应用介绍

白色蚀刻层:高速铁路和城市地铁的风险

与公路和航空运输相比，铁路运输效率高(高6倍)，排放低(二氧化碳、氮氧化物和PM低6倍)，但仅占全球客运量和货运量的10%(来源:IEA报告)。随着印度和中国高铁网络和电气化的发展，这种情况正在迅速改变。此外，城市化和智慧城市需要地铁来实现大规模出行，铁路运输具有准时的时效以及点对点的连接优势。

快速加速-减速剖面会触发一种独特的退化模式，称为“白色蚀刻层(WEL)”，这是跟踪完整性的潜在风险。这些层的散裂导致了下沉的形成，从而增加了噪音水平和影响乘坐质量的垂直冲击力。(来源:印度孟买动车组车轮在季风期间的马氏体形成，第四次铁路摩擦会议)。长途列车的高速度和较重的货物轴载荷往往会加速轨道-车轮界面的其他失效模式(图1a, 1b)。报告显示，在英国和荷兰，由于下沉和其他缺陷，每年要花费数百万欧元进行轨道维护。

图1 A 影响行车安全、维护和行驶质量的不同故障模式 

图1b轨道顶端不同失效模式位置(过度磨损、多RCF裂纹和WEL)

从历史上看，有三种重要的策略被用来解决故障

(1)先进材料-高强度和韧性珠光体钢和贝氏体钢，激光熔覆具有更高的耐磨性和滚动接触疲劳寿命(RCF)。

(B)轨旁摩擦改进剂-轨道润滑(顶部和轨距)，以控制轨轮界面的摩擦，以降低应力、磨损强度和RCF。法兰润滑需要典型的COF<0.2，轨道顶端润滑要求为0.3 - 0.4。

(C) 预防性维护-钢轨打磨以消除表面裂纹（即受控磨损），恢复钢轨轮廓，减少应力热点，延长RCF寿命。然而，不定期和重复的维护干扰了城市的交通(例如，孟买地铁每天运送700万乘客)

与基体组织相比，白色蚀刻层更硬，韧性更低，因此与传统RCF裂纹相比，会导致过早失效和寿命缩短。这些失败是如何产生的?

表2显示了轮轨接触的典型操作条件，并显示了轮轨顶部和轮缘的不同滚动滑动条件。

表2-轮轨接触时的典型压力和滑动条件

白色蚀刻层与转化的纳米结构区都有较高的硬度，降低的延展性和有害的残余应力。裂纹很容易在WEL或WEL基材界面内扩展。WEL的形成是一个活跃的研究领域，表3总结了相反的理论。

表3——WEL的机械和热驱动形成

Ducom双盘摩擦磨损试验机（滚柱对滚柱RoR）提供了一个真实的实验室平台，可以重现轨道-车轮界面的特征条件(表4)。接触压力高达4gpa，滑移率为100%，可以加速“机械驱动WEL”的形成。一个独特的加热设备(温度700℃)可以增强“热驱动WEL”的形成(见图5)

表4 - Ducom双滚轮(RoR)的接触压力、滑移率和温度性能

图5-Ducom双盘（RoR）的环境温度双盘配置和600℃块对盘配置

了解引发WEL形成的材料和条件（一个关键的现场问题）将有助于开发更好的解决方案。

Ducom双盘摩擦磨损试验机（RoR）可以模拟接触压力、轧制过程中的侵蚀性滑移率以及被认为会在钢轨顶部和车轮中形成白色蚀刻层的高温。