張關震，任瑞銘，吳 斯，張澎湃，叢 韜，趙方偉，高俊莉

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 標準計量研究所，北京 100081)

車輪是鐵路機車車輛走行系統(tǒng)的核心部件，其服役安全受到高度關注[1-2]。尤其是近年來隨著國內(nèi)鐵路高速、重載技術的快速發(fā)展，對車輪材料的組織均勻性和綜合性能提出了更高的要求[3-4]。目前，我國鐵路車輪主要采用顯微組織為珠光體和鐵素體的中碳鋼材料，其在服役過程中最常見的失效形式是踏面損傷，如踏面擦傷、裂紋、剝離等[5-6]。近期，我國動車組車輪就發(fā)生了幾起踏面剝離損傷，經(jīng)統(tǒng)計，這些車輪失效時的走行公里數(shù)均未超過30萬km，遠低于動車組車輪240萬km的正常服役壽命。動車組車輪踏面過早的出現(xiàn)剝離損傷不僅會影響其運行安全，而且也會加重車輪鏇修或換輪的頻次，增加車輪的維護成本，即在降低車輪使用壽命的同時也帶來了巨大的經(jīng)濟損失。通過對這些故障車輪的初步分析發(fā)現(xiàn)，車輪踏面表層中存在的不均勻組織與車輪踏面過早的出現(xiàn)剝離損傷有著密切的相關性[7]。但目前對于車輪不均勻組織的類型及其導致車輪踏面過早出現(xiàn)剝離的作用機理尚不明確。

本文以某型動車組過早出現(xiàn)踏面剝離損傷的典型車輪為研究對象，對其損傷區(qū)域的微觀組織結構、微區(qū)性能和成分進行深入研究，并探討不均勻組織的形成原因及其對踏面剝離的影響機制。該研究旨在為改進和提高車輪制造質量，防止此類車輪損傷的再次發(fā)生提供理論指導。

1 試驗內(nèi)容及方法

試驗對象為某型動車組服役77 953 km發(fā)生踏面剝離的典型失效車輪，該車輪為BS:EN13262:2004+A2:2011標準(以下簡稱EN標準)中的ER8牌號。按照EN標準要求分別對失效車輪的化學成分及主要性能進行了測試，測試結果分別見表1、表2。

表1 車輪化學成分的測試結果及標準要求(質量分數(shù)) %

表2 車輪主要性能的測試結果及標準要求

采用鋸切法在車輪踏面剝離處切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后(金相腐蝕液：4%硝酸酒精)，分別采用Leica DMI5000M型光學顯微鏡(OM)，F(xiàn)EI Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)以及Tecnai G2 F30 S-TWIN型場發(fā)射高分辨透射電鏡(TEM)對剝離處的微觀組織及損傷特征進行觀察。金相試樣的取樣位置及觀察面如圖1所示。

圖1 金相試樣取樣位置及觀察面示意圖

采用FM-7型數(shù)字式顯微硬度計測試不均勻組織微區(qū)的硬度，試驗載荷為4 900 N，加載時間為10 s。采用Nanoindenter XP型納米壓痕儀測試不均勻組織微區(qū)的彈性模量及壓痕加載—卸載位移曲線，試驗儀器的位移精度為0.01 nm、載荷精度為50 nN，儀器可加載的最大載荷為600 mN、最大深度為500 μm。

采用ULVAC-PHII 710型原位掃描俄歇探針測試車輪踏面剝離損傷處的微區(qū)組織成分，通過線掃描方式得到不均勻組織微區(qū)的成分差異。俄歇探針的分辨率為8 nm，探針為同軸式電子能量分析器，電子能量偵測范圍為30～2 400 eV，靈敏度大于700 kcps。儀器配有離子濺射系統(tǒng)，用于試驗過程中試樣的表面清潔和深度剖析。

2 試驗結果的分析及討論

2.1 宏觀形貌

失效車輪踏面的宏觀形貌及其局部剝離處的放大形貌如圖2所示。由圖2可見：車輪踏面輪軌接觸區(qū)域中部(距外側面40～55 mm)沿整個圓周方向斷續(xù)分布有剝離損傷；部分剝離坑中可觀察到起自踏面表層(裂紋源)并向輪輞內(nèi)部擴展的貝紋狀疲勞條帶存在，呈現(xiàn)典型的滾動接觸疲勞損傷特征[8]。

圖2 失效車輪踏面損傷形貌

車輪踏面剝離處的金相觀察面形貌如圖3所示。由圖3可見：金相觀察面呈現(xiàn)出不均勻的襯度(黑白相間)，尤其在車輪踏面下10 mm區(qū)域內(nèi)，可觀察到明顯有別于車輪基體暗黑色襯度(踏面下10 mm區(qū)域外)的白色帶狀組織分布其中，由此初步判斷該區(qū)域的組織存在不均勻性。

圖3 車輪踏面剝離處的金相觀察面形貌

2.2 微觀組織結構

對不均勻組織分別進行OM，SEM及TEM表征，其形貌分別如圖4、圖5和圖6所示。由圖4可見，車輪中除正常的珠光體(P)+鐵素體(F)組織(基體組織)外，還發(fā)現(xiàn)明顯有別于基體形貌的異常組織。通過對不均勻組織進一步的放大表征，見圖5、圖6，可以確定有別于基體組織的異常組織為上貝氏體組織(B)。上貝氏體組織的形貌、結構與車輪的基體組織不同，其組織中的碳化物多以島鏈狀分布于鐵素體板條間，而基體組織中的滲碳體呈片層狀特征[9]。因此，上貝氏體組織的存在破壞了車輪基體組織的連續(xù)性，造成了車輪組織的不均勻。

圖4 車輪踏面不均勻組織的OM形貌

對車輪踏面剝離損傷處進行OM觀察，結果如圖7所示。由圖7可見，踏面裂紋的萌生主要出現(xiàn)在踏面表層不均勻組織處，這些組織伴有明顯的塑性變形特征(表層組織的塑變積累被認為是車輪踏面發(fā)生滾動接觸疲勞損傷的前提[10])；裂紋沿塑性變形的流線方向擴展，且多發(fā)生在不均勻組織(上貝氏體和基體組織)的交界處。因此，推測車輪踏面裂紋的萌生及擴展應與上貝氏體和基體組織的性能差異有關。

圖5 車輪踏面不均勻組織的SEM形貌

圖7 踏面剝離損傷處的OM組織

2.3 微區(qū)性能

分別采用顯微硬度計和納米壓痕儀對車輪踏面不均勻組織的微區(qū)性能進行了表征，獲得上貝氏體和基體組織硬度、彈性模量的測試結果如圖8所示，以及能夠反映兩者塑性變形能力的壓痕加載—卸載位移曲線如圖9所示。

圖8 不均勻組織(上貝氏體和基體組織)顯微硬度及彈性模量的測試結果

圖9 不均勻組織(上貝氏體和基體組織)壓痕加載—卸載曲線及測試位置

由圖8可見，上貝氏體組織顯微硬度的均值為278 HV0.5，彈性模量為205.6 GPa，均明顯高于車輪基體組織，基體組織的顯微硬度均值為269 HV0.5，彈性模量為172.3 GPa。

由圖9可見，在相同位移條件下，上貝氏體組織的最大加載載荷達到了82.5 mN，基體組織的最大加載載荷為62.1 mN，即在不均勻組織(上貝氏體和基體組織)變形程度相同的條件下，上貝氏體組織比基體組織所需的載荷更大；換言之，在相同載荷條件下，上貝氏體組織發(fā)生塑性變形的程度較基體組織要小。

綜合以上測試結果可知，上貝氏體組織和基體組織的微區(qū)性能存在差異，即上貝氏體組織的硬度、彈性均高于珠光體和鐵素體構成的基體組織，但塑性小于基體組織。因此，對于踏面存在不均勻組織(含有上貝氏體和基體組織)的車輪來說，在相同運用載荷下，踏面表層基體組織將先發(fā)生塑性變形，而上貝氏體組織仍處于彈性變形狀態(tài)，兩者變形難易程度的不同，造成了兩者組織邊界形成應力集中，進而促使疲勞裂紋的萌生和擴展。該分析結果與踏面剝離損傷處所呈現(xiàn)的組織形貌相對應(如圖7所示)，也闡明了踏面裂紋的萌生與擴展多發(fā)生在表層不均勻組織處的原因。

2.4 微區(qū)組織成分

采用俄歇探針測試了車輪踏面不均勻組織的成分，微區(qū)組織成分的線掃描結果如圖10所示。由圖10可見，上貝氏體組織所在區(qū)域的C和V元素含量明顯高于基體組織所在區(qū)域。因此，合金元素的偏析是造成車輪上貝組織形成，進而引起組織不均勻的原因。

圖10 車輪不均勻組織微區(qū)成分的俄歇線掃描結果

車輪中合金元素的改變將直接影響到車輪材料的連續(xù)冷卻轉變曲線(CCT曲線)，改變車輪鋼向珠光體+鐵素體(正常組織)轉變的冷卻速度[11]。由于鐵路車輪均采用踏面淬火的工藝，即車輪踏面表層區(qū)域的冷卻速度最高，因此在車輪熱處理參數(shù)不變的情況下，合金元素的變化會增大車輪鋼(胎)坯處形成上貝氏體組織的概率[12-13]。若上貝氏體組織在車輪鋼坯表層的形成具有一定深度，則后續(xù)也難以通過車輪制造的機加工工序去除(受成品車輪特定尺寸規(guī)格的限制)，最終將殘留在成品車輪的踏面表層，破壞車輪基體組織的均勻性。此外，上貝氏體組織的形態(tài)通常也會因鋼中微區(qū)成分和形成溫度的不同而有所變化，當微區(qū)中碳元素的含量增加時，上貝氏體組織中其鐵素體板條會逐漸變薄，滲碳體量開始逐漸增多，并由粒狀形貌逐漸向鏈狀甚至短桿狀形貌過渡[14]。這與該失效車輪上貝氏體組織中的滲碳體多呈現(xiàn)島鏈狀分布的形貌特征相吻合(如圖6所示)。

因此，通過對車輪踏面不均勻組織微區(qū)成分的分析表明，車輪制造過程中，應控制合金元素的添加量，并配以合理的熱處理參數(shù)，可有效減小或避免成品車輪中殘留上貝氏體組織的可能。

3 結 論

(1)過早出現(xiàn)踏面剝離損傷的ER8車輪，其踏面表層發(fā)現(xiàn)有上貝氏體組織存在。上貝氏體組織的微區(qū)形貌及結構與車輪正常的珠光體+鐵素體組織存在顯著區(qū)別，破壞了車輪正常組織的連續(xù)性，引起了車輪組織的不均勻。

(2)車輪踏面的剝離呈現(xiàn)典型的滾動接觸疲勞損傷特征，剝離主要發(fā)生在車輪踏面表層不均勻組織處，不均勻組織中上貝氏體組織的硬度(278HV0.5)是基體組織(269HV0.5)的1.03倍，彈性(205.6 GPa)是基體組織(172.3 GPa)的1.19倍，其塑性變形的程度不如基體組織明顯。上貝氏體與基體組織在硬度、彈性以及塑性性能上的差異，是造成兩者在相同服役載荷作用下、組織交界處形成應力集中，進而誘發(fā)并促進車輪踏面疲勞裂紋萌生和擴展，最終形成了滾動接觸疲勞剝離的主要原因。

(3)不均勻組織中上貝氏體組織的形成是車輪中C和V合金元素的偏析所致?？刂栖囕喼圃爝^程中合金元素的添加含量，并配以合理的熱處理工藝，可有效減小或避免成品車輪中殘留上貝氏體組織的可能，獲得組織均勻的成品車輪，避免車輪此類損傷的再次出現(xiàn)。