铁路货车车轮踏面周向裂纹的尺寸特征与损伤机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Size Features and Damage Mechanism of Circumferential Cracks on Wheel Tread in Railway Freight Train

　　

研究人员对铁路货车车轮踏面周向裂纹的尺寸特征与损伤机制进行了研究。首先测量了周向裂纹的尺寸特征，包括其在踏面上的分布、裂纹尺寸和裂纹角度。周向裂纹沿车轮踏面中心区域的滚动圆方向连续分布。裂纹扩展角度相对较小。此外，裂纹扩展角度、长度和深度与轮缘外侧距离呈正相关。采用基于循环塑性本构理论（cyclic plastic constitutive theory）的有限元方法（finite element method, FEM）研究了车轮踏面周向裂纹尺寸特征的损伤机制。结果表明，周向裂纹主要萌生于距轮缘外侧64–66 mm处，平均扩展角度为16.97°，平均深度为0.71 mm。从62 mm到69 mm的高塑性应变区完全覆盖了裂纹萌生区域，表明横向力诱导的棘轮效应（ratcheting）主导了周向裂纹的形成。

铁路货车车轮踏面连续剥落是最常见的车轮损伤形式，显著影响列车乘坐舒适性和运行安全。根据损伤驱动力，连续剥落分为四种类型：RCF1（滚动接触疲劳1型）至RCF4（滚动接触疲劳4型）。RCF1为踏面外侧倾斜裂纹，在纵向和横向蠕滑力联合作用下扩展；RCF2主要发生在轮缘根部区域，由轮轨接触严重引起；RCF3为位于中心滚动圆的横向裂纹，扩展角度典型为0°–10°。现有研究已对RCF1、RCF2和RCF3的尺寸特征和损伤机制进行了深入探讨，并提出了相应的缓解措施。然而，RCF4（周向裂纹）沿车轮踏面中心区域的滚动圆方向连续分布，与其他类型不同，其裂纹平行于滚动方向扩展，且易迅速演变为大面积连续剥落，导致车轮提前报废。目前，关于RCF4周向裂纹的研究相对稀少，现有文献仅报告了现场调查中RCF4损伤的发生，但缺乏对其尺寸特征的系统测量和统计分析，且未揭示RCF4裂纹特征尺寸（长度、深度、扩展角度）与损伤机制之间的定量关系。因此，有必要对RCF4周向裂纹的尺寸特征和损伤机制进行专门且深入的研究。

研究人员系统研究了失效铁路货车车轮踏面RCF4周向裂纹的尺寸特征与损伤机制。首先，对周向裂纹的分布位置、裂纹长度、深度和扩展角度进行了精确测量和统计分析。然后，基于循环塑性本构理论建立了轮轨有限元模型，模拟了循环滚滑接触载荷下的塑性应变累积和应力演化。通过模拟力学场分布与实测裂纹尺寸特征的关联，揭示了RCF4周向裂纹特征尺寸的损伤机制。这些发现为铁路维护记录编制提供了科学依据，并为在役车轮周向裂纹的识别和检测提供了参考。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

主要关键技术方法包括：第一，样本来源与制备：失效车轮为HESA型铁路货车车轮，材质CL60钢，直径840 mm，轮缘厚度50 mm，轮缘宽度135 mm；采用两阶段切割流程，从失效车轮沿周向裂纹扩展方向提取5个均匀径向厚度25 mm的车轮块，再从中加工得到50个10 mm × 10 mm × 10 mm立方体试样，用于微观表征。第二，裂纹几何参数测量：使用光学显微镜在50倍放大下获取裂纹图像，建立统一三维坐标系（纵向为车轮滚动圆周方向，横向为平行车轴的轮轨横向力方向，垂直为垂直于踏面的径向方向），测量裂纹扩展角度、垂直穿透深度（H）和截面内扩展长度（L），并记录裂纹路径距轮缘外表面的距离及裂纹扩展方向与横向轮轨接触力之间的倾角。第三，基于循环塑性本构理论的有限元模型建立：在HyperMesh中划分网格（非接触区网格尺寸15 mm，总网格数219302，节点数233925），导入Abaqus建立完整模型；施加垂直力153 kN（对应轴载）和横向力24.4 kN；滚动弧度0.025，滚动距离10.5 mm，模拟10个循环加载周期；采用Chaboche循环本构强化模型，材料参数通过CL60钢单轴拉伸试验（应变率10^-4 s^-1）获得，包括弹性模量E=206 GPa、泊松比ν=0.3、屈服应力σ_y0=690 MPa，各向同性硬化参数Q=621 MPa、b=39，随动硬化参数三组（C₁=524, γ₁=24991；C₂=289, γ₂=168009；C₃=25, γ₃=9971）。

研究结果如下：

**3.1 周向裂纹的尺寸特征**：测量表明，周向裂纹主要分布在距轮缘外表面64–66 mm的区域内，平均距离为64.8 mm，靠近踏面中心。裂纹与横向力的夹角主要在75°–90°之间，平均83.8°，表明裂纹沿滚动圆方向扩展，故称为周向裂纹。裂纹扩展角度主要分布在10°–20°之间，呈正态分布，平均值为16.97°；裂纹深度平均0.71 mm，最大1.60 mm；裂纹长度平均2.20 mm，最大4.70 mm。裂纹扩展角度、深度与距轮缘外表面距离呈二次多项式正相关（R²分别为0.9638和0.9227），而截面扩展角度与位置无明显单调关系，数据离散。这说明踏面中心承受更大横向接触力，产生连续上升的驱动力，导致裂纹角度和深度呈二次增长；而截面扩展角度对局部应力扰动和亚表层塑性应变不均匀累积高度敏感，呈现随机性。

**3.2 周向裂纹尺寸特征的损伤机制**：通过有限元模拟得到不同循环次数下轮缘截面等效塑性应变（PEEQ）云图。第10次循环的最大PEEQ显著高于第1次，踏面表层塑性应变低于次表层区域，高塑性应变区主要沿周向扩展，并在横向力作用下向轮缘外侧方向扩展。第10次循环后，高塑性应变区分布在距轮缘外表面62–69 mm范围内，完全覆盖了实测周向裂纹萌生区间（64–66 mm）。选取踏面最大塑性应变处（距轮缘外表面67 mm）向轮缘外侧方向的4个等距节点分析，发现靠近踏面中心的点1和点2出现显著塑性累积，且点1大于点2，而远离中心的点3和点4无明显塑性累积。累积塑性应变的空间分布与实测周向裂纹萌生区严格对应，表明不可逆塑性累积是RCF4周向裂纹成核的直接前兆。

**3.3 周向裂纹深度和角度的损伤机制**：轮截面剪切应力云图显示，在横向力作用下，最大剪切应力区域随循环次数增加逐渐向轮缘外侧移动。剪切应力先增大后减小并最终稳定，最大剪切应力为246 MPa，第10次循环时稳定在139 MPa。塑性变形云图与剪切应力分布一致，表明高塑性应变区随循环次数向轮缘外侧移动。轮截面特征点的累积等效塑性应变随循环次数单调增加，表现出棘轮行为：第一次加载塑性应变快速上升，之后进入稳态线性增长阶段，10个循环内最大累积塑性应变达1.44%。以1.22%塑性应变作为参考边界（因为该值对应进入稳态棘轮阶段），将塑性应变超过1.22%的区域与实测裂纹对比，发现实测裂纹扩展角度均落在模拟高塑性应变区的角度范围内，且模拟高塑性应变区深度与实测裂纹深度在各位置吻合良好，误差小且趋势一致。这证实了周向裂纹在塑性变形区内发育，明确了裂纹角度和深度传播的损伤机制。

讨论部分总结：横向力驱动的梯度棘轮效应主导了RCF4周向裂纹特征几何尺寸的形成。横向接触力的非均匀径向分布产生了空间梯度塑性累积场，使累积塑性应变的大小和增长率向踏面中心显著增加，从而产生与位置相关的裂纹几何特征：靠近踏面中心的裂纹具有更大的穿透深度和更大的踏面扩展角度，而截面扩展角度无一致增长趋势。数值预测的高塑性应变区（62–69 mm）完全覆盖了实测裂纹萌生区间（64–66 mm），验证了模拟得出的梯度棘轮损伤机制。

研究结论翻译如下：
（1）周向裂纹沿车轮踏面中心区域的滚动圆方向连续分布。在截面视图中，裂纹扩展角度相对较小。此外，裂纹扩展角度、长度和深度表现出与轮缘外侧距离相关的位置依赖性。模拟的累积塑性应变分布范围与周向裂纹的萌生区紧密对应。
（2）在循环轮轨接触载荷下，塑性应变呈现两阶段累积：第一次加载循环内出现急剧应变增量，从第二次循环起进入近似线性增长阶段。当塑性应变达到1.22%时，累积速率逐渐减慢，但在整个10个循环模拟中塑性变形从未停止，最大累积塑性应变最终达到1.44%。在横向接触力驱动下，承受高剪切应力和严重塑性变形的区域沿横向持续向车轮轮缘外侧移动。
（3）横向力驱动的梯度棘轮效应主导了RCF4周向裂纹特征几何尺寸的形成。横向接触力的非均匀径向分布产生空间梯度塑性累积场，累积塑性应变的大小和增长率向踏面中心显著增加。这种梯度变形场产生与位置相关的裂纹几何：靠近踏面中心的裂纹具有更大的穿透深度和更大的踏面扩展角度，而截面扩展角度未捕获到一致的增长趋势。数值预测的高塑性应变区（距轮缘外侧62–69 mm）完全覆盖了实测裂纹萌生区间（64–66 mm），验证了模拟结果推导出的梯度棘轮损伤机制。