低温环境下轮轨材料滚动磨损与损伤行为研究

摘要

随着高速铁路的快速发展，其覆盖区域也越来越广阔，低温服役工况下轮轨材料的损伤问题变得日益显著。尤其在高寒地区，极端低温气候影响高速轮轨系统的安全运行。因此，低温环境下轮轨材料的滚动磨损与损伤行为已成为轮轨关系中亟需研究解决的关键科学问题之一。
　　本文利用WR-1轮轨滚动磨损试验机，借助光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电子显微镜等分析测试设备，研究了不同温度及温度交变工况下轮轨材料滚动磨损与损伤行为，分析了室温与-40℃温度下蠕滑率对轮轨材料滚动磨损与损伤行为的影响;利用MTS电液伺服试验机，研究了温度对钢轨材料的拉伸性能及疲劳裂纹扩展速率的影响。
　　本文取得的主要结果及结论如下:
　　(1)低温下轮轨材料的耐磨性较室温下降低;随温度降低，轮轨材料的磨损机制由氧化磨损及磨粒磨损向黏着磨损与表面裂纹损伤转变。轮轨材料随温度降低，脆性逐渐增强，珠光体分布及排列呈现出不同于室温下的形貌特征。
　　(2)在温度交变工况下，车轮材料受影响较钢轨材料严重，其中升温过程对车轮材料的损伤最为严重;降温实验中轮轨材料表面损伤较升温实验轻微。温度交变工况对轮轨材料疲劳裂纹角度影响不大，但对长度具有显著影响。
　　(3)随蠕滑率的增加，轮轨材料的磨损及损伤情况加剧，室温下轮轨材料的磨损机制不同于低温环境。蠕滑率不高于0.91％时，磨损率低且损伤轻微，室温与低温对轮轨的磨损相差不大;随蠕滑率的增大，温度对轮轨磨损具有显著影响，尤其在低温下蠕滑率达到3.83％以上时，车轮材料出现严重的卷边变形现象。
　　(4)随着温度降低，钢轨材料的屈服强度及极限抗拉强度均增大。当温度降低至一定温度时，钢轨裂纹扩展速率急剧上升。随着温度由室温降低至-60℃，钢轨材料的韧性断裂减弱，脆性断裂逐渐占主导趋势，这意味着温度越低，钢轨材料脆性断裂越为明显。
　　(5)依据轮轨材料在不同温度下的磨损与损伤特性，可以划分为韧性为主、韧脆混合、脆性为主三种损伤模型，其中韧脆混合损伤模型损伤最为严重。依照不同蠕滑率条件下磨损率情况，室温与低温下均可分为Ⅰ类轻微磨损、Ⅱ类严重磨损两种磨损模型，其中温度对Ⅱ类磨损模型影响较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高速铁路发展现状

1．1．1 国外高铁发展

1．1．2 国内高铁发展

1．2 轮轨关系与轮轨摩擦学

1．3 轮轨损伤行为

1．3．1 车轮损伤

1．3．2 钢轨损伤

1．4 低温环境下轮轨损伤研究现状

1．5 选题意义和研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第2章 实验简介

2．1 WR-1轮轨滚动磨损试验机

2．2 低温环境系统

2．3 模拟实验准则

2．2．1 点接触垂向载荷计算

2．2．2 线接触垂向载荷计算

2．4 实验材料及参数

2．4．1 实验材料

2．4．2 实验参数

2．5 实验过程

第3章 温度对轮轨材料磨损与损伤影响

3．1 不同温度下滚动磨损与损伤行为

3．1．1 滚动磨损行为

3．1．2 损伤行为

3．2 温度交变环境下滚动磨损与损伤行为

3．2．1 滚动磨损行为

3．2．2 损伤行为

3．3 小结

第4章 室温环境下蠕滑率对轮轨材料磨损与损伤影响

4．1 滚动磨损行为

4．1．1 摩擦系数

4．1．2 硬度与塑性变形

4．1．3 磨损率

4．2 损伤行为

4．2．1 表面损伤

4．2．2 剖面损伤

4．2．3 磨屑行为

4．3 小结

第5章 低温环境下蠕滑率对轮轨材料磨损与损伤影响

5．1 滚动磨损行为

5．1．1 摩擦系数

5．1．2 硬度与塑性变形

5．1．3 磨损率

5．2 损伤行为

5．2．1 表面损伤

5．2．2 剖面损伤

5．3 室温与低温结果对比

5．3．1 磨损率

5．3．2 磨屑行为

5．3．3 TEM分析

5．4 小结

第6章 钢轨材料拉伸及裂纹扩展速率研究

6．1 实验设备及参数

6．2 钢轨拉伸性能

6．3 钢轨疲劳裂纹扩展速率

6．4 小结

第7章 轮轨材料损伤行为综合分析

7．1 不同温度下轮轨材料损伤行为

7．2 不同蠕滑率下轮轨材料损伤行为

7．2．1 室温环境

7．2．2 低温环境

7．3 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果