陳 威，國(guó)新春，寧 珅，王 翔，朱 明

（寶武集團(tuán)馬鋼交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

在鐵路運(yùn)輸正朝高速重載方向發(fā)展趨勢(shì)下，車(chē)輪運(yùn)行安全越來(lái)越受到人們的關(guān)注。經(jīng)各車(chē)輪生產(chǎn)廠家不斷進(jìn)行技改和革新，實(shí)物質(zhì)量已有很大提高，車(chē)輪產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重危害列車(chē)運(yùn)行安全的掉塊和崩輪現(xiàn)象已經(jīng)很少。但車(chē)輪踏面出現(xiàn)表面損傷缺陷（如剝離、剝落、熱裂紋等）卻時(shí)有出現(xiàn)。這些缺陷一般深度小于5 mm，鏇修后可繼續(xù)再用，但增大使用部門(mén)的維護(hù)工作量，縮短車(chē)輪使用壽命。尤其這些缺陷直接導(dǎo)致車(chē)輪踏面外形不規(guī)則，使列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生高的輪/軌動(dòng)態(tài)力。這些力破壞了軌道結(jié)構(gòu)和車(chē)輛部件，是鐵路運(yùn)行安全的潛在隱患。

1 表面缺陷主要類(lèi)型

從表現(xiàn)形式，車(chē)輪表面缺陷主要分為剝離、剝落、熱裂紋等三種，缺陷形貌如圖1所示。

圖1 車(chē)輪表面缺陷形貌

剝離主要出現(xiàn)在踏面中部偏輪緣處，一般為局部出現(xiàn)，也可沿周向連續(xù)分布。缺陷邊緣處有細(xì)小裂紋，裂紋形貌呈馬蹄狀。深度一般小于5 mm。剝落是小塊金屬脫落后形成，深度小于1 mm，散布于整個(gè)踏面，使踏面呈麻臉狀，俗稱(chēng)麻點(diǎn)。熱裂紋主要出現(xiàn)在踏面中部，基本垂直于外側(cè)面，呈刻度式分布。

2 表面缺陷形成原因及分析

車(chē)輪運(yùn)行的環(huán)境比較惡劣，一般來(lái)講，能引起車(chē)輪產(chǎn)生表面缺陷的因素主要有三種：輪軌滑動(dòng)、踏面制動(dòng)、接觸疲勞。

車(chē)輪產(chǎn)品在出廠時(shí)，原始的基體組織為細(xì)珠光體+鐵素體。車(chē)輪初始?xì)堄鄳?yīng)力為周向壓應(yīng)力。初始?xì)堄鄩簯?yīng)力對(duì)防止表面缺陷產(chǎn)生很有幫助。裂紋通常產(chǎn)生于車(chē)輪踏面，而踏面周向殘余壓應(yīng)力有阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的效果。

輪軌滑動(dòng)是指輪軌間粘著力不夠，如制動(dòng)力和牽引力過(guò)大，車(chē)輪與軌面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。車(chē)輪在運(yùn)行時(shí)，滾動(dòng)和滑動(dòng)是并存的，當(dāng)運(yùn)行速度越快，滾動(dòng)所占的比例就會(huì)越高。因此輪軌滑動(dòng)在車(chē)輪運(yùn)行過(guò)程中是一種很常見(jiàn)的現(xiàn)象。這種滑動(dòng)可使踏面超過(guò)材料的相變溫度。觀察顯微組織可以發(fā)現(xiàn)在表層有一層薄薄的馬氏體層，如圖2所示。馬氏體層的出現(xiàn)反映熱影響的劇烈程度。劇烈滑動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，熱影響區(qū)金屬由于溫升產(chǎn)生熱膨脹，對(duì)周?chē)w金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，這些應(yīng)力甚至超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，使金屬發(fā)生了塑性變形。當(dāng)冷卻下來(lái)時(shí)，表層金屬發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成馬氏體。這種馬氏體組織硬且脆，韌性值較差。在該層金屬經(jīng)受熱/機(jī)械循環(huán)載荷反復(fù)作用下，殘余應(yīng)力與輪軌接觸應(yīng)力生成的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子超過(guò)了材料的裂紋萌生門(mén)檻值后，在產(chǎn)生相變的表層金屬內(nèi)部和應(yīng)力轉(zhuǎn)換區(qū)域裂紋將開(kāi)始萌生。

圖2 車(chē)輪表面馬氏體層

裂紋擴(kuò)展主要受輪軌接觸產(chǎn)生的剪切應(yīng)力場(chǎng)主導(dǎo)，如圖3所示。當(dāng)裂紋沿與徑向呈一定角度向深層擴(kuò)展時(shí)，由于剪切應(yīng)力場(chǎng)逐步衰減以及深層金屬殘余壓應(yīng)力場(chǎng)阻礙作用，裂紋向里擴(kuò)展到一定距離后（一般踏面下5 mm以?xún)?nèi)），將擇優(yōu)向表層擴(kuò)展。當(dāng)輪軌接觸狀態(tài)較好時(shí)，熱影響層均勻分布，表面周向裂紋可能貫通，表層局部連續(xù)區(qū)域金屬脫落，形成剝離。當(dāng)輪軌接觸狀態(tài)不好時(shí)，車(chē)輪踏面只是局部一些點(diǎn)與輪軌產(chǎn)生滑動(dòng)，產(chǎn)生一些過(guò)熱斑，這些過(guò)熱斑就是熱影響區(qū)。由于過(guò)熱斑在踏面上呈分散獨(dú)立的點(diǎn)狀區(qū)域分布，在各區(qū)域產(chǎn)生的裂紋源擴(kuò)展時(shí)很難相互貫通，因此這些過(guò)熱斑最后只能單獨(dú)形成小塊點(diǎn)狀剝落，分布于整個(gè)踏面。

圖3 表面裂紋擴(kuò)展

制動(dòng)剝離一般發(fā)生在踏面閘瓦制動(dòng)的車(chē)輪上，分布于踏面與閘瓦接觸的整個(gè)圓周部位，是踏面發(fā)生較多的一種剝離類(lèi)型。車(chē)輪踏面制動(dòng)剝離前產(chǎn)生的熱裂紋起源于熱影響層的馬氏體白層處，熱影響層的厚度和熱應(yīng)力只取決于摩擦熱及其持續(xù)的時(shí)間和溫度梯度，馬氏體白層硬度很高是萌生裂紋的主要原因，裂紋的擴(kuò)展速率和擴(kuò)展方向與車(chē)輪的殘余應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

熱裂紋擴(kuò)展有兩種形態(tài)，一種在擴(kuò)展初期與踏面傾斜，另一種在擴(kuò)展初期與踏面垂直。在擴(kuò)展初期裂紋走向就與踏面傾斜，說(shuō)明熱影響區(qū)較小，裂紋在擴(kuò)展初期時(shí)就受到強(qiáng)烈的阻礙作用。這種情況一般出現(xiàn)在車(chē)輪踏面表面狀態(tài)不好時(shí)，或合成閘瓦與車(chē)輪踏面貼合不太好時(shí)。在踏面表層只是某些局部區(qū)域受到熱影響。熱影響以外區(qū)域殘余壓應(yīng)力沒(méi)有受到削弱，所以這種熱裂紋只能在很小區(qū)域內(nèi)周向擴(kuò)展，造成金屬脫落，形成剝落。

裂紋在初期擴(kuò)展方向與踏面垂直，說(shuō)明產(chǎn)生這種裂紋的熱影響區(qū)較大，裂紋是完全穿透熱影響區(qū)后才受到阻礙，在端部產(chǎn)生分叉，偏離徑向發(fā)展。由于這種情況的熱影響區(qū)較大，裂紋在偏離徑向發(fā)展時(shí)可能相互貫通，造成連續(xù)塊狀金屬脫落，形成剝離。

接觸疲勞損傷也是引起車(chē)輪出現(xiàn)表面損傷的重要因素之一。輪軌接觸產(chǎn)生周期性變化的應(yīng)力場(chǎng)使得車(chē)輪踏面下產(chǎn)生累計(jì)殘余應(yīng)變。產(chǎn)生應(yīng)變的主要方式是滑移。循環(huán)應(yīng)變的滑移首先在它面表層形成，然后逐漸擴(kuò)展至內(nèi)部，形成持久滑移帶。隨著滑移不斷進(jìn)行，裂紋核心就由此而產(chǎn)生。裂紋源的擴(kuò)展則受接觸應(yīng)力主導(dǎo)。一般包括兩個(gè)階段，第Ⅰ階段裂紋沿著與踏面成45°方向擴(kuò)展；第Ⅱ階段裂紋擴(kuò)展的方向變?yōu)槠叫杏诮佑|面。

3 減緩踏面剝離的實(shí)用性措施

3.1 運(yùn)行過(guò)程中的防護(hù)措施

1）粘著控制不良，機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)頻繁、卸載嚴(yán)重、起坡困難及加速性能差等問(wèn)題，這種運(yùn)行情況極易加劇車(chē)輪踏面剝離。這對(duì)于重載機(jī)車(chē)更為重要。優(yōu)化粘著控制系統(tǒng)、優(yōu)化機(jī)車(chē)控制程序，有利于改變這一現(xiàn)象。

2）破碎均勻性差的砂、含黏土且濕度較大的河沙、顆粒不均勻的砂都會(huì)加劇輪軌踏面的剝離發(fā)生，所以按用砂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用石英含量高、干燥、砂粒均勻（沙子粒度0.5～1.0 mm）的砂子有利于減少剝離現(xiàn)象。

3.2 維修與維護(hù)過(guò)程中的防護(hù)

1）工藝改進(jìn)，陳剛等人發(fā)現(xiàn)新造車(chē)輪踏面剝離發(fā)生率明顯高于已鏇修車(chē)輪，鏇修后踏面剝離發(fā)生率明顯降低[1]。一次鏇修后車(chē)輪踏面約對(duì)應(yīng)新造車(chē)輪踏面5~10 mm，常規(guī)熱處理決定了新造車(chē)輪與一次鏇修后車(chē)輪在踏面的表層狀態(tài)上必然存在差異，新造車(chē)輪踏面表層存在5~7 mm深的貝氏體+珠光體復(fù)合組織層，而一次鏇修車(chē)輪主要以珠光體為主。因此使新造車(chē)輪踏面表層狀態(tài)與一次鏇修后的車(chē)輪踏面表層狀態(tài)相近，能減少車(chē)輪早期踏面剝離。

2）加強(qiáng)車(chē)輪的探傷技術(shù)，杜絕車(chē)輪內(nèi)部質(zhì)量缺陷，同時(shí)優(yōu)化車(chē)輪結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度、減少車(chē)輪應(yīng)力集中、改善加工工藝及縮短有效制動(dòng)時(shí)間等都可防止踏面剝離的發(fā)生，提高車(chē)輪的使用壽命。

3.3 輪軌材料的改進(jìn)

開(kāi)發(fā)新材料，提高車(chē)輪抗磨損與接觸疲勞的能力[2]。在現(xiàn)有車(chē)輪鋼的基礎(chǔ)上，添加合金元素和利用不同熱處理工藝等，可有效提高車(chē)輪踏面的強(qiáng)度、韌性及接觸疲勞特性，減輕車(chē)輪對(duì)裂紋、擦傷和剝離的敏感性，增強(qiáng)其抗剝離的性能。

4 結(jié)論

從以上分析可以得出，引起車(chē)輪表面缺陷的因素是比較復(fù)雜的。但總的來(lái)講可以歸納為以下幾點(diǎn)。

表面缺陷裂紋源的產(chǎn)生原因可以分為熱影響和接觸疲勞兩種。無(wú)論是輪軌滑動(dòng)模型，還是踏面制動(dòng)模型，最初都是以熱影響的形式切入的。接觸疲勞產(chǎn)生是不可避免的，要減少接觸型損傷的發(fā)生，只有靠提高材料的屈服強(qiáng)度，有效提高車(chē)輪的接觸疲勞特性，考慮材料的強(qiáng)度和韌性組合等。

裂紋源擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力主要是熱/機(jī)械疲勞的綜合作用。

雖然熱影響對(duì)車(chē)輪表層金屬的殘余壓應(yīng)力有影響，但車(chē)輪輪輞整體殘余應(yīng)力還是處在壓應(yīng)力狀態(tài)。所以即使裂紋源初始有向徑向擴(kuò)展的趨勢(shì)，最終還是要受到輪輞殘余壓應(yīng)力的阻礙作用而向周向擴(kuò)展。