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《西南交通大学》 2017年
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高速轮轨材料滚动摩擦损伤及白层形成机理研究

周琰  
【摘要】:中国当前铁路发展迅速,轮轨间动态行为和摩擦过程对行车安全愈发重要。轮轨对磨副之间的摩擦学问题,既有未解的科学问题,也是重要的工程应用问题。轮轨滚动摩擦白层一直被认为与轮轨滚动接触疲劳损伤有关,由于该结构在实际工况中出现的偶然性和随机性,一直以来虽有研究,但相对问题存在争议,例如白层的微观结构、其相变机制、对材料损失的影响等。本论文从摩擦学和材料学角度切入,进行轮轨材料滚动摩擦表界面摩擦化学作用和摩擦浅表层组织转变机理的研究,揭示了轮轨滚动接触过程中材料损伤的本质特征,即白层的形成机制,这对延长当前高速重载铁路用材的服役寿命具有重要理论意义和实际价值。本论文在MMS-2A滚滑试验机上,基于不同载荷、速度和滑滚比进行了轮轨滚动接触模拟试验,针对京沪高速铁路用钢轨U71MnG和车轮ER8配副的材料,研究其滚动接触磨损和材料损伤演变。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)、光电子能谱(XPS)、电子探针(EPMA)、白光干涉表面形貌仪等手段,对试验后的磨痕及剖面进行了分析检测;利用X射线衍射分析(XRD)、聚焦离子束(FIB)、透射电镜(TEM)、原位纳米力学测试系统对轮轨滚动摩擦白层进行成分和结构的定点定位分析表征。完成的主要工作和取得的主要结论如下:(一) 轮轨滚动接触过程中参数对于磨损行为的影响针对U71MnG钢轨和ER8车轮珠光体钢材料组成的摩擦副,分别从磨损量、损伤形貌、硬度变化和浅表层组织变形行为考察了不同试验参数(载荷、速度、滑滚比)对轮轨材料滚动接触摩擦磨损行为的影响,研究总结了试验载荷、速度和滑滚比等参数对轮轨材料浅表层硬度演变的影响规律。其中,重点研究了滑滚比参数对轮轨滚动摩擦磨损行为的影响,发现该参数影响轮轨材料浅表层的塑性变形行为,且与摩擦磨损机制的转变具有密切相关性。随着滑滚比增加,摩擦磨损机制从轻微氧化磨损向疲劳磨损转变,并伴随着逐渐严重的磨粒磨损行为。(二)滚动接触界面材料摩擦化学行为研究目前几乎未有相关轮轨滚动接触界面间的摩擦化学作用的研究报道。近似纯滚和滚-滑摩擦的轮轨材料磨损行为在摩擦系数和磨损形貌上都存在较大差异,具体表现为轮轨材料滚动接触界面形成光滑的摩擦化学反应膜。研究表明摩擦化学反应膜是由铁及其氧化物组成,具体为Fe、FeO和Fe2O3。摩擦界面氧化膜区、剥落区、未磨损基体区的XPS测试结果表明不同区域吸附的各元素原子成分比例不一样,氧化膜区具有抗氧化的作用,未磨损区倾向于形成更多Fe2O3铁锈,而剥落区则会继续被氧化形成氧化膜。(三)轮轨材料滚动摩擦浅表层组织转变及其形成机理基于特定的滑滚比,轮轨材料滚-滑动过程中浅表层组织会形成摩擦学转变结构,即白层。通过SEM形貌发现白层结构的“白”主要是组织均匀性的体现,且无珠光体特征,其晶粒尺寸为纳米尺度。白层结构为典型的梯度结构,其附近浅表层组织的形貌特点由表层的无特征过渡为颗粒状组织再到严重塑性变形的珠光体组织逐渐转为轻微变形的珠光体组织;其显微硬度和纳米硬度测试值均表现为由表及里逐渐降低,最表层组织硬度值约12GPa,为基体硬度值的三倍。EPMA面成分分布图显示了其化学成分的不均匀性,碳元素含量在局部偏低,可能是珠光体结构中渗碳体分解的结果;白层XRD衍射图中铁素体相的(110)峰发生宽化并向低角度方向偏移,其TEM电子衍射图呈现多晶环,揭示了白层是由纳米晶铁素体,体心四方(BCT)的马氏体以及极少量颗粒渗碳体组成。从而,精确揭示了轮轨材料滚动摩擦白层的精细结构。此外,白层材料表征中未检测到面心立方(FCC)的奥氏体,基本可排除白层中的马氏体是热作用机制下的产物,而白层的纳米结构和渗碳体结构的溶解则说明了塑性变形机制是形成白层及白层中的马氏体的驱动力,即揭示了滚动摩擦白层的形成以塑性变形机制进行。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U211.5

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