白色蝕刻層：高速鐵路和城市地鐵的風(fēng)險(xiǎn)

與公路和航空旅行相比，鐵路運(yùn)輸效率高（提高了6倍），排放低（CO2，NOx和PM降低了6倍），但僅占全球客運(yùn)和貨運(yùn)量的10％（來源：IEA報(bào)告）。 隨著印度和中國(guó)的高速鐵路網(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配合鐘表安排和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模出行?？焖俚募訙p速曲線觸發(fā)了一種獨(dú)特的降級(jí)模式，稱為“白色蝕刻層（WEL），這是跟蹤完整性的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些層的剝落導(dǎo)致形成下蹲現(xiàn)象，這會(huì)增加噪音水平和影響乘車質(zhì)量的垂直沖擊力。（資料來源：印度季風(fēng)期間孟買動(dòng)車組車輪上的馬氏體形成，第四屆鐵路摩擦大會(huì)）。長(zhǎng)途火車的高速行駛和較重的貨運(yùn)車軸負(fù)載往往會(huì)加速在輪-輪界面處的其他故障模式（圖1a，1b）。報(bào)告顯示，由于深蹲和其他缺陷，英國(guó)和荷蘭每年花費(fèi)數(shù)百萬歐元進(jìn)行賽道維護(hù)。

圖1 A.鐵路車輪接口處的不同故障模式會(huì)影響安全性，維護(hù)和行駛質(zhì)量 

圖1b導(dǎo)軌頭上不同故障模式的位置（過度磨損，多個(gè)RCF裂紋和WEL）

歷史上已經(jīng)部署了三種重要的策略來解決故障 

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

（B）路邊摩擦改進(jìn)劑-軌道潤(rùn)滑（頂部和壓力計(jì)），用于控制軌道輪界面處的摩擦，以減少次表面應(yīng)力，磨損強(qiáng)度和RCF。法蘭潤(rùn)滑典型的COF <0.2，而軌頭潤(rùn)滑典型的COF在0.3到0.4之間。 

（C）預(yù)防性維護(hù)-鋼軌磨削以去除表面裂紋（即，受控磨損）并恢復(fù)鋼軌輪廓，以減少應(yīng)力熱點(diǎn)并延長(zhǎng)RCF壽命。但是，計(jì)劃外和反復(fù)的維護(hù)會(huì)干擾城市的出行（例如，孟買地鐵每天要乘坐700萬名乘客）

與基礎(chǔ)微結(jié)構(gòu)相比，白色蝕刻層往往更硬，韌性更差，因此與傳統(tǒng)的RCF裂紋相比，會(huì)導(dǎo)致過早失效并縮短使用壽命。這些失敗是如何產(chǎn)生的？ 

鐵路車輪接觸的典型工作條件如表2所示，并顯示了鐵路軌頂部和車輪法蘭的不同滾動(dòng)滑動(dòng)條件。

表2-車輪接觸時(shí)的典型壓力和滑動(dòng)條件

白色蝕刻層與具有較高硬度，降低的延展性和有害殘余應(yīng)力的轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)區(qū)域相關(guān)。裂紋很容易在WEL或WEL基礎(chǔ)材料界面內(nèi)傳播。WEL的形成是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，具有相反的理論，如表3所示。 

表3-WEL的機(jī)械和熱驅(qū)動(dòng)構(gòu)造

Ducom雙盤（滾子RoR上的滾子）提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，可以在輪-輪接口處再現(xiàn)特征條件（表4）。高達(dá)4 GPa的接觸壓力和100％的滑移率可以加速“機(jī)械驅(qū)動(dòng)WEL ”的形成。獨(dú)特的加熱設(shè)備（溫度為700攝氏度）可以增加“熱驅(qū)動(dòng)WEL ”的形成（請(qǐng)參見圖5）

表4-Ducom雙盤（RoR）的接觸壓力，％滑差和溫度能力

圖5-Ducom雙盤（RoR）的環(huán)境溫度雙盤配置和600攝氏度的磁盤配置

了解材料和引發(fā)WEL形成的條件，這是一個(gè)關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)問題，將有助于開發(fā)更好的解決方案。

Ducom雙盤（RoR）可以模擬接觸壓力，軋制過程中的侵蝕滑移率以及升高的溫度，這些溫度會(huì)觸發(fā)鐵路頭和車輪上形成白色蝕刻層。