城市轨道交通SiCp/Al复合材料制动盘的温度相关制动行为与损伤演化

《Engineering Failure Analysis》：Temperature-dependent braking behavior and damage evolution of SiCp/Al composite brake discs for urban rail transit

　　服务温度通过热学与摩擦学演化主导制动行为。热积累促进温度梯度与界面不稳定性的产生。在中等温度下，稳定的第三体层可提高承载能力。高温加速裂纹扩展与热机械损伤演化。离散元方法（DEM）揭示了温度引起的制动性能退化的多尺度机制。**引言**随着城市群和都市轨道交通网络的快速扩展，城市轨道交通系统已成为连接都市区及周边区域的重要交通方式[1]。运营速度和服务频率的持续提高导致制动载荷和能量需求增大，凸显了轻量化铁路部件在提升能效和运营性能方面的必要性[2]，[3]，[4]。制动盘作为铁路车辆的关键非簧载部件，在车辆动力学特性和制动可靠性方面发挥着至关重要的作用。减轻制动盘质量可有效降低非簧载质量，从而缓解轮轨动力学相互作用、减少轮轨磨损并降低轨道维护成本[5]，[6]。碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）具有密度低、比强度高、导热性能优异以及耐磨性良好等特点，使其成为传统铸铁和锻造钢制制动盘的轻量化铁路应用的有前景替代材料[7]，[8]。已有大量研究针对SiCp/Al复合材料及其在轻量化制动盘中的应用进行了探讨，主要聚焦于材料制备[9]，[10]，[11]、增强体设计[12]，[13]，[14]以及力学性能[15]，[16]，[17]，[18]。在制备方面，Sharma等人[19]通过搅拌铸造制备了SiCp/Al复合材料，结果表明均匀分布且具有强界面结合的SiC颗粒可有效提升拉伸强度。Tang[20]和Xia[21]等人进一步优化了摩擦搅拌加工参数，以细化颗粒分布并提高复合材料的显微硬度和耐磨性。在增强体设计方面，Diler等人[22]采用中心复合设计方法优化了基体颗粒尺寸、SiC颗粒尺寸和增强体体积分数效应，而Sahin[23]和Gu[24]等人则报道增加SiC含量可显著降低复合材料的磨损率。Lakshmikanthan等人[25]进一步表明双峰粒径策略可同步提升强度和耐磨性。此外，Lee等人[13]揭示在中等至高载荷条件下，粗颗粒结合表面改性可促进稳定的机械混合层形成，从而增强耐磨性。Rao等人[26]报道较粗的增强体颗粒在基体中分布更均匀，有利于形成稳定的微观结构，提高复合材料的整体均匀性和热稳定性。Ye等人[18]进一步通过准静态和动态压缩试验证明颗粒尺寸对失效机制（包括界面脱粘和颗粒断裂）有显著影响。这些研究为SiCp/Al制动盘的材料设计与制备提供了有价值的指导。然而，现有研究大多关注简化实验室条件下的材料固有性能，对实际制动过程中遇到的复杂热力学条件关注不足。因此，SiCp/Al复合制动盘的温度依赖制动行为和损伤机制演化仍值得进一步研究。在实际制动条件下，工作温度对SiCp/Al复合材料的摩擦学性能和损伤演化起着关键作用。已有研究探讨了温度对SiCp/Al基材料摩擦行为、力学退化和热损伤机制的影响[27]，[28]，[29]。Liu等人[30]报道温度升高加速了A359 SiCp/Fe复合材料中磨损层的退化，并伴随主导磨损机制从磨料磨损和分层磨损向氧化磨损和塑性流动转变。Pan等人[31]进一步表明SiCp/A356复合材料的界面磨损机制在高温下从第三体薄膜主导行为转变为以松散第三体颗粒为主的磨料磨损。热循环研究也表明反复热暴露可使Al-SiC复合材料的微观结构完整性和力学性能恶化[32]。此外，Zang等人[33]和Shen等人[34]通过热循环实验、微观结构表征和数值建模研究了SiCp/A356制动盘的温度极限，为确定允许工作温度范围提供了有价值的指导。同时，基于有限元分析和计算流体动力学的数值研究已被用于预测温度分布并阐明SiCp/Al制动盘中的热致失效机制[35]，[36]，[37]。尽管取得上述进展，现有研究主要关注单一方面，如磨损行为、热退化或温度极限。在城市轨道交通高频热机械循环条件下，热传输、第三体层行为、介观损伤累积和宏观制动性能之间的耦合演化机制仍尚不明确。针对上述问题，本研究通过制动实验与顺序耦合热-力学离散元模拟相结合，研究了SiCp/Al复合制动盘的温度依赖制动行为和损伤演化。通过宏观测试、SEM/EDS分析和数值建模，系统表征了温度对制动性能、热响应、摩擦行为和界面第三体层演化的影响。此外，采用离散元方法（DEM）揭示了不同温度条件下温度场演化、接触退化、裂纹扩展和能量耗散的介观演化过程。基于这些结果，建立了将热传输行为、第三体层演化、热-力学损伤发展和制动性能联系起来的多尺度机制，为城市轨道交通系统中SiCp/Al复合制动盘的热管理和工程应用提供了理论依据。**轻量化摩擦副材料**本研究针对一款由国内制造商为城市轨道交通应用开发的SiCp/Al制动盘及其配套商用合成制动衬片进行了研究，如图1所示。该制动盘采用粉末冶金工艺制造，以A356铝合金为基体，SiC颗粒（28 vol%体积分数，名义粒径20 μm）为增强相。微观观察确认SiC颗粒均匀分布。**表面热积累**为阐明SiCp/Al复合制动盘在不同服务温度条件下的热响应，首先表征了温度依赖的热扩散系数。如图4所示，SiCp/Al复合材料的热扩散系数随温度升高而持续降低。这一降低表明材料在高温下的散热能力逐渐减弱，限制了摩擦热从接触区域的传输。**SiCp/Al制动盘通过DEM揭示的微观力学损伤机制**前述摩擦学分析表明，随着服务温度的升高，摩擦界面从稳定的承载状态演化为以损伤累积为主导的不稳定状态，最终导致第三体层开裂和剥落。然而，第三体层的失效和不稳定性并非仅仅是表面现象；它们本质上是由近表面区域介观损伤的渐进累积所驱动的。**SiCp/Al制动盘温度依赖制动行为的机制**通过整合宏观制动性能结果、摩擦界面微观表征以及顺序耦合热-力学DEM模拟，SiCp/Al复合材料的温度依赖制动机制总结于图16。服务温度通过影响热传输行为、第三体层演化和内部热-力学应力状态来主导摩擦界面的承载能力和制动性能的演化。**结论**本研究在城轨列车频繁启停工况下，研究了服务温度对SiCp/Al轻量化摩擦副制动性能和磨损损伤演化的影响。通过将摩擦学实验与顺序耦合热-力学DEM模拟相结合，系统揭示了SiCp/Al复合制动盘的温度依赖制动行为及其内在损伤机制。主要结论总结如下：（1）**CRediT作者贡献声明****曾东亮（Dongliang Zeng）**：撰写—初稿、资源、调查、数据整理。**廖彩奇（Caiqi Liao）**：撰写—初稿、可视化、软件、调查。**张奇祥（Qixiang Zhang）**：。****：监督、资源、项目管理、方法学。**王凯云（Kaiyun Wang）**：项目管理、方法学、经费获取。**致谢**本工作得到**国家自然科学基金**（项目编号：52388102）的资助。曾东亮|廖彩奇|张奇祥||王凯云