白色蝕刻層:高速鐵路和城市地鐵的風(fēng)險

與公路和航空運輸相比，鐵路運輸效率高(高6倍)，排放低(二氧化碳、氮氧化物和PM低6倍)，但僅占全球客運量和貨運量的10%(來源:IEA報告)。隨著印度和中國高鐵網(wǎng)絡(luò)和電氣化的發(fā)展，這種情況正在迅速改變。此外，城市化和智慧城市需要地鐵來實現(xiàn)大規(guī)模出行，鐵路運輸具有準(zhǔn)時的時效以及點對點的連接優(yōu)勢。

快速加速-減速剖面會觸發(fā)一種獨特的退化模式，稱為“白色蝕刻層(WEL)”，這是跟蹤完整性的潛在風(fēng)險。這些層的散裂導(dǎo)致了下沉的形成，從而增加了噪音水平和影響乘坐質(zhì)量的垂直沖擊力。(來源:印度孟買動車組車輪在季風(fēng)期間的馬氏體形成，第四次鐵路摩擦?xí)h)。長途列車的高速度和較重的貨物軸載荷往往會加速軌道-車輪界面的其他失效模式(圖1a, 1b)。報告顯示，在英國和荷蘭，由于下沉和其他缺陷，每年要花費數(shù)百萬歐元進(jìn)行軌道維護(hù)。

圖1 A 影響行車安全、維護(hù)和行駛質(zhì)量的不同故障模式 

圖1b軌道頂端不同失效模式位置(過度磨損、多RCF裂紋和WEL)

從歷史上看，有三種重要的策略被用來解決故障

(1)先進(jìn)材料-高強(qiáng)度和韌性珠光體鋼和貝氏體鋼，激光熔覆具有更高的耐磨性和滾動接觸疲勞壽命(RCF)。

(B)軌旁摩擦改進(jìn)劑-軌道潤滑(頂部和軌距)，以控制軌輪界面的摩擦，以降低應(yīng)力、磨損強(qiáng)度和RCF。法蘭潤滑需要典型的COF<0.2，軌道頂端潤滑要求為0.3 - 0.4。

(C) 預(yù)防性維護(hù)-鋼軌打磨以消除表面裂紋（即受控磨損），恢復(fù)鋼軌輪廓，減少應(yīng)力熱點，延長RCF壽命。然而，不定期和重復(fù)的維護(hù)干擾了城市的交通(例如，孟買地鐵每天運送700萬乘客)

與基體組織相比，白色蝕刻層更硬，韌性更低，因此與傳統(tǒng)RCF裂紋相比，會導(dǎo)致過早失效和壽命縮短。這些失敗是如何產(chǎn)生的?

表2顯示了輪軌接觸的典型操作條件，并顯示了輪軌頂部和輪緣的不同滾動滑動條件。

表2-輪軌接觸時的典型壓力和滑動條件

白色蝕刻層與轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)區(qū)都有較高的硬度，降低的延展性和有害的殘余應(yīng)力。裂紋很容易在WEL或WEL基材界面內(nèi)擴(kuò)展。WEL的形成是一個活躍的研究領(lǐng)域，表3總結(jié)了相反的理論。

表3——WEL的機(jī)械和熱驅(qū)動形成

Ducom雙盤摩擦磨損試驗機(jī)（滾柱對滾柱RoR）提供了一個真實的實驗室平臺，可以重現(xiàn)軌道-車輪界面的特征條件(表4)。接觸壓力高達(dá)4gpa，滑移率為100%，可以加速“機(jī)械驅(qū)動WEL”的形成。一個獨特的加熱設(shè)備(溫度700℃)可以增強(qiáng)“熱驅(qū)動WEL”的形成(見圖5)

表4 - Ducom雙滾輪(RoR)的接觸壓力、滑移率和溫度性能

圖5-Ducom雙盤（RoR）的環(huán)境溫度雙盤配置和600℃塊對盤配置

了解引發(fā)WEL形成的材料和條件（一個關(guān)鍵的現(xiàn)場問題）將有助于開發(fā)更好的解決方案。

Ducom雙盤摩擦磨損試驗機(jī)（RoR）可以模擬接觸壓力、軋制過程中的侵蝕性滑移率以及被認(rèn)為會在鋼軌頂部和車輪中形成白色蝕刻層的高溫。