舒 康,周 亮,王文健,丁昊昊,郭 俊,劉啟躍
(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所,四川 成都 610031)
隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展,鐵路服役的環(huán)境越來越復雜多樣,一些鐵路面臨著高溫、高寒、高海拔、高紫外線輻射、強風沙、鹽堿沙塵腐蝕和海洋環(huán)境腐蝕等惡劣環(huán)境的考驗.全球遭受風沙危害的鐵路主要集中在遠東、中東和北非等地區(qū)[1].而我國沙區(qū)鐵路里程累計約達1.5萬公里,其主要集中在西北地區(qū)[2],部分線路受到的風沙危害已經(jīng)嚴重影響列車運行,如蘭新鐵路[3-5]、青藏鐵路[6-7]和南疆鐵路[8].風沙對鐵路的危害主要有風蝕和沙埋兩種形式[2],由于鐵路線路處在開放的環(huán)境中,因此處于風沙環(huán)境中的鋼軌不可避免地會遭到風沙的沖蝕.
材料的沖蝕行為在過去數(shù)十年中已經(jīng)得到了廣泛的研究,材料的沖蝕行為會受到?jīng)_蝕角度、粒子速度、粒子尺寸及靶材表面性能等因素的影響[9].有些金屬材料的抗沖蝕磨損性能隨著硬度的增加而增加[10-14],然而也有些金屬材料的抗沖蝕磨損性能隨硬度的增加而降低[15-18],還有些金屬材料的硬度對其抗沖蝕磨損性能沒有明顯的影響[19-21].從以前的研究[20,22-24]可知,材料的延性與其抗沖蝕磨損性能之間的規(guī)律比較統(tǒng)一,即延性越高,材料的抗沖蝕磨損性能越好.通常情況下,材料硬度增加時其延性會相應地降低,Goretta等[24]認為當硬度增加導致抗沖蝕磨損性能的增加量超過了延性降低所導致抗沖蝕磨損性能的減少量,最終表現(xiàn)出抗沖蝕磨損性能隨硬度的增加而增加,反之則表現(xiàn)出抗沖蝕磨損性能隨硬度的增加而降低,另外也可能出現(xiàn)抗沖蝕磨損性能隨硬度的增加而無明顯變化.還有一些學者發(fā)現(xiàn)靶材的斷裂韌性越高,其抗沖蝕磨損性能越好[25-26],彈性模量越高,其抗沖蝕磨損性能也越好[27].因此可知,分析不同材料的抗沖蝕磨損性能需要結(jié)合其力學性能來分析.
國內(nèi)使用較為廣泛的熱軋鋼軌主要有U71Mn和U75V鋼軌,隨著鐵路運輸軸重的不斷增長,大大增加鋼軌的磨耗與損傷,如壓潰、側(cè)磨、波磨和剝離等[28].重載線路鋼軌的主要損傷形式為磨損和塑性變形,而高速線路鋼軌主要為疲勞損傷,U71Mn鋼軌因其具有良好的韌性,比U75V鋼軌更適合于高速鐵路[29].近些年在線熱處理鋼軌如熱處理U75V、熱處理U78CrV鋼軌以及熱處理過共析鋼軌等逐漸得到了開發(fā)和應用[30],通過增加鋼軌的含碳量和采取熱處理工藝等方式在一定程度上可以提高其耐磨性以及耐損傷能力,延長鋼軌的使用壽命[31-33].然而目前關于不同鋼軌材料的抗風沙沖蝕磨損性能的研究尚不充分,因此,在本文中以天然混合沙對兩種熱軋鋼軌以及三種熱處理鋼軌采用氣流噴砂式?jīng)_蝕試驗機進行沖蝕試驗,分析不同鋼軌材料的沖蝕磨損與損傷規(guī)律,探討鋼軌材料的力學性能與其沖蝕行為之間的關系,并闡述鋼軌材料在風沙環(huán)境下的沖蝕模式和去除機理.
試驗用到的鋼軌材料包括2種熱軋鋼軌材料和3種熱處理鋼軌材料:HR1(熱軋U71Mn)、HR2(熱軋U75V)、HT1 (熱處理U75V)、HT2 (熱處理U78CrV)和HT3(熱處理過共析鋼軌),其中HR代表Hot-rolled rail,HT代表Heat-treated rail.五種鋼軌材料的主要化學元素組成和力學性能分別列于表1和表2中.熱處理鋼軌的熱處理方式均為在線熱處理,即將熱軋后保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)(680~850 ℃)的鋼軌連續(xù)輸入設有自動控制系統(tǒng)和冷卻裝置的熱處理機組中,采用向鋼軌噴吹壓縮空氣的冷卻方式使鋼軌均勻地加速冷卻,鋼軌經(jīng)過熱處理機組的運行速度為0.2~1.2 m/s,其冷卻速度為2.0~5.0 m/s,直至鋼軌頭部表面溫度為500~600 ℃,然后再空冷至室溫,其冷卻速度約為0.1 m/s[34].鋼軌試樣取自于鋼軌軌頭,試樣尺寸為60 mm×25 mm×4 mm,如圖1所示,并對試樣的上表面采用不同目數(shù)的SiC砂紙進行打磨,然后以金剛石研磨膏進行拋光,直至表面粗糙度為0.06±0.01 μm.五種鋼軌材料的微觀組織顯微照片如圖2所示,由圖2可知,這五種鋼軌材料的組織均為片層狀珠光體,其珠光體片層間距列于表2中,由表2可知,隨著珠光體片層間距的減小,其硬度逐漸增加.
表1 鋼軌材料的主要化學元素Table 1 Main chemical elements of rail steels
表2 鋼軌材料的力學性能及珠光體片層間距Table 2 Main mechanical properties and pearlite interlamellar spacings of rail steels
Fig.1 Sampling location and geometry of rail specimen 圖1 鋼軌試樣取樣位置及尺寸
試驗中用到的沙粒來自于南疆鐵路沿線戈壁地表的天然混合沙,沙粒的形貌和粒徑分布如圖3所示.由圖3可知大部分沙粒呈不規(guī)則的鈍角形,沙粒粒徑分布范圍約為20~1 700 μm,平均粒徑為277 μm.
利用自制的氣流噴砂式?jīng)_蝕試驗機進行沖蝕試驗,如圖4所示.試驗機主要由供氣機構、噴砂槍、供料機構以及試樣夾持機構等組成.從分沙器(6)流出的小流量沙粒(左側(cè)管路)進入具有高速氣流通過的噴砂槍(3),然后一起加速后沖擊試樣(7).可以通過分沙器(6)來控制沙粒的流量,通過旋轉(zhuǎn)試樣夾具(8)來調(diào)節(jié)沖蝕角度,通過壓力調(diào)節(jié)閥(2)來控制沙粒的速度.沙粒的速度通過雙盤測速法來測量[35].噴嘴的內(nèi)徑為9.3 mm,噴嘴的長度為274 mm,噴嘴前端中心到試樣表面的距離為10 mm,試驗中用到的氣體為干燥壓縮空氣,所有試驗在室溫條件下進行.對五種鋼軌材料分別進行15°、30°、45°、60°、75°和90°下的沖蝕試驗,試驗中采用天然混合沙作為磨粒,沙粒粒徑分布范圍為20~1700 μm,沙粒流量為20 g/min,考慮到戈壁地區(qū)大于起沙風的風速主要以9級大風為主(20.8~24.4 m/s)[36],因此本試驗中選擇沙粒速度為20 m/s,每組試驗至少重復2次.
Fig.2 Microstructure of the rail steels圖2 鋼軌材料的微觀組織結(jié)構
Fig.4 Schematic diagram of the air-sand jet erosion tester[37]圖4 氣流噴砂式?jīng)_蝕試驗機示意圖[37]
試驗前,利用VHX-6000型超景深顯微鏡和Mastersizer 2000型激光粒度分析儀分別對沙粒的形貌和粒徑分布進行表征;采用MTS809液壓伺服材料試驗機測定鋼軌材料的抗拉強度以及斷后伸長率,并用MVK-H21型維氏硬度儀對鋼軌的硬度進行測量;對鋼軌試樣進行超聲波清洗并干燥,再使用精度為0.1 mg的JJ324BC型電子天平進行稱量.試驗過程中采用失重法測定鋼軌材料的沖蝕率(試樣損失的質(zhì)量除以沙粒的質(zhì)量),每沖蝕80 g沙粒后對試樣進行稱量,并計算沖蝕率,直至沖蝕率達到穩(wěn)定后結(jié)束試驗,并將穩(wěn)定狀態(tài)下的沖蝕率記為穩(wěn)態(tài)沖蝕率.試驗后,利用電火花線切割機切下部分試樣的損傷表面及剖面,并對剖面進行打磨和拋光,然后采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕,最后用Phenom Pro-SE型掃描電鏡(SEM)對鋼軌的組織以及損傷形貌進行觀察.
隨著沖蝕沙粒質(zhì)量的增加,五種鋼軌材料的沖蝕率均是先劇烈波動,然后再逐漸達到穩(wěn)定,如圖5所示.圖5顯示了不同鋼軌材料在45°沖蝕角度下的沖蝕率與沖蝕沙粒質(zhì)量之間的關系,可以看到,不同材料達到穩(wěn)定沖蝕狀態(tài)所需沙粒的質(zhì)量有一定的差異,熱軋鋼軌(HR1和HR2)所需沙粒質(zhì)量約為480 g,而熱處理鋼軌(HT1、HT2和HT3)所需沙粒質(zhì)量約為320 g,這可能是因為熱軋鋼軌的硬度明顯低于熱處理鋼軌的硬度,從而使得熱軋鋼軌的塑性變形能力大于熱處理鋼軌,最終導致熱軋鋼軌表面損傷達到均勻狀態(tài)所需沙粒的質(zhì)量要高于熱處理鋼軌.
Fig.5 Variation of erosion rate with cumulative mass of erodent at 45° impact angle圖5 45°沖蝕角度下的沖蝕率與累計沙粒質(zhì)量之間的關系
圖6(a)為不同鋼軌材料在沖蝕640 g沙粒后的穩(wěn)態(tài)沖蝕率與沖蝕角度之間的關系,可以看出,隨著沖蝕角度的增加,所有鋼軌材料的穩(wěn)態(tài)沖蝕率均呈現(xiàn)相似的總體變化趨勢,即先增加后減少,最大沖蝕率出現(xiàn)在30°至45°之間.對于熱軋鋼軌材料,HR1鋼軌的沖蝕率低于HR2鋼軌,并且隨著沖蝕角度的增加,其沖蝕率差距越來越小,直到90°時,兩者的沖蝕率幾乎相同.而對于熱處理鋼軌,大多數(shù)沖蝕角度下,HT1鋼軌的沖蝕率明顯高于HT2和HT3,而HT2和HT3兩者的沖蝕率比較接近.為了更為合理地比較這幾種鋼軌材料的抗沖蝕磨損性能,對每種鋼軌在所有沖蝕角度下的沖蝕率進行求和,得到這五種鋼軌材料各自的總沖蝕率,如圖6(b) 所示.可以得到它們的沖蝕率排序為HR2>HT1>HR1>HT2>HT3,從而可知它們的抗沖蝕磨損性能排序為熱處理過共析鋼軌>熱處理U78CrV>熱軋U71Mn>熱處理U75V>熱軋U75V.
2.2.1 表面損傷形貌
圖7和圖8分別顯示了不同鋼軌材料在45°和90°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的表面損傷形貌.從圖7可以看出,在45°角度沖蝕時,所有鋼軌損傷表面均覆蓋了大量的形狀和大小各異的片屑,另外還能觀察到一些明顯的剪切坑和犁坑,這些蝕坑的方向大致與沖蝕方向保持一致,剪切坑主要是由沙粒的平坦部分的微切削作用造成的,而犁坑主要是由沙粒的尖端部分的微犁耕作用造成的.從圖8可以看出,在90°角度沖蝕時,所有鋼軌損傷表面也覆蓋了大量的形狀和大小各異的片屑,另外還能觀察到一些壓痕坑,這些壓痕坑主要是由沙粒在法向沖擊時的反復擠壓作用造成的.盡管這些鋼軌材料的性能有一定的差異,但是其穩(wěn)態(tài)沖蝕時的表面損傷形貌比較相似.
Fig.6 Erosion rates in the steady state圖6 穩(wěn)態(tài)沖蝕率
Fig.7 SEM morphologies of damaged surfaces of different rail steels in the steady state at 45° impact angle圖7 不同鋼軌材料在45°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的表面損傷形貌
Fig.8 SEM morphologies of damaged surfaces of different rail steels in the steady state at 90° impact angle圖8 不同鋼軌材料在90°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的表面損傷形貌
2.2.2 剖面損傷形貌
圖9和圖10分別顯示了不同鋼軌材料在45°和90°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的剖面損傷形貌.從圖9可以看出,在45°角度沖蝕時,所有鋼軌材料的剖面損傷形貌主要以片屑、剪切坑及塑性流動為主.在剪切坑的前端(左側(cè))出現(xiàn)明顯的材料堆積,片屑主要出現(xiàn)在剪切坑的前端.沿著剪切坑的底部出現(xiàn)有明顯的塑性流動,片層狀珠光體發(fā)生彎曲,彎曲后的珠光體片層方向大致與沖蝕方向垂直,并且其片層間距明顯減小.從圖10可以得到,在90°角度沖蝕時,所有鋼軌材料的剖面損傷形貌特征以片屑、壓痕坑及塑性流動為主.片屑主要分布在坑的底部,有的蝕坑底部還能觀察到裂紋,如圖10(a)和(d)所示.
2.3.1 鋼軌力學性能與沖蝕率的關系
圖11顯示了這五種鋼軌材料的總沖蝕率與硬度和斷后伸長率之間的關系.對于熱軋鋼軌,HR2的總沖蝕率和硬度均高于HR1,但是其斷后伸長率卻低于HR1,而延性可以用伸長率來表征[20],即HR2鋼軌的延性低于HR1鋼軌,可知,熱軋鋼軌的抗沖蝕磨損性能與硬度呈負相關關系,與延性呈正相關關系.對于熱處理鋼軌,總沖蝕率與硬度呈負相關關系,而它們的斷后伸長率(延性)與硬度沒有相對統(tǒng)一的關系,HT2鋼軌的延性最高,其次是HT3鋼軌,最后是HT1鋼軌,因此可知熱處理鋼軌的抗磨損性能與硬度呈正相關關系,與延性沒有相對統(tǒng)一的關系.對于HR2和HT1鋼軌,可以看出,在線熱處理同時提高了HR2鋼軌的硬度和延性,而且還降低了其總沖蝕率,因此可知,其抗沖蝕磨損性能與硬度和延性均呈正相關關系.
Fig.9 SEM morphologies of cross sections of different rail steels in the steady state at 45° impact angle圖9 不同鋼軌材料在45°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的剖面損傷形貌
Fig.10 SEM morphologies of cross sections of different rail steels in the steady state at 90° impact angle圖10 不同鋼軌材料在90°沖蝕角度下穩(wěn)態(tài)沖蝕時的剖面損傷形貌
Fig.11 The correlation between the total erosion rate and the hardness and percentage elongation after fracture圖11 硬度、斷后伸長率與總沖蝕率之間的關系
2.3.2 鋼軌力學性能與沖蝕行為的關系
本文中所有鋼軌材料均為珠光體鋼,它們的斷裂韌性和彈性模量均非常接近,與其沖蝕行為無明顯聯(lián)系,但是它們的硬度與延性存在一定的差異.為了更直觀地了解鋼軌材料的力學性能(硬度和延性)是如何影響表面損傷及沖蝕性能的,因此對不同鋼軌材料進行了45°下少量沙粒的沖蝕試驗.試驗用到的沙粒的粒徑為250~300 μm,沙粒流量為20 g/min,沖蝕時間為1.5 s (即沖蝕沙粒質(zhì)量為0.5 g),由于沙粒較少,并且噴嘴內(nèi)徑為9.3 mm,最后在鋼軌表面上觀察到?jīng)_蝕損傷特征主要為分散的沖蝕坑,可以看出每個沖蝕坑主要是由單顆沙粒的單次沖擊形成的,如圖12所示.從圖12可以看出,45°沖蝕角度下,在鋼軌表面均形成了剪切坑,但是其形態(tài)有一定的差異.兩種熱軋鋼軌損傷表面的剪切坑的前端(左側(cè))均形成了大而厚的唇片[(圖12(a)和(b)],并且HR1鋼軌表面唇片的厚度大于HR2鋼軌,這主要是因為HR1鋼軌的硬度低于HR2鋼軌,更容易形成材料堆積.而HR1鋼軌的延性高于HR2鋼軌,鋼軌的延性越好,使得形成的唇片或片屑需要更多沙粒的沖擊才能斷裂并從鋼軌表面脫落,從而導致了HR1鋼軌的抗沖蝕磨損性能優(yōu)于HR2.
對于三種熱處理鋼軌[圖12(c)、(d)和(e)],表面損傷明顯輕于兩種熱軋鋼軌,HT2鋼軌和HT3鋼軌表面剪切坑形貌非常相近,均在剪切坑的前端形成了非常薄的唇片,這與兩者有相近的沖蝕率相對應.而HT1鋼軌表面損傷明顯比其余兩種熱處理鋼軌嚴重,由于HT1鋼軌的硬度相對較低,其前端唇片的厚度明顯大于其他兩種熱處理鋼軌,另外其唇片的根部部分已經(jīng)撕裂[圖12(c)],可能再受幾次沖擊,唇片就會從表面脫落,這最終導致其有較大的沖蝕率.而HT2鋼軌和HT3鋼軌的硬度雖有一定的差異,但其表面損傷形貌和沖蝕率均非常相近,這可能是因為當鋼軌硬度超過一定值后,沙粒對鋼軌的沖蝕損傷不會有明顯的變化.從HR2鋼軌和HT1鋼軌表面損傷形貌[圖12(b)和(c)]可以得到,由于HT1軌的硬度明顯高于HR2鋼軌,因此其表面唇片厚度小于HR2,但是HT1鋼軌表面形成的唇片雖小但是更容易發(fā)生斷裂,因而導致HT1鋼軌在45°下的沖蝕率稍高于HR2鋼軌.
Fig.12 SEM micrographs of surface damage of rail materials with single sand particle (250~300 μm) at the impact angle of 45°圖12 鋼軌材料在45°沖蝕角度下受到沙粒(250~300 μm)單次沖蝕后表面損傷的SEM形貌
對于延性金屬,通過其塑性變形能夠減小沖擊應力,因此延性越好,抗沖蝕磨損性能越好;硬度越高,抗沖蝕磨損性能也越好,但是硬度升高一般會伴隨著延性下降,最終表現(xiàn)出的抗沖蝕性能主要由硬度升高導致抗沖蝕磨損性能的增加與延性下降導致抗沖蝕磨損性能的減少之間的比較來決定[22,24].因此結(jié)合鋼軌的力學性能和單顆沙粒對鋼軌的沖蝕損傷形貌分析可以得出,延性對熱軋鋼軌的抗沖蝕磨損性能的影響大于硬度,而硬度對熱處理鋼軌抗沖蝕性能的影響大于延性.另外,通過在線熱處理工藝可以提升U75V鋼軌的抗沖蝕磨損性能.
材料的沖蝕模式最常見有兩種,即延性沖蝕和脆性沖蝕.主要有三種分類方法:(1) 基于沖蝕率與沖蝕角度的關系,最大沖蝕率出現(xiàn)在15°至30°范圍內(nèi)被認為是延性沖蝕,而出現(xiàn)在90°附近被認為是脆性沖蝕[38-39];(2) 基于沖蝕率與粒子速度之間的關系(E∝Vn,E-沖蝕率,V-粒子速度,n-速度指數(shù)),當2≤n≤3被認為是延性沖蝕,而當3
其中:Uw-以磨屑形式被去除材料的體積;Uc-發(fā)生位移的材料的體積;E-正向沖蝕時的沖蝕率(90°沖蝕),kg/kg;H-靶材的硬度,Pa;ρ-靶材的密度,kg/m3;V-粒子的速度,m/s.其中H以維氏硬度通過式(2)來計算.
然后將(2)式帶入(1)式可得沖蝕效率的計算公式(3).
由前面的試驗結(jié)果得到這五種鋼軌材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在30°至45°之間,按沖蝕模式分類方法(1)可知,鋼軌材料的沖蝕行為接近延性沖蝕.而通過式(3)計算可以得到這五種鋼軌的沖蝕效率,列于表3中.這五種鋼軌材料的沖蝕效率介于1.17%至1.78%之間,按沖蝕模式分類方法(3)可知這些鋼軌材料的沖蝕行為屬于延性沖蝕.
表3 鋼軌材料的沖蝕效率Table 3 Erosion efficiency of rail steels
結(jié)合前面表面損傷和剖面損傷的分析可以得到鋼軌材料的沖蝕機理.在低沖蝕角度下,材料的去除主要是因為沙粒的剪切和擠壓作用,當沙粒斜向沖擊鋼軌表面時,表面的材料沿著沖蝕方向發(fā)生塑性流動,形成剪切坑,并在剪切坑前端形成材料堆積,然后這些堆積的材料再受到后續(xù)沙粒的擠壓和剪切作用,逐漸形成片屑,這些片屑受到后續(xù)沙粒的撞擊達到臨界應變硬化后發(fā)生斷裂[42-43],最后從表面脫落.而在高沖蝕角度下,材料的去除主要是因為沙粒的反復擠壓作用,當鋼軌表面受到沙粒的多次撞擊后,表面的材料因受到反復擠壓而發(fā)生高度變形,逐漸萌生疲勞裂紋,這些裂紋逐漸擴展并相互連通導致了片屑的形成,然后這些片屑受到后續(xù)沙粒的撞擊而達到臨界應變硬化后發(fā)生斷裂,最后從表面脫落[37].
因此鋼軌材料的沖蝕機理為通過形成片屑的方式使得表面材料被去除,即“成片理論”(Platelet mechanism)[23].同時,鋼軌材料的去除機制又與當沖蝕效率遠小于100%時所對應的沖蝕機理[41]相吻合,所以鋼軌材料的沖蝕行為均屬于延性沖蝕.
a.隨著沖蝕沙粒質(zhì)量的增加,鋼軌的沖蝕率先是劇烈波動,然后再逐漸趨于穩(wěn)定,熱軋鋼軌達到穩(wěn)態(tài)沖蝕所需的沙粒質(zhì)量大于熱處理鋼軌.
b.隨著沖蝕角度的增加,鋼軌的沖蝕率先增加后減少,最大沖蝕率出現(xiàn)在30°至45°之間.五種鋼軌材料的抗沖蝕磨損性能排序為熱處理過共析鋼軌>熱處理U78CrV>熱軋U71Mn>熱處理U75V>熱軋U75V.總體上看,熱處理鋼軌的抗沖蝕磨損性能優(yōu)于熱軋鋼軌.
c.在45°沖蝕時,鋼軌的損傷特征主要為片屑、剪切坑、犁坑及塑性流動,而在90°沖蝕時,鋼軌的損傷特征主要為片屑、壓痕坑、塑性流動及裂紋;不同鋼軌材料的沖蝕損傷形貌比較相似.
d.延性對熱軋鋼軌的抗沖蝕磨損性能的影響大于硬度,而硬度對熱處理鋼軌抗沖蝕性能的影響大于延性,通過在線熱處理可以提升U75V鋼軌的抗沖蝕磨損性能.
e.五種鋼軌材料的沖蝕效率介于1.17%至1.78%之間,鋼軌材料的沖蝕模式為延性沖蝕,沖蝕機理為“成片理論”,在低沖蝕角度下,鋼軌表面材料受到沙粒的剪切和擠壓作用而形成片屑,而在高沖蝕角度下,表面的材料因受到沙粒的反復擠壓而形成片屑.