Theo dữ liệu liên quan, nhiều toa xe đường sắt trên khắp thế giới gặp phải tình trạng bong gân bánh xe trong quá trình vận hành.Sự bong tróc của mặt lốp này bị mòn bất thường, trong ngành đường sắt ở nhiều nước trên thế giới là một vấn đề nghiêm trọng và tình trạng ngày càng nghiêm trọng hơn.Lốp bánh xe bị mòn bất thường không chỉ làm tăng chi phí vận hành và bảo dưỡng mà ở một mức độ nhất định thậm chí còn ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của xe.

Các vấn đề về tước lốp bánh xe đường sắt có thể được chia thành ba loại: tước độ mỏi tiếp xúc, tước phanh và tước trầy xước.Hiện tượng tước phanh chỉ xảy ra trong điều kiện phanh lốp, nguyên nhân là do điều kiện phanh kém dẫn đến vết nứt nhiệt trên bề mặt lốp do hiện tượng bong tróc mài mòn khi phanh lốp, có thể xảy ra tình trạng phanh không lốp, nguyên nhân là do trượt hoặc lăn giữa bánh xe và đường ray dẫn đến bề mặt rãnh bánh xe do martensite gây ra do tước hai loại vấn đề có thể được giảm thiểu bằng cách cải thiện khả năng phanh của xe và sử dụng các điều kiện làm việc;Bài viết này chủ yếu dưới góc độ của Bài viết này khám phá và phân tích hiện tượng tước độ mỏi tiếp xúc của bề mặt gai lốp theo quan điểm vật liệu.

• Phân tích nguyên nhân

Phương thức hoạt động chính của bộ bánh xe là thực hiện chuyển động giống như lăn trên đường ray (thực chất là leo và trượt).Bánh xe qua một khu vực tiếp xúc bánh xe-ray rất nhỏ của tải trọng xe được chuyển sang đường ray, thường làm cho tải trọng cục bộ vượt quá giới hạn đàn hồi của bánh xe hoặc vật liệu đường ray, bề mặt tiếp xúc bánh xe-ray trong ứng suất nén tiếp xúc sau khi lặp đi lặp lại trong thời gian dài hành động, nó sẽ gây ra bề mặt tiếp xúc do hư hỏng mỏi ở khu vực cục bộ của các mảnh kim loại nhỏ bị bong ra, hiện tượng hư hỏng do mỏi này được gọi là mỏi tiếp xúc.Mệt mỏi tiếp xúc và mệt mỏi nói chung, là hai giai đoạn giống nhau của vết nứt mỏi và sự mở rộng vết nứt mỏi.Độ mỏi tiếp xúc kéo dài được coi là cơ chế hư hỏng chính của bề mặt tiếp xúc chịu tải theo chu kỳ.

Thiệt hại do mỏi tiếp xúc ở dạng tước rỗ (rỗ), tước nông và tước sâu là ba loại.Ở bề mặt tiếp xúc ở độ sâu 0,2mm phía dưới có các vết rỗ hình kim hoặc hình thủy đậu, gọi là rỗ;độ sâu bong tróc 0,2mm ~ 0,4mm dành cho bong tróc nông, bong tróc nông đáy khối gần như song song với bề mặt tiếp xúc.Độ sâu bong tróc sâu và độ sâu lớp gia cố bề mặt tương đương nhau, có diện tích lớp bề mặt bị nghiền nát lớn hơn.

Lốp bánh xe đồng thời có hiện tượng bong tróc rỗ, bong tróc nông và bong tróc sâu. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ mỏi tiếp xúc của rãnh bánh xe, chẳng hạn như bản thân bánh xe, độ cứng bề mặt gai lốp, loại gai lốp được sử dụng bởi bánh xe, bánh xe - Bề mặt tiếp xúc với đường ray và điều kiện vận hành của xe.Tác giả tin rằng, về bản chất, quyết định đến hiệu suất mỏi hay thành phần và cấu trúc vi mô của chính vật liệu bánh xe.

• Vật liệu bánh xe chịu tác động mỏi tiếp xúc

Bản thân vật liệu bánh xe có nhiều khía cạnh ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi tiếp xúc của bánh xe, chẳng hạn như cơ cấu tổ chức của vật liệu bánh xe, tính dị hướng của vật liệu và các tạp chất trong vật liệu.Sự phức tạp của cơ cấu tổ chức của vật liệu dẫn đến yếu tố tổ chức rất phức tạp đối với ảnh hưởng của mỏi tiếp xúc, điều này khiến cho các nhà nghiên cứu cho rằng cơ cấu tổ chức của mỏi tiếp xúc do ảnh hưởng của các quan điểm cũng rất khác nhau, và không có sự hiểu biết thống nhất về nhiều mặt.

Vật liệu sắt thép có ferrite không hòa tan, ferrite ở nhiệt độ phòng có tính chất cơ học gần giống như sắt nguyên chất.Độ bền kéo của nó là b cho 180 ~ 280Mpa, cường độ năng suất 0,2 cho 100 ~ 170MPa và độ cứng khoảng 80HBS.Có thể thấy, cường độ và độ cứng của ferit không cao.Là một giai đoạn yếu trong tổ chức, ferrite dễ trở thành nguồn gây mỏi dưới tác động của ứng suất thay đổi và dẫn đến hình thành vết nứt, do đó ferrite có tác động bất lợi đến tuổi thọ mỏi tiếp xúc và hàm lượng ferrite trong càng lớn tổ chức thì ảnh hưởng đến sự mệt mỏi khi tiếp xúc càng lớn.

Thép cacbon, cacbon hoà tan trong -Fe trong dung dịch rắn xen kẽ gọi là austenit, có độ cứng austenit tổng quát ở giữa là 170 ~ 220HBS.Tính chất cơ học của Austenite cũng như lượng cacbon hòa tan và kích thước hạt của nó, do đó độ ổn định cơ học của nó sẽ ảnh hưởng đến độ bền của tổ chức, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi tiếp xúc của vật liệu.Trong quá trình biến dạng mỏi, sự biến đổi pha austenite do biến dạng xảy ra trong austenite dư, điều này có thể ức chế sự hình thành và mở rộng vết nứt mỏi.Nghiên cứu độ mỏi tiếp xúc của thép 18Cr2Ni4WA cho thấy độ ổn định dư của austenite ở mức vừa phải khi tuổi thọ mỏi tiếp xúc cao nhất.Độ ổn định austenite dư quá cao sẽ dẫn đến độ bền không đủ, và độ ổn định austenite dư quá thấp sẽ dẫn đến độ bền không đủ.Tất nhiên, độ ổn định của austenite còn lại thay đổi tùy theo loại vật liệu.

Lượng carbon hòa tan trong bộ chế hòa khí trong vật liệu thép cực cao, với ac khoảng 6,69% ​​nên có độ cứng cao (950 đến 1050 HV) nhưng độ dẻo, dai gần như bằng không.Là giai đoạn gia cố chính trong vật liệu thép, cacbon hóa trong thép và các pha khác cùng tồn tại ở dạng bong tróc, hình cầu, dạng lưới và tấm, hình thái và sự phân bố các đặc tính của thép có tác động lớn.Chẳng hạn như khi có sự phân bố dạng lưới trong vật liệu, độ dẻo dai của vật liệu sẽ giảm và tính chất cơ học sẽ kém hơn đáng kể.

Carburite sẽ bị phân hủy trong những điều kiện nhất định, tạo thành carbon không chứa than chì và carbon tự do sẽ được chuyển đổi thành các cacbua khác trong những điều kiện nhất định.Ảnh hưởng của carbon tự do và cacbua đến độ mỏi tiếp xúc chủ yếu thể hiện ở các thông số vật lý của nó (như mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở, v.v.) khác với ma trận vật liệu, phá hủy tính liên tục giữa hai pha.Quá trình biến dạng mỏi, cacbua có thể hòa tan trở lại, nhưng cacbua lớn có tác dụng cắm tích lũy trật khớp, đầu của cacbua bainite phía trên dễ tạo ra nồng độ ứng suất, có lợi cho sự nảy mầm của vết nứt.Ngoài ra, nhiệt độ hòa tan của thanh cacbua cao hơn thân cacbua hợp kim, dễ bị lưu lại và trở thành cacbua không hòa tan, dẫn đến tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn giảm đáng kể.

Sự biến đổi eutectic Austenit của ferit và cacbua được hình thành bởi thể eutectic gọi là ngọc trai.Tính chất Pearlite giữa ferrite và carburite, độ dẻo dai tốt hơn.Độ bền kéo b của nó là 750 ~ 900MPa, độ cứng là 180 ~ 280HBS, độ giãn dài là 20 ~ 25%, AKU tác động là 24 ~ 32J.Tính chất cơ học giữa ferit và cacbonat, độ bền cao, độ cứng vừa phải, độ dẻo và độ dẻo dai đều tốt.Theo nghiên cứu liên quan, ảnh hưởng của ngọc trai đến tuổi thọ mỏi của vật liệu không tồn tại một mình mà phụ thuộc vào tỷ lệ độ cứng giữa ngọc trai và ferit.Khi tỷ lệ độ cứng giữa ferrite và Pearlite lớn, tính liên tục giữa hai pha kém (tạo thành sự lệch pha) và các vết nứt mỏi dễ dàng hình thành ở ranh giới ferrite/Pearlite và tốt nhất là mở rộng dọc theo ranh giới Ferrite/Pearlite.Ngoài ra, hiệu suất mỏi của thép cán nóng có tổ chức ferrite-pealite dạng lưới thô là kém.

Các tạp chất phi kim loại trong thép có tác động lớn hơn đến các tính chất của thép, bao gồm tính giòn với các oxit góc và các tạp chất silicat có hại nhất đối với tuổi thọ mỏi tiếp xúc.Bởi vì các vùi phi kim loại này phá hủy tính liên tục của ma trận, vật liệu ở khu vực xung quanh chịu ứng suất kéo và ứng suất cắt trực giao của vùng yếu, dưới tác động của chu kỳ tải nặng, ứng suất tiếp xúc và ứng suất dư của vật liệu chồng lên nhau mặt khác, do đó năng lượng đàn hồi tập trung ở vùng chứa các tạp chất phi kim loại thành năng lượng biến dạng tạo ra các vết nứt, vết nứt này sẽ mở rộng theo hướng ứng suất cắt cực đại và cuối cùng hình thành bong tróc bề mặt.Vết nứt sẽ mở rộng theo hướng ứng suất cắt tối đa và cuối cùng tạo thành hiện tượng bong tróc bề mặt.

Là nguyên liệu thô để sản xuất thép bánh xe, trong quá trình nấu chảy không thể tránh khỏi mang theo một lượng nhỏ các nguyên tố tồn tại (silicon, mangan, lưu huỳnh, phốt pho) và một số tạp chất (tạp chất phi kim loại và một số loại khí nhất định, chẳng hạn như nitơ, hydro, oxy).Chúng có tác động lớn hơn đến chất lượng thép, một số là yếu tố có lợi, còn một số khác thì ngược lại.Ngoài ra, quá trình xử lý nhiệt hóa học của thép đóng vai trò rất quan trọng trong việc tăng cường và bảo vệ bề mặt phôi, chẳng hạn như bắn bi, cacbon hóa, thấm nitơ, v.v., có thể cải thiện hiệu quả độ cứng của lớp bề mặt phôi, khả năng chống mài mòn và giới hạn mỏi, v.v., nhưng điều quan trọng là phải nhấn mạnh các phương pháp xử lý và yêu cầu kỹ thuật.

Đại đa số các học giả khi nghiên cứu độ mỏi tiếp xúc lăn của vật liệu bánh xe thường cho rằng vật liệu này có tính đẳng hướng, nhưng nghiên cứu cho thấy rằng, do bánh xe trên đường không lăn thuần túy nên bất kể hướng và vị trí , bánh xe đường sắt là dị hướng.Tính dị hướng của vật liệu bánh xe có ảnh hưởng đến hướng và vị trí của mẫu thí nghiệm, và do đó ảnh hưởng đến việc đo cường độ và các thông số khác của vật liệu.Do đó, các thông số vật liệu thu được đặc biệt quan trọng khi áp dụng vào thiết kế mỏi.

• Phần kết luận

Hư hỏng do mỏi tiếp xúc là một trong những dạng hư hỏng quan trọng nhất của bề mặt tiếp xúc với ray bánh xe chịu tải trọng theo chu kỳ.Đề xuất các biện pháp tránh hư hỏng do mỏi đòi hỏi sự hiểu biết và kiến ​​thức tốt về các cơ chế hư hỏng liên quan.Nghiên cứu về cơ chế hư hỏng do mỏi tiếp xúc đã tương đối hoàn thiện, nhưng bánh xe trong điều kiện sử dụng thực tế trong điều kiện làm việc rất khác nhau, rất khó dùng lý thuyết để giải thích.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hư hỏng do mỏi tiếp xúc của bánh xe chủ yếu tập trung vào bản thân vật liệu và các điều kiện bên ngoài.Đối với bản thân vật liệu, hãy tăng cường thúc đẩy công nghệ luyện chân không trong ngành luyện kim, để tránh quá trình sản xuất nguyên liệu thô trong bánh xe khiến các tạp chất không thuận lợi (như S, P, oxit, nitrit, v.v.) gây ra. , nhưng cũng có thể được nhắm mục tiêu để thêm một số yếu tố có lợi (như Si, Mn, V, v.v.), giảm hàm lượng chất cacbonic trong vật liệu, tỷ lệ độ cứng ngọc trai - ferit, v.v., để thực hiện kiểm soát hiệu quả.Với tiền đề là phải chú ý đến các yếu tố này, việc sử dụng phương pháp mài mòn bề mặt bánh xe, thấm cacbon, thấm nitơ;và việc sử dụng độ cứng và độ dẻo dai thích hợp của vật liệu có thể cải thiện hiệu quả tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn của bánh xe.