钢轨作为提供列车连续平稳运行表面的重要部件,由于外界因素导致的钢轨表面缺陷将在轮轨滚动接触过程中严重影响列车的安全运行。因此,为了保证具有表面缺陷钢轨的安全服役性能,深入系统地研究表面缺陷对钢轨滚动磨损及接触疲劳性能的影响,提出相应的表面缺陷临界尺寸及形貌,对现场钢轨表面缺陷的去除具有重要的理论指导意义。利用MMS-2A摩擦磨损试验机,基于钢轨轨头存在的两种不同类型表面缺陷进行轮轨滚动模拟试验,利用维氏显微硬度仪、光学显微镜(OM)、激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)等研究了表面缺陷对钢轨磨损性能及滚动接触疲劳性能的影响,利用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了滚动接触过程中钢轨微观组织演化及裂纹萌生扩展的规律。论文主要研究工作及结论如下:(一)表面硌伤对钢轨滚动磨损及接触疲劳性能的影响(1)随着硌伤坑尺寸的增加,硌伤缺陷附近材料受到的局部接触应力增加,进而加剧钢轨疲劳损伤。当钢轨表面圆形硌伤坑深度达到348μm时将会出现向材料内部扩展的大角度裂纹;硌伤坑边缘形貌的尖锐化会使硌伤坑表面损伤由起皮向大块剥落损伤恶化,其剖面裂纹的扩展角度也急剧增大,深度仅超过140μm的道砟硌伤坑底部材料即会出现马氏体转变,在硌伤坑附近能萌生长尺寸、大角度的严重疲劳裂纹。试验结果表明,裂纹在硌伤坑附近的扩展速度是其在未硌伤钢轨上扩展速度的1.69倍,利用ABAQUS软件模拟裂纹在硌伤缺陷附近的扩展速率与试验结果相似。(2)滚动接触疲劳裂纹在硌伤坑前、后部分布不均。在单向切向力的作用下,塑性变形层在硌伤坑前部累积,其表层材料变形区的晶粒发生严重形变,在细化晶粒的同时形成较多大角度晶界晶粒,并使其获得较高的应变,在高应变作用下,细化后的晶粒被拉长成纤维状织构,为裂纹在硌伤坑前部扩展提供了先决条件。(二)表面脱碳对钢轨滚动磨损及接触疲劳性能的影响(1)在干态工况下,脱碳钢轨的磨损率较未脱碳钢轨磨损率急剧增大,脱碳厚度对钢轨表面损伤形式、磨损类型等具有显著影响。脱碳钢轨上裂纹沿着铁素体线或铁素体与珠光体的边界扩展,当脱碳层厚度到达临界值0.5mm时,裂纹扩展速率急剧增加。(2)在水态工况下,脱碳钢轨裂纹扩展速率急剧增长,且与未脱碳钢轨试样相比,呈现明显不同的表面损伤形貌。随着循环次数的增加,脱碳钢轨表面损伤逐渐从小块起皮演化成大块剥落,裂纹扩展角度进一步增大并伴随穿晶扩展。(三)表面缺陷钢轨的疲劳损伤机理及临界尺寸分析(1)两种不同类型的缺陷主要通过钢轨组织转变引起钢轨的表面损伤行为以及滚动接触疲劳损伤机制发生转变。道砟硌伤坑底部出现白层,钢轨表面损伤以均匀条状分布的黏着损伤为主;脱碳缺陷使得珠光体转变成铁素体,表层材料剪切应力降低,试样表面的黏着斑呈现不均匀分布的特点。基于硌伤缺陷前部塑性变形严重以及应力集中的特点,硌伤坑前部裂纹扩展驱动力较大,其扩展形式以大角度扩展为主;基于脱碳缺陷材料上铁素体含量高、剪切强度低的特点,表面脱碳的材料上裂纹扩展形式以长裂纹、多层裂纹为主。(2)对于深度超过400μm的圆形硌伤坑,应将其深度打磨至200μm以内,同时也应保证其最大宽度不超过3mm;对于深度超过140μm的不规则硌伤坑应该完全打磨至硌伤坑底部并继续打磨100μm左右,以彻底去除硌伤坑底部的材料转变区;对于钢轨轨头上厚度超过0.5mm的脱碳层,应立即对其表面进行打磨,将其厚度控制在0.3mm以内。