro lling wear and f atigue prope rties of the rail m aterials ;being tw o dif ferent m aterial charact eri sti cs , t he w ear resi stance and f atigue resistance can be seen as m utually compe titiv e and rest rictive , in ot he r w o rds , w hile w earing is serious , t he fatig ue damage i s relat ively slight .Increasing t he w earing rat e o f rail , by decreasing t heir carbon cont ent s appropri ately can prolong t he fatig ue life o f the rails . Key words:rail ;rolling wear ;fa tigue crack ;hardness
86
铁 道 学 报
第 31 卷
度越高 , 抗磨损能力越强 , 对应的磨损量越小[ 6] 。对于 同种钢轨材料而言 , 淬火钢轨比热轧钢轨的硬度高 , 故 表现出较好的耐磨性 。 上述试验结果表明 , 经淬火处 理的钢轨材料比热轧钢轨材料的强度大 、硬度高 、耐磨 性较好 ;含碳量直接影响钢轨钢的硬度及抗磨损能力 , 即钢轨含碳量高 , 硬度越高 , 耐磨性越好 。
第 2期
钢轨滚动疲劳裂纹与磨损耦合关系研究
85
磨损对裂纹根部的截断率 , 则裂纹继续扩展 ;反之 , 则 裂纹随着车轮滚动次数增加 , 裂纹长度在不断缩小 , 直 至裂纹彻底被磨掉 。 许多研究也认为钢轨的疲劳与磨 损之间存在着相互制约的关系[ 2] , 主要表现为一定的 磨损利于阻碍疲劳裂纹的形成与扩展 。
为了满足铁路运输的需求 , 铁路部门采取提高列 车轴重 、运行速度 及增加行 车密度等 措施来提 高铁 路的运输能力 , 这些措施会加剧钢轨的磨损和疲劳损
收稿日期 :2007-10-30 ;修回日期 :2007-12-13 基金项目 :国家自然科学基金项目(50675183 ;50875221);
国家 973 计划项目(2007CB714702); 西南交通大学创新团队培育计划项目(2007IR T01) 作者简介 :赵雪芹(1980 —), 女 , 山东烟台人, 讲师 。 E-mail :lqy9065 @yah oo .com .cn
伤[ 1] 。 钢轨疲劳损伤不仅增加运营成本 , 也给行车带 来安全隐患 。因此研究钢轨材料抗疲劳与磨损性能 , 提出预防钢轨疲劳损伤的有效措施具有重要意义 。
0 .62 %～ 0 .77 %, H V 0 .2 ≥241 。 试验参数 :模拟车速 160 km/ h ;曲线半径 800 m ;
轴重 25 t ;摩擦系数 0 .2 ;模拟小轮循环次数 106 。 所 有滚动试验均 在干态下进行 。 利用 MV K-H 21 维氏 硬度仪测量试样试验前后的硬度值 ;用 T G328A 型机 械式光电分析天平通过称重法测量试样磨损量 ;表面
试样编号 1号 2号 3号 4号
表 2 试样的处理工艺及机 械性能
处理工艺
σb/ M Pa δ/ % ψ/ %
U75 V 淬火
≥1200 ≤10 ≤14
U75 V 热轧
≥1000 ≤10 ≤14
U 71M n 淬火 ≥1180 ≤10 ≤14
U71M n 热轧
≥900 ≤10 ≤14
HV 0 .2 359 318 321 301
磨痕 形 貌 和 裂 纹 形 成 情 况 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜
(SEM)观察 。
表 1 钢轨材料的化学成分 及含量
钢轨
C/ %
U 75V 0 .71 ～ 0 .8
Si/ % 0 .5 ～ 0 .8
Mn/ % 0 .7 ～ 1 .05
P/ % ≤0 .0 .12
赵雪芹1, 2 , 王文健1 , 钟 雯1 , 刘启跃1 , 朱旻昊1 , 周仲荣1
(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 , 四川 成 都 610031;2.成都电子机械高等专科学校 机械系 , 四川 成都 610031)
摘 要 :随着高速 、重载铁路的发展 , 轮轨滚动磨 损与疲 劳损伤 严重影 响列车的 运行安 全 。 本文在 JD-1 型轮 轨 模拟试验机上研究干态工况下 2 种钢轨材料在 2 种处理工艺 下 4 种试样 的滚动磨损 及疲劳损 伤性能 , 利用显 微 硬度计和扫描电子显微镜(SEM)对试 样表 面硬度 变化 、磨损 量及 疲劳 裂纹形 成情 况等进 行对 比分 析 。 结果 表 明 , 由于加工硬化作用试验后所有试样 的硬度 均有提 高 ;热 处理工 艺对钢 轨材料的 磨损和 疲劳性 能具有 明显 影 响 ;钢轨的抗磨损与抗疲劳性能是两种不同的材料特 性 , 两者 表现为相互 竞争与制 约的耦合关 系 , 即 磨损严重 时 疲劳损伤表现相对轻微 ;适当降低材料含碳量 , 增加钢轨的磨损率有利于延长钢轨的疲劳寿命 。 关键词 :钢轨 ;滚动磨损 ;疲劳裂纹 ;硬度 中图分类号 :U213 .4 文献标志码 :A doi:10 .3969/ j .issn .1001-8360 .2009.02 .016
(1 .S tat e K ey Laborat ory of T raction Power , S out hw es t Jiaot ong U niversi ty , Chengdu 610031 , Chi na;
2 .D epart men t of M achin ery Engineerin g , Chengdu Elect romechanical College, Chengdu 610031 , China )
Study on Coupling Relation between Rolling Fatigue Crack and Wear of Rail
ZH A O X ue-qin1 , 2 , WA N G Wen-jian1 , Z HO N G Wen1 , LIU Q i-y ue1 , Z H U Min-hao1 , ZH O U Z hong-rong 1
2 结果与分析
图 2 为试验前后试样表面硬度的变化情况 。 由于 含碳量及生产工艺的不同 , 试验前各试样的硬度由大 到小依次为 :1 号 , 3 号 , 2 号 , 4 号 。由图 2 可见 , 试验 后试样 的 硬 度值 均 有 提 高 。 1 号 试 样 硬 度值 增 加 5 .33 %;2 号试样增 加 6 .78 %;3 号试样 硬度值 增加 26 .25 %;4 号试样增加 20 .89 %。硬度变化的主要原 因是材料在滚动试验中发生塑性变形 , 材料的晶粒发 生滑移 , 产生大量位错 , 出现位错塞积缠 结及相互作 用 , 金属内部位错密度升高[ 4] , 金属抵抗塑性变形的能 力变强 , 使材料表面发生形变强化 , 进而使材料表面硬 度发生变化 , 即硬度升高 。3 号和 4 号试样试验后硬 度增加较大 , 这表明试样试验后的塑性变形更为严重 。 由图 2 还可见 , 不同材料的硬度变化不尽相同 , 含碳量 高时 , 试验后硬度值变化相对较小 , 表明钢轨材料的含 碳量对试验后表面的硬度变化有重要影响 , 而淬火热 处理工艺只是对试验前试样的硬度影响较大 。
钢轨出现疲劳裂纹后 , 裂纹扩展除决定于应力强 度外还 取决 于钢 轨的 磨 损率 。 Kapoo r 等提 及早 年 Paris 和 Eridog an 对单个裂纹扩展速率和表面磨损速 率的关系做过研究[ 2] , 认为对单个裂纹而言 , 车轮每次 通过钢轨时 , 如果裂纹尖端扩展速率大于因表面材料
模拟小轮试样取自钢轨轨头部分 , 试样端面与钢 轨踏面平 行 。 模拟 小轮材 料为 U75V 和 U71M n 钢 轨 , 通过两种热处理方式获得 4 种试样 , 其编号为 1 ～ 4 。表 1 为钢轨材料的化学成分及含量 ;表 2 为试样的 处理 工艺 及机 械 性能 。 模 拟大 轮 材料 的 含 碳量 为
第 31 卷第 2 期 2 00 9年4月
铁 道 学 报 JO U RN A L O F T HE CHI NA RA I LWA Y SO CIET Y
V ol .31 N o .2 A pril 2009
文章编号 :1001-8360(2009)02-0084-04
钢轨滚动疲劳裂纹与磨损耦合关系研究
1 试验
试验在西南交通大学 JD-1 型轮轨模拟试验机上 进行 , 模 拟试 样尺 寸见 图 1 。 试验 采用 赫 兹模 拟准 则[ 3] , 即按照赫兹接触理论 , 使实验室条件下模拟轮轨 试样间的平均接触应力和接触区椭圆的长短半轴之比 与现场相同 , 这样就可以保证实验室条件下模拟轮轨 试样间的摩擦学相互作用过程与现场相似 。
U71Mn 0 .65 ～ 0 .76 0 .15 ～ 0 .35 1 .1 ～ 1 .4 ≤0 .03 ≤0 .03
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图 3 为试验后试样的磨损量 。在相同试验条件 下 , 4 号试样的磨损量最大 , 1 号试样的磨损量最小 , 其 他居中 。 3 号试样的硬度值与 2 号试样相差不大 , 但 3 号的磨损量却比 2 号的大许多 , 这主要是由于 2 号试 样的含碳量比 3 号试样高 , 含碳量的高低可以改变材 料的磨损机制[ 5] 、增加抗磨损能力 , 因此 , 试验后含碳 量较 高 的 U75V 试 样 的 磨 损 量 比 含 碳 量 较 低 的 U71Mn 试样的磨损量低 。试验结果也表明 , 含碳量相 同情况下 , 磨损量与试样的硬度成反比关系 , 即材料硬
Abstract :Alo ng w it h the development o f high-speed heavy-haul railw ay s , w heel-rail rolling w ear and f atigue damages appear t o af fect the safety o f rai lw ay operation serio usly .T he rolling w ea r and fati gue characterist ics of f our specimens m ade of tw o rai l mate rials pro cessed w it h tw o techniques have been investi gated wi th the JD1 w heel-rail t ribolo gical simulation f acility under t he unlubricat ed conditi ons .T he surface hardness , w earing capaci ty and fati gue cracking and so on have been examined wi th the microhardness t est er and elect ronic scanning micro sco pe .T he study show t he f ollo wi ng result s :T here i s a g row t h in t he surf ace hardness o f all specim ens aft er t est ing due t o w o rk hardening ;t he heat-t reat ment technique has an obvious ef fect o n the ro lling wear and f atigue prope rties of the rail m aterials ;being tw o dif ferent m aterial charact eri sti cs , t he w ear resi stance and f atigue resistance can be seen as m utually compe titiv e and rest rictive , in ot he r w o rds , w hile w earing is serious , t he fatig ue damage i s relat ively slight .Increasing t he w earing rat e o f rail , by decreasing t heir carbon cont ent s appropri ately can prolong t he fatig ue life o f the rails . Key words:rail ;rolling wear ;fa tigue crack ;hardness
86
铁 道 学 报
第 31 卷
度越高 , 抗磨损能力越强 , 对应的磨损量越小[ 6] 。对于 同种钢轨材料而言 , 淬火钢轨比热轧钢轨的硬度高 , 故 表现出较好的耐磨性 。 上述试验结果表明 , 经淬火处 理的钢轨材料比热轧钢轨材料的强度大 、硬度高 、耐磨 性较好 ;含碳量直接影响钢轨钢的硬度及抗磨损能力 , 即钢轨含碳量高 , 硬度越高 , 耐磨性越好 。
第 2期
钢轨滚动疲劳裂纹与磨损耦合关系研究
85
磨损对裂纹根部的截断率 , 则裂纹继续扩展 ;反之 , 则 裂纹随着车轮滚动次数增加 , 裂纹长度在不断缩小 , 直 至裂纹彻底被磨掉 。 许多研究也认为钢轨的疲劳与磨 损之间存在着相互制约的关系[ 2] , 主要表现为一定的 磨损利于阻碍疲劳裂纹的形成与扩展 。
为了满足铁路运输的需求 , 铁路部门采取提高列 车轴重 、运行速度 及增加行 车密度等 措施来提 高铁 路的运输能力 , 这些措施会加剧钢轨的磨损和疲劳损
收稿日期 :2007-10-30 ;修回日期 :2007-12-13 基金项目 :国家自然科学基金项目(50675183 ;50875221);
国家 973 计划项目(2007CB714702); 西南交通大学创新团队培育计划项目(2007IR T01) 作者简介 :赵雪芹(1980 —), 女 , 山东烟台人, 讲师 。 E-mail :lqy9065 @yah oo .com .cn
伤[ 1] 。 钢轨疲劳损伤不仅增加运营成本 , 也给行车带 来安全隐患 。因此研究钢轨材料抗疲劳与磨损性能 , 提出预防钢轨疲劳损伤的有效措施具有重要意义 。
0 .62 %～ 0 .77 %, H V 0 .2 ≥241 。 试验参数 :模拟车速 160 km/ h ;曲线半径 800 m ;
轴重 25 t ;摩擦系数 0 .2 ;模拟小轮循环次数 106 。 所 有滚动试验均 在干态下进行 。 利用 MV K-H 21 维氏 硬度仪测量试样试验前后的硬度值 ;用 T G328A 型机 械式光电分析天平通过称重法测量试样磨损量 ;表面
试样编号 1号 2号 3号 4号
表 2 试样的处理工艺及机 械性能
处理工艺
σb/ M Pa δ/ % ψ/ %
U75 V 淬火
≥1200 ≤10 ≤14
U75 V 热轧
≥1000 ≤10 ≤14
U 71M n 淬火 ≥1180 ≤10 ≤14
U71M n 热轧
≥900 ≤10 ≤14
HV 0 .2 359 318 321 301
磨痕 形 貌 和 裂 纹 形 成 情 况 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜
(SEM)观察 。
表 1 钢轨材料的化学成分 及含量
钢轨
C/ %
U 75V 0 .71 ～ 0 .8
Si/ % 0 .5 ～ 0 .8
Mn/ % 0 .7 ～ 1 .05
P/ % ≤0 .0 .12
赵雪芹1, 2 , 王文健1 , 钟 雯1 , 刘启跃1 , 朱旻昊1 , 周仲荣1
(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 , 四川 成 都 610031;2.成都电子机械高等专科学校 机械系 , 四川 成都 610031)
摘 要 :随着高速 、重载铁路的发展 , 轮轨滚动磨 损与疲 劳损伤 严重影 响列车的 运行安 全 。 本文在 JD-1 型轮 轨 模拟试验机上研究干态工况下 2 种钢轨材料在 2 种处理工艺 下 4 种试样 的滚动磨损 及疲劳损 伤性能 , 利用显 微 硬度计和扫描电子显微镜(SEM)对试 样表 面硬度 变化 、磨损 量及 疲劳 裂纹形 成情 况等进 行对 比分 析 。 结果 表 明 , 由于加工硬化作用试验后所有试样 的硬度 均有提 高 ;热 处理工 艺对钢 轨材料的 磨损和 疲劳性 能具有 明显 影 响 ;钢轨的抗磨损与抗疲劳性能是两种不同的材料特 性 , 两者 表现为相互 竞争与制 约的耦合关 系 , 即 磨损严重 时 疲劳损伤表现相对轻微 ;适当降低材料含碳量 , 增加钢轨的磨损率有利于延长钢轨的疲劳寿命 。 关键词 :钢轨 ;滚动磨损 ;疲劳裂纹 ;硬度 中图分类号 :U213 .4 文献标志码 :A doi:10 .3969/ j .issn .1001-8360 .2009.02 .016
(1 .S tat e K ey Laborat ory of T raction Power , S out hw es t Jiaot ong U niversi ty , Chengdu 610031 , Chi na;
2 .D epart men t of M achin ery Engineerin g , Chengdu Elect romechanical College, Chengdu 610031 , China )
Study on Coupling Relation between Rolling Fatigue Crack and Wear of Rail
ZH A O X ue-qin1 , 2 , WA N G Wen-jian1 , Z HO N G Wen1 , LIU Q i-y ue1 , Z H U Min-hao1 , ZH O U Z hong-rong 1
2 结果与分析
图 2 为试验前后试样表面硬度的变化情况 。 由于 含碳量及生产工艺的不同 , 试验前各试样的硬度由大 到小依次为 :1 号 , 3 号 , 2 号 , 4 号 。由图 2 可见 , 试验 后试样 的 硬 度值 均 有 提 高 。 1 号 试 样 硬 度值 增 加 5 .33 %;2 号试样增 加 6 .78 %;3 号试样 硬度值 增加 26 .25 %;4 号试样增加 20 .89 %。硬度变化的主要原 因是材料在滚动试验中发生塑性变形 , 材料的晶粒发 生滑移 , 产生大量位错 , 出现位错塞积缠 结及相互作 用 , 金属内部位错密度升高[ 4] , 金属抵抗塑性变形的能 力变强 , 使材料表面发生形变强化 , 进而使材料表面硬 度发生变化 , 即硬度升高 。3 号和 4 号试样试验后硬 度增加较大 , 这表明试样试验后的塑性变形更为严重 。 由图 2 还可见 , 不同材料的硬度变化不尽相同 , 含碳量 高时 , 试验后硬度值变化相对较小 , 表明钢轨材料的含 碳量对试验后表面的硬度变化有重要影响 , 而淬火热 处理工艺只是对试验前试样的硬度影响较大 。
钢轨出现疲劳裂纹后 , 裂纹扩展除决定于应力强 度外还 取决 于钢 轨的 磨 损率 。 Kapoo r 等提 及早 年 Paris 和 Eridog an 对单个裂纹扩展速率和表面磨损速 率的关系做过研究[ 2] , 认为对单个裂纹而言 , 车轮每次 通过钢轨时 , 如果裂纹尖端扩展速率大于因表面材料
模拟小轮试样取自钢轨轨头部分 , 试样端面与钢 轨踏面平 行 。 模拟 小轮材 料为 U75V 和 U71M n 钢 轨 , 通过两种热处理方式获得 4 种试样 , 其编号为 1 ～ 4 。表 1 为钢轨材料的化学成分及含量 ;表 2 为试样的 处理 工艺 及机 械 性能 。 模 拟大 轮 材料 的 含 碳量 为
第 31 卷第 2 期 2 00 9年4月
铁 道 学 报 JO U RN A L O F T HE CHI NA RA I LWA Y SO CIET Y
V ol .31 N o .2 A pril 2009
文章编号 :1001-8360(2009)02-0084-04
钢轨滚动疲劳裂纹与磨损耦合关系研究