應用介紹

白色蝕刻層：高速鐵路和城市地鐵的風險

與公路和航空旅行相比，鐵路運輸效率高（提高了6倍），排放低（CO2，NOx和PM降低了6倍），但僅占全球客運和貨運量的10％（來源：IEA報告）。 隨著印度和中國的高速鐵路網絡和電氣化的發展，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對點連接來實現大規模出行?？焖俚募訙p速曲線觸發了一種獨特的降級模式，稱為“白色蝕刻層（WEL），這是跟蹤完整性的潛在風險。這些層的剝落導致形成下蹲現象，這會增加噪音水平和影響乘車質量的垂直沖擊力。（資料來源：印度季風期間孟買動車組車輪上的馬氏體形成，第四屆鐵路摩擦大會）。長途火車的高速行駛和較重的貨運車軸負載往往會加速在輪-輪界面處的其他故障模式（圖1a，1b）。報告顯示，由于深蹲和其他缺陷，英國和荷蘭每年花費數百萬歐元進行賽道維護。

圖1 A.鐵路車輪接口處的不同故障模式會影響安全性，維護和行駛質量 

圖1b導軌頭上不同故障模式的位置（過度磨損，多個RCF裂紋和WEL）

歷史上已經部署了三種重要的策略來解決故障 

（1）先進材料-高強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接觸疲勞壽命（RCF）。 

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

（C）預防性維護-鋼軌磨削以去除表面裂紋（即，受控磨損）并恢復鋼軌輪廓，以減少應力熱點并延長RCF壽命。但是，計劃外和反復的維護會干擾城市的出行（例如，孟買地鐵每天要乘坐700萬名乘客）

與基礎微結構相比，白色蝕刻層往往更硬，韌性更差，因此與傳統的RCF裂紋相比，會導致過早失效并縮短使用壽命。這些失敗是如何產生的？ 

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滑動條件。

表2-車輪接觸時的典型壓力和滑動條件

白色蝕刻層與具有較高硬度，降低的延展性和有害殘余應力的轉化納米結構區域相關。裂紋很容易在WEL或WEL基礎材料界面內傳播。WEL的形成是一個活躍的研究領域，具有相反的理論，如表3所示。 

表3-WEL的機械和熱驅動構造

Ducom雙盤（滾子RoR上的滾子）提供了一個現實的實驗室平臺，可以在輪-輪接口處再現特征條件（表4）。高達4 GPa的接觸壓力和100％的滑移率可以加速“機械驅動WEL ”的形成。獨特的加熱設備（溫度為700攝氏度）可以增加“熱驅動WEL ”的形成（請參見圖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）的環境溫度雙盤配置和600攝氏度的磁盤配置

了解材料和引發WEL形成的條件，這是一個關鍵的現場問題，將有助于開發更好的解決方案。

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，這些溫度會觸發鐵路頭和車輪上形成白色蝕刻層。