应用介绍

白色蚀刻层：高速铁路和城市地铁的风险

与公路和航空旅行相比，铁路运输效率高（提高了6倍），排放低（CO2，NOx和PM降低了6倍），但仅占全球客运和货运量的10％（来源：IEA报告）。 随着印度和中国的高速铁路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配合钟表安排和点对点连接来实现大规模出行。快速的加减速曲线触发了一种独特的降级模式，称为“白色蚀刻层（WEL），这是跟踪完整性的潜在风险。这些层的剥落导致形成下蹲现象，这会增加噪音水平和影响乘车质量的垂直冲击力。（资料来源：印度季风期间孟买动车组车轮上的马氏体形成，第四届铁路摩擦大会）。长途火车的高速行驶和较重的货运车轴负载往往会加速在轮-轮界面处的其他故障模式（图1a，1b）。报告显示，由于深蹲和其他缺陷，英国和荷兰每年花费数百万欧元进行赛道维护。

图1 A.铁路车轮接口处的不同故障模式会影响安全性，维护和行驶质量 

图1b导轨头上不同故障模式的位置（过度磨损，多个RCF裂纹和WEL）

历史上已经部署了三种重要的策略来解决故障 

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

（B）路边摩擦改进剂-轨道润滑（顶部和压力计），用于控制轨道轮界面处的摩擦，以减少次表面应力，磨损强度和RCF。法兰润滑典型的COF <0.2，而轨头润滑典型的COF在0.3到0.4之间。 

（C）预防性维护-钢轨磨削以去除表面裂纹（即，受控磨损）并恢复钢轨轮廓，以减少应力热点并延长RCF寿命。但是，计划外和反复的维护会干扰城市的出行（例如，孟买地铁每天要乘坐700万名乘客）

与基础微结构相比，白色蚀刻层往往更硬，韧性更差，因此与传统的RCF裂纹相比，会导致过早失效并缩短使用寿命。这些失败是如何产生的？ 

铁路车轮接触的典型工作条件如表2所示，并显示了铁路轨顶部和车轮法兰的不同滚动滑动条件。

表2-车轮接触时的典型压力和滑动条件

白色蚀刻层与具有较高硬度，降低的延展性和有害残余应力的转化纳米结构区域相关。裂纹很容易在WEL或WEL基础材料界面内传播。WEL的形成是一个活跃的研究领域，具有相反的理论，如表3所示。 

表3-WEL的机械和热驱动构造

Ducom双盘（滚子RoR上的滚子）提供了一个现实的实验室平台，可以在轮-轮接口处再现特征条件（表4）。高达4 GPa的接触压力和100％的滑移率可以加速“机械驱动WEL ”的形成。独特的加热设备（温度为700摄氏度）可以增加“热驱动WEL ”的形成（请参见图5）

表4-Ducom双盘（RoR）的接触压力，％滑差和温度能力

图5-Ducom双盘（RoR）的环境温度双盘配置和600摄氏度的磁盘配置

了解材料和引发WEL形成的条件，这是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（RoR）可以模拟接触压力，轧制过程中的侵蚀滑移率以及升高的温度，这些温度会触发铁路头和车轮上形成白色蚀刻层。