【摘 要】
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随高速和重载铁路的快速发展,钢轨磨损和滚动接触疲劳问题愈加突出。微观组织是影响金属材料机械性能和磨损与损伤行为的核心因素。因此,调节钢轨材料微观组织结构参数,研究微观组织对钢轨材料磨损与滚动接触疲劳性能的影响,对提高钢轨服役性能具有重要的理论意义和工程价值。本文通过对钢轨试样进行热处理得到不同的珠光体片层间距、珠光体团尺寸和奥氏体晶粒尺寸。利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机对钢轨试样进行了
【基金项目】
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国家自然科学基金（51775455、51975489）； 四川省科技厅重大科技专项、牵引动力国家重点实验室自主研究课题（2018TPL-T02）；
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随高速和重载铁路的快速发展,钢轨磨损和滚动接触疲劳问题愈加突出。微观组织是影响金属材料机械性能和磨损与损伤行为的核心因素。因此,调节钢轨材料微观组织结构参数,研究微观组织对钢轨材料磨损与滚动接触疲劳性能的影响,对提高钢轨服役性能具有重要的理论意义和工程价值。本文通过对钢轨试样进行热处理得到不同的珠光体片层间距、珠光体团尺寸和奥氏体晶粒尺寸。利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机对钢轨试样进行了滚动磨损试验和滚动接触疲劳试验,分析了三种微观组织参数对钢轨磨损与滚动接触疲劳性能的影响规律,揭示了不同微观组织钢轨材料的磨损与滚动接触疲劳损伤机理,建立了三种微观组织参数与磨损和滚动接触疲劳性能之间的定量关系。论文研究的主要结论如下:（1）通过调节热处理温度和保温时间,获得不同的珠光体片层间距（0.16μm、0.18μm、0.26μm、0.33μm）、珠光体团尺寸（5.4μm、8.6μm、9.7μm、10.6μm）和奥氏体晶粒尺寸（40μm、69μm、85μm、99μm、135μm）的钢轨组织。（2）随珠光体片层间距、珠光体团尺寸、奥氏体晶粒尺寸的增加,钢轨试样磨损率均呈增加趋势,三种微观组织参数对滚动磨损性能的影响程度为:珠光体团尺寸（0.209）>珠光体片层间距（0.120）>奥氏体晶粒尺寸（0.071）。（3）滚动磨损试验后,随珠光体片层间距、珠光体团尺寸、奥氏体晶粒尺寸的增加,钢轨试样裂纹长度减小角度增加。三种微观组织参数对相对裂纹损伤程度的影响大小为:珠光体片层间距（1.075）>珠光体团尺寸（0.663）>奥氏体晶粒尺寸（0.618）。（4）不同珠光体片层间距和珠光体团尺寸的钢轨试样滚动磨损后,表层材料产生严重的塑性变形,当塑性变形累计到一定程度后微裂纹萌生,并扩展成为表面裂纹,表面裂纹断裂形成磨屑,导致磨损。对于不同奥氏体晶粒尺寸的钢轨试样,由于在奥氏体晶界有较软的铁素体析出,塑性变形过程中形成铁素体流动线,裂纹容易在此萌生并沿铁素体流动线扩展。（5）滚动接触疲劳试验后,疲劳裂纹呈现“C”字形扩展,在裂纹扩展前端会产生枝裂纹,滚动接触疲劳裂纹均穿过塑性变形层后进入材料基体区域。裂纹多以沿晶、垂直片层方向和平行片层方向的方式扩展。随珠光体片层间距的增加,滚动接触疲劳裂纹深度和剖面裂纹“C”型曲线长度均呈增加趋势。（6）珠光体片层间距为0.16μm时,钢轨试样的滚动接触疲劳寿命为20.5×10~5转,高于未进行热处理的钢轨试样（17.54×10~5转）,疲劳寿命提升了14.4%。
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