D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.06.00M 第15卷第6期 北京科技大学学报 Vol.15 No.6 1993年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1993 轨钢磨损行为的试验+ 李怀明 杨 让* 摘要：在实验室条件下用圆盘试样模拟了钢轨的接触条件。研究了滑差和接触应力对珠光体轨 钢磨损行为的影响。通过滚磨表面下扫描电镜观察及测试，分析了磨损过程中的磨损形式及其相 互作用机理，结果表明，磨损速率随滑差而增大，滑差增至%时，达到极限摩擦系数。磨损量与滑 动摩擦功呈线性关系，与滑动距离成正比。干磨条件下，表层组织发生强烈的塑性形变，使组织 沿平行于表面层状分布。粘附磨损和疲劳磨损是轨钢的主要磨损形式。 关键词：轨钢，磨损，疲劳磨损，粘着磨损。粘附磨损，磨损速率 中图分类号：U213.42 A Testing Investigation of Wear Behaviour for a Rail Steel Li Huaiming* Yang Rang* ABSTRACT:The contact condition of rail was simulated with twin-disk in laboratory. Effects of creepages and contact stresses on wear behaviours in pearlitic rail steel have been studied.based on the appearance observations and surveying below surface by SEM.the wear forms and their mutual effects in wear process have been approached.It is concluded that wear rates increase with both creepage level and contact pressure.The friction coefficients in- crease with creepages and when creepages rise to 4%.the limiting friction coefficient is reached. Mass loss is linear with sliding friction works and in proportion to sliding distances. Microstructures below surface show intense plastic deformation in dry wear and lamellarly dis- tribute aling the direction of paralleled with surface.Adhesive wear and surface-fatigue wear are the two major wear forms in rail steel. KEY WORDS rail steel,wear,fatigue wear,adhesive wear,sticking-wears.wears-rates 磨损是钢轨的主要失效方式之一。随着轴重、行车速度及运输密度的提高，钢轨的磨损 破坏愈加严重。钢轨服役时的磨损行为较为复杂，通常包括多种机制，如粘附磨损、磨粒磨 损和疲劳磨损等。有时是一种机制在作用，有时几种机制叠在一起，随摩擦应力的积累而变 199-07-02收稿第一作者：男、32岁、工程师、博士、现在冶金工业部工作 +国家“七五”攻关项目 ·材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering)
第 15 卷 第 6 期 1 9 9 3 年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 为 u m a l o f U而 v e sr i yt o f S c l e n ce a n d T Ce h n o l o g y B eij ign V o l , 1 5 N o . 6 1) 汉 . 1 9 9 3 轨钢磨损行为 的试验 + 李怀明 书 杨 让 爷 摘要 : 在实验室条件下用 圆 盘 试样模拟 了 钢轨 的接触条件 。 研究 了滑 差和 接触应力对珠光体轨 钢磨 损行 为的影 响 。 通 过滚磨表 面下 扫描电 镜观 察及 测 试 , 分析了 磨损过程中的磨损形式 及其相 互 作 用机理 。 结 果表明 , 磨损速率随滑差而增大 , 滑 差增至 4% 时 , 达到极限摩擦系数 。 磨损量 与滑 动摩擦功呈 线性关 系 , 与滑 动距 离成 正 比 。 干磨 条件下 , 表层组织 发生强烈的塑性 形变 , 使组织 沿 平行于表 面层 状分布 。 粘 附磨 损和疲劳磨损是轨钢的 主要磨 损形式 关键词 : 轨钢 , 磨损 , 疲 劳磨 损 , 粘着磨损 , 粘附磨损 , 磨损 速率 中图分类号 : U 21 3 . 42 A T es tign I n ves t ig a t i o n o f V无a r B e h a v i o ur fo r a R a il S et el L i H u a i n , i” 夕* aY n g R a ” g * A B S T R A C T : hT e co n at ct co n d it i o n o f ar 让 aw s s 】r n u al det w it l l t iw n 一 d is k in I a b o 比ot yr . E 环沈朽 o f c l℃亡 P a 笋 a n d co n at ct s t esr s骂 o n awe r b e h a v i o u sr i n P份lr it i e m il s t el h a v e b e n s ` u d过 · b a s de o n `h e a p p份ar 哩 I〕卜旦卿a 娜 a 耐 “ u 伪 ey i n g belo w s u血沈 b y S EM , t h e ~ r fo ns a n d t h e 正 mu t u a l e任沈ts i n 认钱火r P or 璐5 h a ve h 戈 n a P P or a hc 时 . It 15 co n d u d ed t h a t W e a r m 媲 i n e盼 s e iw t h b o t h c 代℃ P a ge l e v e l a nd co n t a ct P esr s u er . hT e ifr ct i o n co e 币e len st i n - ~ se iw ht cer p a g es a n d w h e n C 氏℃p a g巴 isr e ot 4 % , ht e 11而t ign ifr itC o n co ief 以en t is 心hc ed . M a s s 1 0 55 is iln 以r iw ht s lid i n g ifr ct i o n wo ksr a dn i n Por P o irt o n ot s il d ign d is at n 渊 . M i cor s t ur ct u esr be lo w s u far ce s h o w i n et sn e P l a s ti e d efo ~ t i o n i n d巧 ~ r a n d l a 功 e ll a lyr d is - itr b u et a li n g t h e d i践犯 t io n o f P a 份 le led iw t h s u 血优 . A d h岛 ive 场号里r a dn s u 血ce 一 fa t ig u e 认 le 刁 r a er ht e t w o 创Uo r w e a r fo sn in ar il s t 。 日 . K E Y WO R I粥 : 以 l s t e l , v 茂分 r , fa it g u e w 已l r , a d h es ive w e a r , s t ick i n g 一 w e a sr , w e a 巧 一 m 洛 磨损是钢轨 的主要 失效 方 式之 一 。 随着 轴重 、 行 车速 度及 运 输密度 的提 高 , 钢轨 的磨 损 破 坏愈加 严重 。 钢轨服 役 时的 磨损 行 为较 为复杂 , 通 常包 括 多 种机制 , 如粘 附磨 损 、 磨粒磨 损 和疲劳 磨损 等 。 有时 是 一种 机制 在作 用 , 有 时儿种 机制 叠在 一起 , 随摩 擦 应力 的积 累而变 1 叨3 一 07 一 02 收稿 第一 作者 : 男 , 32 岁 , 工 程师 , 博 士 , 现在 冶 金二「业部工作 + 国 家 习 七 五 ’ 攻 关项 目 * 材料 科学与 工 程 系 ( eD p a rt men t o f M a t en a l s 及ien ce 即d E n gl n哟 n g ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 06. 004
.562. 北京科技大学学报 1993年No.6 化。由磨擦力引起的塑性形变及摩擦热会改变滚磨表面区域组织的物理和化学性能，直接 影响了钢轨的磨损行为。本文在实验室条件下，通过模拟轮/轨间的接触条件，研究了磨 损过程中显微组织的变化与磨损形式的关系，并对U71M轨钢的磨损机制进行探讨。 1 试验方法 1.1试样及试验设备 磨损试验是在M一200型磨损试验机上进行的。采用双圆盘对滚试样以模拟轮/轨间 的接触条件，其中上试件代表钢轨（磨损试样），下试件为摩擦副。上、下试件转速分别为 180r/min和200r/min,相对滑差由下式给出： Y=(1-R,N,/R2·N2) (1) 式中R、R,和N,N,分别为上、下试件半径和转速。滑差的增减是通过改变上试件直径实 现的，（如表1所示），下试件直径不变，为36m。根据施加载荷和试件尺寸，由赫芝公式 计算最大线接触应力.通过试验机的积分机构按下式计算摩擦功Q: 2=100nM (2) 其中：M为摩擦力矩量程，n是试验机上与摩擦盘接触的小滚轮转数。平均摩擦系数∫为： f=2/2π·R2·N2·P (3) 式中P为试件所承受的垂直载荷。 磨损失重用GT2A型精密分析天平称量、量程500g,感量0.1g。 1.2试验材料及热处理工艺 上、下试件均采用U71Mn钢轨钢，化学成分为(%)：C-0.70,Si-0.26,Mn-1.25, P-0.019,S-0.03.试样加工后热处理。磨损试样经850℃、1h奥氏体化，550℃、20mi 等温，得到硬度为30.7HRc的细片状珠光体组织；下试件奥氏体化后淬火，在520℃回火 1h得到回火索氏体组织，硬度(38.5HRc)与实际车轮硬度相近。热处理均在盐浴炉中 进行，试样处理后精磨至设定尺寸用于试验， 1.3试验条件 磨损试验条件如表1所示。磨损试验 表1晦损试验条件 是在干磨条件下进行的，在整个试验周期中 Table 1 Testing condition of wear 序号载荷接触应力上试样直径滑差 用风扇冷却试样，以去除试样表面磨屑和避 (N) (MPa)(mm)(% 免试样升温。试验周期为4×10r并周期 294 343 36 10.0 地停止试验，拆下试样，经丙酮清洗、挥 2 490 443 36 10.0 发后在室温下称重，以测量摩损失重称重，间 686 524 36 10.0 4 931 610 36 10.0 隔为0、5×10M、10×10、15×10°、20×10 5 1274 713 36 10.0 30×10°、40×10r。磨损速率是通过计算 6 490 431 40 0 磨损曲线稳态阶段的斜率得到的，用试验轮 490 434 39 2.5 8 转过单位距离的重量损失表示。 490 437 38 5.0 9 490 440 37 7.5 1.4检验方法 10 490 446 35 12.5 将磨损试验后的试样沿垂直轴向切开， 11 490 449 34 15.0
. 5 62 · 北 京 科 技 大 学 学 报 l卯 3年 N o . 6 化 。 由磨 擦力引 起 的塑性 形 变及 摩擦 热 会 改 变 滚 磨 表 面 区 域 组 织 的 物 理 和 化 学性 能 , 直接 影 响 了钢轨 的磨损行 为 。 本 文在 实验 室条 件 下 , 通过 模拟 轮 / 轨 间 的 接 触条件 , 研 究 了磨 损过 程 中显微组织的变化 与磨损形 式的关 系 , 并 对 U 7l M n 轨钢的磨损 机制进 行探讨 。 1 试验方 法 1 . 1 试样及试验设备 磨 损试验是 在 M 一 2 0 型磨 损试验机 上进 行 的 。 采 用 双 圆 盘 对滚 试 样 以 模拟 轮 / 轨 间 的接触条件 , 其 中上 试件代表钢轨 (磨 损试 样) , 下试件为摩擦副 。 上 、 下 试 件转 速 分 别 为 180 r 厂而 n 和 Zo r /而n , 相 对滑 差 由下式 给 出: 7 = ( l 一 R , N : / R : · N : ) ( l ) 式 中 R : 、 R : 和 N , 、 从 分 别 为上 、 下试 件半 径和 转 速 。 滑差 的增减是通 过改变上 试 件直 径 实 现的 , ( 如表 l 所 示 ) , 下 试件直 径不 变 , 为 36 111 0 1 。 根 据施 加载 荷和 试件尺 寸 , 由赫芝 公 式 计算最大 线接 触应力 ( ’ l 。 通过 试验 机 的积分 机构 按 下式计算摩擦 功 Q : Q = l X() , I M ( 2 ) 其 中 : M 为摩 擦力 矩 量程 , 凡 是 试验 机上 与摩擦 盘接 触的 小滚 轮转数 。 平均 摩擦 系 数 f 为: f = Q / 27r · R : · 丛 · 尸 ( 3 ) 式 中 尸 为试 件所 承受的 垂直 载荷 。 磨 损 失重 用 G T ZA 型精密分 析天 平称量 , 量 程 5阅 g , 感 量 o . l mg 。 1 . 2 试验材料及 热处 理工艺 上 、 下试件均 采 用 U 7l M n 钢 轨钢 , 化学 成 分 为 ( % ) : C 一 0 . 70 , is 一 0 . 26 , M n 一 1 . 25 , P 一 0 . 0 19 , S 一 0 . 0 3 。 试样 加工 后热处 理 。 磨损 试样经 8 5 0 ,C 、 l h 奥氏 体化 , 5 50 ℃ 、 2 0 而 n 等温 , 得 到硬 度 为 30 . 7 H R c 的细 片状 珠光 体组织 ; 一 下试件 奥 氏体化后 淬火 , 在 520 ℃ 回 火 l h 得到 回 火索 氏体组织 , 硬度 ( 38 . 5 H cR ) 与 实 际 车 轮 硬 度 相 近 。 热处理 均 在 盐 浴 炉 中 进行 , 试 样处理 后 精磨 至 设定 尺 寸用于 试验 。 1 . 3 试验 条件 磨 损 试 验 条 件如 表 1 所 示 。 磨 损 试 验 是在 干磨条件下进 行 的 . 在 整 个试验 周期 中 用风 扇冷 却试样 , 以 去除 试样 表 面磨屑 和避 免 试样 升 温 。 试 验 周 期 为 4 X IO , r 并 周 期 地 停 止 试 验 , 拆 下 试样 , 经丙 酮 清 洗 、 挥 发后 在室 温 下称 重 , 以 测量摩 损 失重称重 , 间 隔 为 O 、 s x l O 4 、 10 、 10 4 、 1 5 、 10 4 、 ZO x l 0 4 、 30 x 10 4 、 4 0 x 10 4 r 。 磨 损速 率是通过 计算 磨损曲线稳态阶段 的 斜率得到 的 , 用 试验轮 转过单 位距 离的重 量损 失 表示 。 1 . 4 检验方法 将 磨损 试验 后 的试 样沿 垂直 轴 向 切 开 , 表 l 磨损试验条件 I U* 1 1议魄 c . ` 垃xl or ~ 序 号 载 荷 ( N ) 接触应 力 ( M几 ) 上 试样直径 ( r n 盆n ) 滑 差 ( % ) 10 . 0 10 . 0 、0 . 0 10 . 0 10 . 0 0 2 . 5 5 . 0 7 . 5 ! 2 . 5 15 . 0 364036398754 I 纽朔锄朔931274 34526107343143470嘶姗 , ` 1046389157
Vol.15 No.6 李怀明等：轨钢磨损行为的试验 563 进行表面镀镍，以保护边部。制取金相试样，在JSM-35CF型扫描电镜上观察滚面下显 微组织变化。 2 试验结果 由本试验条件下的滑差曲线（图）可见，滚滑摩擦系数随滑差提高而增大，当滑差提高到 4%左右时，磨擦系数达到极限值，约为0.6，进一步 增大滑差，磨擦系数基本保持不变。摩擦系数与载 0.6 荷相互独立。 珠光体轨钢的磨损试验结果如图2所示，其磨 损行为的特点是：(1)随滑差增大，珠光体轨钢的 0g 磨损速率提高，滑差越大影响越显著。摩擦系数与 帐 滑差间则无上述规律；(2)提高接触应力会单调增 加珠光体轨钢的磨损速率，其作用要小于滑差的影 0.2 响。 磨损量与滑动摩擦功的关系如图3所示，磨损 量随滑动摩擦功线性增大。对二者关系进行线性 4 81216 滑差，% 回归及检验结果由表2给出，其中关系式中ML 和W,分别代表磨损失重和滑动磨擦功，b为系数。 对此关系式在显著水平x=0.05条件下进行的检验 图1滑差曲线P=90N Fig.1 Curve of creepages 80[a)p=80N (b)y=10% 60 40 是 205 300 400 500 600 700 10 15 接触应力/(MPa) 滑差、% 图2滑差和接触应力对磨损速率的影响 Fig.2 Weight loss rate vs creepages and contact stress curres 结果均有： (4) 因此认为磨损量与磨擦功间线性关系是显著的。滑差不同时，系数b应在63~156×10范围
V 匕1 . 15 N 6 . 6 李怀明等二 轨钢磨损行 为的 试验 进行表 面镀 镍 , 以 保护边部 。 制取金 相试样 , 在 SJ M 一 35 C F 型扫 描 电镜上观察滚 面 下 显 微组织变 化 。 2 试验结 果 由本 试验条件下的滑差曲线 (图 l) 可见 , 滚 滑摩 擦 系数 随滑 差提 高而 增大 , 当滑差提高 到 4 % 左右 时 , 磨擦 系数达 到极限值 , 约 为 0 . 6 , 进一步 增 大滑差 , 磨擦系数基 本保 持不 变 。 摩擦 系数与载 尸一 -一- 一- 一一一一一 一一门 荷相互 独 立 。 珠光 体轨 钢 的磨 损 试验 结果 如 图 2 所示 , 其磨 损 行为 的特点 是 : ( l) 随 滑差增 大 , 珠 光体轨 钢 的 磨 损速率提高 , 滑 差越大影 响越 显著 。 摩 擦 系数 与 滑 差间则 无上 述规 律 ; ( 2) 提 高接 触 应力 会单调 增 加 珠光体轨钢 的磨损 速 率 , 其作 用要 小于 滑差 的影 响 。 磨损 量 与滑 动摩擦 功 的关系 如 图 3 所示 , 磨损 量 随 滑 动 摩 擦 功 线 性 增 大 。 对二 者 关系进 行线性 回归及检 验 ! 2 〕 , 结果 由表 2 给 出 , 其 中关 系式 中 M L 和 代 分别 代表 磨损 失重 和滑 动磨擦功 , b 为系数 。 对 此关 系式在 显著 水平 : 二 0 . 05 条件 下进行 的检 验 。一 …厂一 ’ 一 ’ 侧 0 4 十 I 户巧 l , 龚 } { 赞 }/ ” · 2 1{ 8 12 16 滑差 , % 图 1 滑差 曲线 尸= 4男】N 瑰 . I C ” 洲 e of c “ 兄 脚g 当 / . / / s o r下3下二菇石 ~ 60 402 日 · à的趁ù哥假写赘 ǎ 60402( 一1日 · 假骆甸哥)/的之 10 1 5 滑差 , % 荻不 , 骊 50 0 60 7 0 接触应力 / ( M aP ) 图 2 f奄 . Z W晌少 t 滑差和接触应力对磨损速率 的影 晌 】. 妇 m晚 vs 口甲钾团昭 . 回 。叱如 d 创】仑` c朋 n笼 5 结果均有 : 粤 、 U V侄i 二 ] ( ix 一 又 ) ’ > t : / 2 ( n 一 2 ) ( 4 ) 因 此认为磨 损量 与磨 擦功 间 线性 关 系 是 显 著 的 。 滑差不 同时 , 系 数 b 应在 63 一 156 X l少 范 围
.564. 北京科技大学学报 1993年No.6 内分布较分散，实际上b应在较小范围内变化。 这种差异应归因于实际磨损过程中的外来因素。 2000 」25%：2,50% 图4给出了磨损试样沿垂直轴向截面的 生投8胶 SEM形貌。磨损试验后滚磨表层组织有以下特 1500 点：(1)表层组织发生剧烈的塑性流变，组织呈层 状分布，接近平行于滚磨表面，渗碳体片完全 碎化，无珠光体组织特征，并随深度的增加，流 /os 变层与表面间的夹角增大；(2)有亚表面裂纹 生成。这些裂纹存在于表面下10~20m处， 与流变层方向相同，并沿流变层方向扩展； 4 812 16 (3)亚表面裂纹扩展的结果，在表面形成疲劳 滑动摩擦功/(×10】) 磨屑，因组织塑性流变的取向关系，亚表面裂 图3滑动磨擦功与磨损量的关系 纹扩展总是先与试样转动前方的表面相交。 Fig.3 Sliding friction work vs weight loss corves 表2磨损量与滑动摩擦功关系式的回归分析结果 Table 2 Regression results between weight loss and sliding friction work ML =bW 滑差 (%) b,×104 t1:(n-2) (x-x)2 a=0.05 2.5 156.3 4.952 62.679 2.571 5.0 93.5 15.866 29.423 2.751 7.5 63.4 32.001 18.811 2.571 10.0 92.5 21.275 51.088 2.571 12.5 122.9 51.086 34.870 2.571 15.0 136.7 26.863 62.802 2.776 图4磨损表面及亚表面形貌(SEM)滚动方向 (a)P=686N,y=10%(b)P=490N.y=7.5%;(c）P=490N,y=5% Fig.4 SEM micrographs of wear surface and sub-surface
6 北 京 科 技4 大 学 学 报 】 年 99 5 N 3 o ` 6 内分布 较分散 , 实 际上 b 应在较小 范 围内变 化 。 这种差 异应 归 因于 实 际磨 损 过程 中 的外来 因素 。 图 4 给 出了磨 损 试 样 沿 垂 直 轴 向截 面 的 S E M 形 貌 。 磨 损 试验 后滚 磨表 层组 织有以 下 特 点 : ( l) 表 层 组织发生 剧烈 的 塑性 流变 , 组 织呈层 状分布 , 接 近平行 于 滚 磨表 面 , 渗碳 体 片完全 碎化 , 无 珠光体 组织特 征 , 并随深 度的增加 , 流 变层 与表 面 间的夹角增 大 ; ( 2) 有 亚表 面裂纹 生成 。 这 些裂 纹存 在于 表面 下 10 一 20 尸n 〕 处 , 与 流 变 层方 向相 同 , 并 沿 流 变 层方 向 扩展 ; ( 3) 亚表 面裂 纹扩 展 的结 果 , 在 表 面形 成疲 劳 磨 屑 , 因组 织 塑性 流变 的取 向关 系 , 亚表 面裂 纹 扩展 总是 先 与试样 转 动前方 的表 面相 交 。 2 0 0 0 1 50 0 冒 侧 斌 唱 翻 5 00 o占 滑动 摩 擦功 / ( x ID 4 ) ) 图 3 滑动磨擦功与磨损量的关系 iF g . 3 5 11山嗯 创币以. 栩犷 k vs we 触h通 h 粥 ~ J 恤b】e 表 2 磨损量与 滑动摩擦功关 系式 的回 归分析结果 Z R 铭珍灿佣 代 , d招 吮加钱川 州龙扭 】。朋 a阅 目i由雌 州比 o n 脚 o r k 滑 差 ( % ) M 乙 = b 城 b . x l 0 4 子 内 胳 , _ 二 、 , 。 2 2 ( n 一 2 ) 口 = 0 . 0 5 2 . 5 5 . 0 7 . 5 10 . 0 12 . 5 巧 . 0 1 56 . 3 93 . 5 63 . 4 92 . 5 122 . 9 1 36 . 7 4 . 952 15 . 86 3 2 田1 2 1 . 275 5 1 . 08 6 26 . 863 62 . 679 29 . 42 3 18 811 5 1 . 088 34 . 870 62 . 802 2 . 5 7 1 2 . 75 1 2 . 57 1 2 57 1 2 . 57 1 2 . 77 6 图 4 磨损表面及亚表面形貌 ( a ) P = 〔政i N , 瑰 下= 10 % ( b) 尸一 月卯 N . 下 ( S E入】 一 7 . 5 % ; 4 S E人l m l c 代嗯门咖 of w 叨 s u d 油理 a闭 滚动 方向 ( c ) 尸= 4男) N , 下= 5 % s曲 一 s U far 份
Vol.15 No.6 李怀明等：轨钢磨损行为的试验 ·565· 3讨论 3.1摩擦功与磨损量的关系 由试验数据可知，纯滚动时的磨损速率极低，经4×10Γ全周期磨损试验后的重量损失仅 为0.4mg。文献[3]以磨损的粘附理论为基础提出的经验公式如下： V/L kW/Y (5) 其中：V一磨损体积，L一滑动距离、W一载荷，Y一材料的屈服强度。根据式（5)，当滑 差为零时，磨损量为零。由试验结果及上式可推断，磨损主要是由试样间的相对滑动造成的， 滚动对磨损的影响可忽略不计。由表2试验结果得到的磨损量(M)与滑动摩擦功(W,)的关系为： ML bW (6) 式中b值由表2给出。根据物理学定义，滑动摩擦功等于摩擦与滑动距离之乘积，摩损试验 中的摩擦力即为切向力，因此摩擦功为： W=T·L=f·P·2πRNy (7) 其中：∫为摩擦系数，P为载荷，R为试样半径，N为转数，y为滑差。合并(6)、(7)式则有： ML=2πR·N·b·P·f·y (8) 由上可见，在干磨线接触条件下，磨损量随接触应力、摩擦系数和滑差的增大而提高。载荷 不变时，根据滑差曲线，小滑差时摩擦系数随滑差而增加，滑差提高到一定值(4%)达极 限摩擦系数后，摩擦系数不再随滑差而变化，这时滑差对磨损的影响主要体现在滑动距离的 不同上，因此，滑差的提高会增大摩擦功及磨损量。另一方面，由于单位时间内的滑动距离 不同，改变滑差会导致试样表面间滑动速度的变化。后者能在试样表面产生摩擦热量，试 样温度的升高往往会恶化材料的强度指标，从而降低试样的磨损抗力。试样表面温度取决 于滑动速度和摩擦力。由上述分析可见，输入给试样的摩擦功一部分在磨屑的产生过程中消 耗掉、另一部分转化为热量。滑动摩擦功的意义在于，将载荷、滑差及滑动距离对塘损的影 响联系在一起，并包含有滑动速度变化的因素。 3.2磨损形式及其影响因素 蘑损试验后，磨损表面区附近的塑性流变使组织从原始的任意分布转到平行于表面的层 状分布，产生沿流变层方向的亚表面裂纹，并存在典型的疲劳磨损形式。在接触载荷作用 下，由于表面下接触区中存在三向压应力状态，裂纹并不在此区域产生，该层厚度通常在 2~5m左右14。因此，表面层主要以粘附磨损形式产生磨屑，磨屑尺寸较小，表面变粗 糙。本试验观察到的亚表面裂纹距表面约10。与滚动接触疲劳破坏相似，存在于试样表 面下。与表面平行的形变，MS夹杂是疲劳磨损的主要裂纹源之一Is)。文献[6]指出，随 MS含量的提高，亚表面下裂纹数目增多，导致磨损速率增大。然而，即使钢中不存在非 金属夹杂物或其含量很少，随应力的积累，也会通过铁素体中位错在晶界或渗碳体等障碍处 受阻和位错的逐渐塞积而产生微裂纹。这些裂纹在亚表面剪切层中扩展、并相互联结，形成 宏观裂纹。文献[7]的研究指出，轨钢表面层的起始加工硬化过程较快，使硬化梯度较 陡，从而导致了一个拉伸应力应用在加工硬化层和非加工硬化层之间的交界面上。这种应力
丫劝1 . 巧 N O . 6 李怀 明等 : 轨钢磨损 行为的试验 3 讨 论 3 . 1 摩擦功与 磨损 量 的关 系 由试 验 数据可知 , 纯 滚动时 的磨损速率极 低 , 经 4 x 1 J r 全周 期磨 损试验后的重 量损 失 仅 为 0 . 4 gm 。 文 献 【3] 以 磨损 的 粘 附理 论为基础 提 出的 经验公式如 下: V / L = k w / Y ( 5 ) 其 中: V 一磨 损 体积 , L 一滑 动距离 , W一载荷 , Y 一材 料的屈 服 强度 。 根 据式 ( 5) , 当 滑 差 为零 时 , 磨 损量 为零 。 由试验结果 及上式可推断 , 磨损 主 要 是 由试 样 间的相对滑动造 成的 , 滚动对磨损的影 响可忽略不计 。 由表 2 试验结果得 到 的磨损 量。 夕习 与滑动摩擦功 (城 ) 的关 系为: 对乙 二 b 城 ( 6 ) 式 中 b 值由表 2 给 出 。 根据物理 学定 义 , 滑动 摩擦功 等于 摩擦与滑 动距离之 乘积 , 摩 损试验 中的摩擦力即 为切 向力 , 因此摩擦 功 为: 叫 = T · L = f · 尸 · 2 72 R N y ( 7) 其 中: f 为摩 擦 系数 , 尸 为载 荷 , R 为试样半径 , N 为转 数 , 下为滑差 。 合并 ( 6) 、 ( 7) 式 则有 : M L = 2 7r R · N · b · 尸 · f · 下 ( 8 ) 由上 可见 , 在 干磨线接 触条件下 , 磨损量 随接触应力 、 摩擦 系数和 滑差 的增 大而提 高 。 载荷 不变 时 , 根据滑差曲线 , 小滑差 时摩 擦系 数随 滑差而增 加 , 滑差 提高 到 一 定 值 ( 4 % ) 达极 限摩 擦系 数后 , 摩擦系 数不 再随 滑差 而变 化 , 这时 滑差 对磨 损 的影 响主要 体现在 滑动距 离 的 不 同上 , 因此 , 滑 差的 提高 会增 大摩 擦功 及磨损量 。 另 一方 面 , 由于 单位 时 间 内的滑 动距离 不 同 , 改 变 滑差会 导致试 样 表 面 间滑 动速度 的变化 。 后 者 能 在 试 样 表 面产 生摩 擦 热量 , 试 样 温度 的升高 往往 会恶 化材料 的强 度 指标 , 从 而 降 低 试 样 的磨 损抗力 。 试 样 表 面 温度取决 于滑 动速 度和 摩擦力 。 由上 述分 析可 见 , 输人 给试样 的摩擦 功一 部分 在磨屑 的产生 过程 中消 耗掉 , 另 一部分 转化 为 热量 。 滑 动摩擦 功 的意 义在 于 , 将 载 荷 、 滑差 及滑 动距 离对 磨损 的影 响联系在 一起 , 并 包含有 滑 动速度 变 化的 因素 。 3 . 2 磨损形式及 其 影响 因 素 磨 损试验后 , 磨 损表 面 区 附 近的 塑性 流变使组织 从原始 的任 意分 布转到 平行于 表 面的 层 状分布 , 产生沿流 变 层方 向的亚表 面裂 纹 , 并 存 在 典 型 的疲 劳 磨 损 形 式 。 在接 触 载 荷 作用 下 , 由于 表 面下接 触 区 中存在三 向压应 力 状 态 , 裂 纹 并 不 在 此 区 域产 生 , 该层 厚 度 通 常 在 2 一 5 I n l l 左右 [ 4 ] 。 因此 , 表面层 主要 以 粘附 磨 损 形 式 产 生 磨屑 , 磨 屑 尺 寸 较 小 , 表 面 变 粗 糙 。 本试验观 察到 的 亚表 面裂纹距 表面 约 10 拌m 。 与滚 动接 触疲 劳破 坏相 似 , 存 在于试样 表 面 下 。 与表面 平行的形 变 , M ns 夹 杂 是疲 劳 磨 损 的 主 要 裂 纹 源 之 一 ” , 。 文 献 6[ 1指 出 , 随 M ns 含 量的 提高 , 亚 表 面下裂 纹数 目增 多 , 导致 磨 损速 率增大 。 然而 , 即使钢 中 不存 在 非 金 属夹杂 物或其 含 量很少 , 随应 力 的积累 , 也 会通 过铁素 体 中位 错在 晶 界或 渗碳 体等 障碍处 受阻 和位 错 的逐渐 塞积 而产 生微裂纹 。 这些裂 纹在 亚表 面剪切 层 中扩展 、 并相 互 联结 , 形成 宏观 裂 纹 。 文献 〔71 的 研究 指 出 , 轨 钢表 面层 的起 始 加 工 硬 化过程 较快 、 使硬化 梯 度 较 陡 , 从 而 导致 了一 个拉 伸应 力应 用在 加工 硬化 层和 非加 工硬化层之 间的交 界 面上 。 这种 应力
.566. 北京科技大学学报 1993年N0.6 连同圆外部接触载荷而形成的剪切应力使作用在该界面上的应力大大提高，促进了疲劳裂 纹的萌生。通常在磨损条件下，随滑差及载荷的提高，轨钢的加工硬化程序加大，对应较高 的表面硬度和较厚和硬化层深度，这样以疲劳形式产生的磨屑尺寸就增大。当粘附磨损和疲 劳磨损机制同时作用时，后者是磨损速率的主要控制因素，因此，增大滑差和载荷都会提高 轨钢的磨损速率。同样，低屈服强度和硬度的材料往往呈现强烈的加工硬化，具有较厚的硬 化层，因而其耐磨抗力低于高强材料。 本试验条件下的磨损形式主要有粘附磨损和疲劳磨损。试验开始阶段，具有相对洁净表面 的试样主要以粘附方式磨损，对应较小的磨屑和低的磨损速率，随摩擦系数的增大，磨损速 率稍有提高，在整个磨损过程中，始终存在这种方式的磨损。磨粒磨损的产生要求磨粒的硬 度必须超过磨损表面金属硬度一定的界限81，残留在试样表面上的粘附磨损粒子不能满足这个 条件，因此磨粒磨损在此磨损阶段不是主要的。随接触循环次数的增大和亚表层塑性应变的 积累，在达到一定的组织、应力及塑性应变条件时，裂纹在亚表面下萌生，并扩展，直到疲 劳磨屑产生，对应较高的磨损速率。这时如有小块疲劳磨屑残留在滚磨表面上，因其硬而脆 的性质，就会在表面的相对滑动中产生磨粒磨损。因此，该阶段磨损包括粘附、表面疲劳和 磨粒磨损等3种形式，其中，疲劳磨损起主要作用。 4结论 (1)在干磨试验条件下，珠光体轨钢的磨损速率随滑差及接触应力的增大而提高。摩 擦系数随滑差而增大，滑差增至~4%时，达到极限摩擦系数。 (2)磨损量与滑动摩擦功成正比例关系，轨钢的磨损是相对滑动造成的。达到极限摩擦 系数后，滑差对磨损的影响归因于滑动距离和滑动速度的不同。 (3)磨损表层组织产生剧烈的塑性流变，流变方向平行于滚磨表面，为疲劳裂纹的萌 生和扩展提供了组织和应变条件。 (4)粘附磨损和疲劳磨损是轨钢磨损的主要形式，疲劳磨损具有高的磨损速率和大而 薄的磨屑，是磨损的主要挖制因素。疲劳磨损中裂纹在亚表面形核，并沿流变层方向扩展。 参考文献 1 Danks D,Clayton P.Wear,1987,120 233 2张世箕.测量误差及数据处理.北京：科学出版社，1979 3 Olver A V.Wear of Materials,Proc Conf Vancouver,Canada,1985,4 254 4 Suh N P.Wear,1977,44 I 5李怀明，北京科技大学博士学位论文，1991 6 Bolton P J.Clayton P.Wear,1984,93 145 7 Kalousek J,Bethume A E.Rail Steele -Developments,Processing and Use,ASTM, STP644,1978:63 8 Richardson R C D.Wear,1967,II:291
3 肠 北 京 科 技 大 学 学 报 叨 年 N 6 l 6 . 6 连 同 圆外 部接 触载 荷而 形 成的 剪切 应 力使作 用在 该界 面上 的 应 力大 大 提 高 , 促 进 了疲 劳裂 纹的 萌生 . 通 常在磨 损条件 下 , 随 滑差及 载 荷的提 高 , 轨钢的 加工 硬化程序加 大 , 对应较高 的表面硬 度和较 厚和 硬化层深度 , 这样以 疲 劳形式 产 生的磨 屑 尺寸 就增 大 。 当粘 附磨损和疲 劳磨损机 制同时 作用 时 , 后者是 磨 损速率 的 主要控 制 因素 , 因此 , 增 大滑差 和载荷都 会提高 轨钢的磨损 速率 。 同样 , 低屈服 强 度和硬 度 的材 料往往 呈 现强 烈的 加工 硬化 , 具有较 厚的硬 化层 , 因而 其耐 磨抗力低于 高强 材 料 . 本试验条件下 的磨损 形 式 主要有 粘 附磨损 和疲 劳磨损 . 试 验开 始阶段 , 具有相对洁 净表面 的试样主要 以粘 附方 式磨损 , 对应 较小的磨屑 和低 的磨损 速率 , 随摩擦系数的增 大 , 磨 损速 率稍 有提 高 , 在 整个 磨损过 程 中 , 始终存在这 种 方式 的磨损 . 磨粒磨损的产 生要 求磨粒 的硬 度 必 须超过磨损 表 面金属 硬度一 定 的界 限{日 l , 残 留在 试样表 面上的枯 附磨 损粒子不能满足这个 条件 , 因此 磨粒磨损在此磨损 阶段不 是 主要 的 . 随接触循环 次数的增 大和亚表 层 塑性应 变的 积累 , 在 达到一 定 的组织 、 应力 及 塑性应变条 件时 , 裂 纹 在亚表面下 萌生 . 并扩 展 , 直到疲 劳磨 屑产 生 , 对应较 高的磨损速 率 。 这 时如有 小块 疲 劳磨 屑残留在滚磨表 面上 , 因其硬 而脆 的性 质 , 就会在 表 面的相 对滑 动 中产 生磨 粒磨 损 . 因此 , 该阶段磨损 包 括枯 附 、 表面疲 劳和 磨粒磨损 等 3种形式 , 其中 , 疲劳磨 损起主要 作用 。 4 结 论 ( 1) 在 干磨试验 条件下 , 珠 光体轨钢 的磨损速 率 随滑 差及 接触 应 力 的增 大 而 提 高 。 摩 擦 系数随 滑差而 增大 , 滑差增 至 一 4 % 时 , 达到 极 限摩擦 系 数 。 ( 2) 磨 损量 与 滑动摩 擦功 成正 比例关 系 , 轨 钢 的 磨 损是 相 对滑 动造 成 的 。 达到极限摩擦 系数后 , 滑差 对磨损的影 响 归 因于滑 动距 离和 滑动 速度 的不 同 。 ( 3) 磨损表 层组 织产生剧 烈 的塑 性 流变 , 流变 方 向平 行于 滚磨 表 面 , 为 疲 劳裂 纹 的 萌 生和扩展 提供了组织 和 应变条 件 。 ( 4 ) 粘附磨损 和疲劳磨 损是 轨钢 磨损的 主要形 式 , 疲 劳 磨 损具 有 高 的磨 损 速 率和 大 而 薄的磨 屑 , 是 磨损 的主 要控制 因素 。 疲 劳磨损 中 裂纹在 亚表 面形核 , 并沿流 变层方 向扩 展 。 参 考 文 献 1〕a n kS D , C l a yt o n P . W ea r , 1 9 8 7 , 12 0 : 2 3 3 张世箕 . 测 量误差及 数据处理 . 北京 : 科学 出 版社 , 1 97 9 O l ver A V 等 . W ea r o f M a t e ir a b , Por e oC nf Va n co u ver , aC n a d a , 1 9 8 5 , 4 : 2 54 S u h N P . W ea r , 1 9 7 7 , 4 : l 李 怀 明 , 北 京科 技大 学 博 士学位 论 文 , 1 9 91 oB lto n P .J Q a yt o n P . W ea r , 1 9 8 4 , 9 3 : 14 5 K a 1 0 use k J , 珑t h u l n ` A E . R a il S 枉兄l e 一 eD vel o p r ℃ n st , Por 以s s in g a dn U se , AS T M S T P 6月4 , 1 9 7 8 : 6 3 R ic h a dt so n R C D . W份r , 1 9 67 , 1 1 : 2 9 1