高级钢轨的力学性能和磨损性能外文翻译资料

英语原文共 7 页

Mechanical properties and wear performance of premium rail steels
高级钢轨的力学性能和磨损性能

Francisco C. Robles Hernaacute;ndez a,lowast;, Nicholaos G. Demas b, Dave D. Davis a, Andreas A. Polycarpou b, Luis Maal c

摘要

美利坚合众国的铁路工业每年花费约20亿美元用于铁路更换和维修。运输技术中心公司（TTCI）是美国铁路协会科罗拉多州在普韦布洛的全资子公司，它一直以来进行着全面的铁路性能测试，这项测试意味着数百万美元的投资和很多年去完成。

该研究论文致力于开发一种简单的实验室技术作为轨道性能的筛选方法，该方法成本效益高且开展快，旨在用于全面测试之前。实验室测试包括球盘式的纯滑动实验，在目前的研究中使用了来自不同制造商的高级钢轨，其测试的结果都提供在本文中。 TTCI在加速服务测试设施（FAST）上进行了全面的铁路性能测试，该测试由4.4公里的铁路重载荷轨道组成。本文介绍的球盘和全面测试的结果分别对应于最新一代高级（珠光体）钢轨和一种贝氏体钢轨。这种钢轨由六个铁路制造商生产。 FAST和球盘试验表明，在高接触压力（重载荷运输条件）下，贝氏体钢轨性能不如珠光体钢轨。由于在球盘和全面测试中动力存在显着差异，两个测试之间没有直接关系。尽管如此，球盘测试可用于区分本研究测试的两代钢轨之间的磨损性能；因此，在全面测试之前，球盘测试可用作筛选方法。

关键词：磨损；高级钢轨；铁路工业；球盘测试

1.简介

开发新型轨道材料的主要目标是改善其磨损性能和机械性能。从研究历史上看，实现这一目标的主要方法是制造具有较高初始体积硬度的钢轨钢，这是通过添加其他元素（主要是碳）形成合金来实现的。然而，理论上对珠光体钢可达到的硬度有限制。因此，需要检验比珠光体更硬的其他钢微观结构，例如贝氏体，并从根本上可以改善钢轨磨损性能^[1-7]。多年来，人们总结出了钢轨的硬度和磨损之间的关系^[8]，并认为珠光体钢轨的铸造技术和成品几乎达到了目前的极限；因此，我们很难将珠光体钢轨的磨损性能提高到超越目前的状态^[1,3]。

伊利诺伊大学厄本那-香槟分校（UIUC）在联邦铁路管理局（FRA）和美国铁路协会（AAR）的联合资助下开展了一项实验室测试，该测试预测了铁路性能，与全面测试相比减少了用于轨道磨损测试的时间和金钱。尽管这种测试已被证明是一种良好的钢轨筛分技术，但仍不可能预测实验室水平的整体钢轨性能。这主要是由于收入或FAST等全面列车动态的复杂性。

本研究报告描述了对从新旧轨道中提取的轨道样品进行全面和球盘测试的结果。对于两种测试方法，所有测试的钢轨都是相同的。事实上，本文中标识为“已使用”的球盘测试样本是从在FAST重载荷运输时长超过4年的轨道中提取的。在这段时间内，使用的珠光体钢轨样品的累计交通量为4.35亿公吨（MGMT），贝氏体钢轨的累计交通量为275 MGMT。测试是大部分是在珠光体的高级钢轨上进行的，除了一个贝氏体钢轨（AAR开发并编码为J6）。它是由于过度磨损，在承载交通量达到275MGMT后从FAST移除。这些用于球盘测试的轨道样品被称为高轨或“HR”，因为它们是从FAST曲线轨道的外部（或高）轨道中提取的; MGMT是指公吨兆吨的累计铁路吨位。

高级钢轨由高碳钢制成，具有珠光体微观结构，适用于高轨性能应用（即较高负载，滚动接触疲劳，磨损等）。理想情况下，用于曲率大于2°的曲线时， 这些钢轨每轴承受35.5公吨的标称载荷。曲率的大小通常在美国定义为由100英尺（30.48米）的弦所对应的中心角。这意味着1°曲率在曲线据弦之间的中心处有1英尺（30.48厘米）。
在开发“高级钢轨”之前，所使用的钢轨被称为高强度钢轨，其顶部硬度约为370布氏硬度（HB）。高级钢轨的特点是硬度更高，从而获得更好的磨损性能。球盘和全面（FAST）测试均在由以下公司制造的高级钢轨上进行：Corus，JFE Steel America Inc.（NKK），Mittal，Nippon Steel Corporation（NSC），Rocky Mountains Steel Mills （RMSM）和Voestalpine（VA）。

2.实验过程

球盘和全面测试是在全新（V）和已使用（HR）情况下，使用相同的珠光体和J6钢轨进行的。全新轨道属于最新一代高级轨道，而已使用轨道是上一代在FAST测试的高级轨道的一部分，并于2004年6月在重载荷运输量达到435 MGMT后被拆除。J6轨道与已使用高级轨道之前在FAST的轨道性能测试中，一起在类似条件下进行了测试，并且在本测试中作为控制轨道。

如AREMA规范^[14]所示，布氏硬度测量是在轨面下方0.8plusmn;0.2 mm的轨道顶部进行的。在硬度测量之前对钢轨头的表面进行研磨，根据AREMA标准^[14]从表面移除大约0.8mm（0.03英寸）的深度。

图1. FAST第7节钢轨评估的布局。 FAST的钢轨评估（第7节）的近似长度为305米，每个轨道测量部分约为24.3米，5°曲线，超高10.2厘米，倾斜缺陷4.3厘米。

图1显示了钢轨的布局以及FAST第7节的特性。第7节完全致力于钢轨评估，是一种非润滑曲线，旨在增加磨损，从而使轨道受到更恶劣的环境影响。 FAST第7节的特征如下：近似长度305米，5°曲线，超高10.2厘米，倾斜度低4.3厘米。在正常的一天里，FAST的累积交通量约为90-95 MGMT。图1所示的布局代表于2004年结束的测试，对应于使用钢轨。当前测试的布局（使用标识为全新的轨道）略有不同。之前和当前测试的主要区别在于测试的轨道部分的尺寸（分别为之前和当前测试的24.4和12.2 m）以及沿曲线的轨道分布。 FAST由一条长约7.73公里的环形轨道组成。在常规测试日，TTCI在FAST运行一辆重型运输列车，其中包括大约80辆汽车，每辆汽车的容量为130公吨，而这种火车的四辆机车平均运行450公里或100圈。

图2.刮擦磨损测试配置示意图。（a）轨道的顶部和散射以提取脱碳层下面的球盘样品，（b）用于盘上球测试的样品和（c）划痕磨损测试配置的示意图。

纯滑动磨损试验使用传统的圆盘式摩擦磨损试验机对全新和已使用的轨道样品进行。在不同循环次数（50,100,300,600和1000）下进行球盘实验，然后在每次测试后进行测量测量以量化磨损。样品命名如下：V1至V5，其中V表示新轨道，HR1至HR6，其中HR表示已使用的轨道（经历了435 MGMT的FAST重载荷运输的高轨）。使用的摩擦计可提供正常加载，运动和记录原位摩擦的能力。它包括一个旋转（0-1000转/分钟）或振荡（最大弧350°）主轴，其中安装了圆盘试样和一个“销”支架，它施加一个接触载荷（0.45-45 N）并测量正常和摩擦力力量^[1]。图2显示了球盘接口的一般测试示意图。用于盘上球实验的球是一种小型合成红宝石球，直径为1.6毫米，硬度为1570-1800 HVN。这种红宝石球比测试的钢轨硬至少3.5倍。明显更硬的红宝石球能够磨损钢轨，而不会产生明显的磨损。

图3.使用Miniprof进行当前FAST测试的Pro f le测量0累计吨位的MGMT（新铁路）和140 MGMT（磨损铁路）。轨道磨损以mm2的损失面积来度量。刻度以mm为单位。

测量在第7节0 MGMT的FAST轨道上进行，然后每15,000 MGT（14,640 MGMT）至105,000 MGT（95,500 MGMT），然后每25,000 MGT（22,730 MMGT）进行测量直至测试结束。注意MGT代表英制的百万吨，MGMT代表公制。使用Miniprof设备进行测量并使用其各自的软件进行分析。在测量之前，手动去除轨道表面可改变Miniprof测量结果的油脂和任何其他杂质。 Miniprof软件用于在各种吨位上叠加配置文件并将其与参考配置文件进行比较，以确定区域中的松动，如图3所示。每个轨道部分进行四次测量，如图1所示，每次从同一地点固定位置采集数据。

用于球盘试验的盘样品直接从实际的轨头获得，并且在所有情况下都类似地制备。图2描述了从轨道顶部提取盘样品的过程，所有盘样品都从表面提取8mm，消除了脱碳层并确保所有样品都是从可比较的位置提取的。将所有钢盘样品加工至表面粗糙度（Rq）为0.8mu;m。用丙酮超声清洗红宝石球和圆盘，然后用酒精冲洗并用热空气烘干。本测试特地使用红宝石球来更好地控制钢轨上的接触压力和磨损。请注意，UIUC还使用碳钢球进行了实验（以更好地模拟轮/轨接触），结果与本研究的结果一致^[5]。在不同的循环中，每个测试使用新的红宝石球和新的圆盘样品。通过每次测试，施加的正常载荷保持恒定在10N，并且对每次测试施加相同的载荷。这种负载相当于产生2.5GPa的赫兹接触压力，这与实际轮/轨条件下的接触压力相当。转速磁盘为每分钟100转（RPM），相当于大约0.085 km /s（线速度）。通过与个人计算机相连的数据采集系统（Labview）记录测试期间的摩擦力和法向力（以及由此产生的摩擦系数）。

3．结果与讨论

表1 J6贝氏体和常规珠光体钢轨的化学成分

J6钢轨的碳含量为0.26％（重量），其总化学成分见表1.所有高级钢轨均为珠光体，碳含量在0.74和0.85％之间用于标识为已使用轨道或HR（上一代），以及0.85和1wt％之间的轨道标识为新的或V（最新一代）。在轧制条件下各自使用过的和新的钢轨的平均顶部硬度（这意味着在加工硬化之前，因此安装和测试在FAST进行）是410plusmn;23 HB和395plusmn;9 HB。请注意，J6贝氏体钢中的碳含量明显低于珠光体钢轨中的碳含量。在轧制条件下，J6钢轨的初始体积硬度平均为415 HBN。

表2在用于本研究的轨道的顶部上进行的顶部硬度分析的结果

表2总结了轨头布氏硬度的结果。进行研磨以部分除去铁轨顶部的脱碳层（软质材料）。重要的是要从表2中注意到，HR轨道的初始硬度（在轧制条件下）从382 HB到405 HB不等，23 HB差异;然而，在加工硬化后，轨道HR2，HR4和HR6显示出与415 HB相似的增量，而HR3和HR5的硬度增加到429 HB。唯一显示出显着更高硬度的钢轨，因此，加工硬化能力是HR1，其增加到461 HB。相比之下，J6钢轨在加工硬化后表现出顶部硬度增加不超过8 HBN。

图4.贝氏体和珠光体钢轨的现场磨损测量。注意贝氏体和珠光体轨道之间的磨损差异。

尽管J6贝氏体钢具有较高的体积硬度，并且与低硬度珠光体钢相比，它应具有更好的耐磨性能；与高级珠光体钢轨相比，J6钢轨的磨损率性能明显更差。图4显示了TTCI在FAST^[4,13]研究的贝氏体和珠光体钢轨的磨损性能。图4说明贝氏体钢轨显示出比测试的珠光体钢轨高得多的磨损。除了275 MGMT的重载FAST交通之后J6轨道的轨道磨损性能低于预期之外，J6轨道断裂，使得可能影响相邻轨道的减

资料编号：[4312]

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