轮轨系统是轨道交通中与安全最为直接相关的重要走行部件系统。随着我国铁路运输的快速发展,轮轨间的磨损和接触疲劳等问题日益突出,这将直接影响轮轨的使用寿命,以致危及整车的安全稳定运行。而在磨损过程中,轮轨踏面表层材料组织结构及其力学性能也在发生变化,因此选取典型轮轨材料研究磨损过程中的组织结构变化对轮轨材料的设计制造以及轮轨材料匹配具有重要意义。本文利用光镜、扫描电镜(SEM,附带T-EBSD分析)、透射电镜(TEM)进行观察,研究运行下线的CL60车轮、U71Mn钢轨和试验室条件下的CL65车轮钢、U75V钢轨钢滚动/滑动磨损过程中的组织结构演变以及不同类型白层组织的形成机制。在轮轨服役期间,刹车、蠕滑等因素会导致轮轨接触面表层温度迅速升高至奥氏体化温度,由于温升速度快、保温时间极短,形成的奥氏体晶粒非常细小(小于1微米),导致随后极速冷却形成的马氏体也是超细晶粒。同时由于原始渗碳体在奥氏体化中溶解不充分,在形成的马氏体组织中还残留非常细小的碳化物,使得形成的这一白层组织具有超高的硬度。马氏体白层组织形成后,后续的使用会导致形成的马氏体继续发生塑性变形,最后在表层组织中形成过饱和α相纳米晶。轮轨踏面相变白层的形成属于热和塑性变形综合作用机制。在滚动磨损过程中,由于受到压应力和剪切应力的作用,表层珠光体发生塑性变形,使得珠光体片层方向逐渐趋向于平行磨损表面,同时,珠光体片层间距也逐渐减小。当片层间距小于1OOnm时,大部分渗碳体出现断裂、溶解现象,而珠光体中的铁素体也由于塑性变形而使亚晶细化,最后形成具有一定择优取向的条状铁素体,其间分布着未溶解的细小渗碳体。亚共析钢中的先共析铁素体由于强度较低也会因塑性变形而发生亚晶粒细化,部分亚晶界逐渐转化成大角度晶界使铁素体细化。受转轴径向周期性振动的影响,在滚动磨损的主/陪试样表面出现多边化磨损现象,对其磨损表面形貌、几何尺寸和微观组织与性能的分析表明,形成的波峰主要是粘着磨损,而波谷主要是疲劳磨损。无论是波峰还是波谷,在磨损过程中表层都发生了塑性变形硬化,但波峰和波谷的硬化程度和规律不同:(1)波谷表面硬度高于波峰表面硬度;(2)波谷的最高硬度出现在表面而波峰的最高硬度出现在次表面;(3)波谷的硬化层深度大于波峰。对环-块滑动磨损试验中的块试样(CL65)在磨损过程中表层组织变化的研究表明,磨损过程中表层片状珠光体发生了塑性变形,片层间距减小,铁素体片内形成大量位错,渗碳体片部分发生断裂、溶解。塑性变形继续增加,渗碳体开始大量溶解变成颗粒状,铁素体片内位错增殖、缠结,形成位错墙,在铁素体片内形成多个短棒状甚至是等轴状的位错胞,并逐渐转变为小角度的亚晶界。塑性变形再增大,在亚晶粒进一步细化的同时,这些小角度的亚晶界会通过位错增殖与湮灭,使晶粒不断旋转而成为大角度晶界,并且晶粒取向随机,使晶粒细化到纳米量级。由于这一表层的碳化物发生了断裂、细化和溶解,使得材料的耐腐蚀性提高,因此在光学显微镜下表现为白层,属于塑性变形机制。