宁飞（上海大学）

中国元末明初著名作家施耐庵在他的长篇小说《水浒传》中刻画了神行太保戴宗这样一个人物，他只要将神行甲马拴在腿上，可以日行八百里。这反映了古代人们对快速出行的一种追求与向往。今天，铁路运输作为一种运输量较大且较为经济的一种交通运输方式，高速列车（图1）能够像神行太保一样日行千里，毫不费力，而轮轴（图2）可以看作是保证其高速运行的甲马。

铁路目前已经成为许多国家经济社会发展的重要基础设施之一，而人们常说的高速铁路,通常是指最高运行时速达到200公里以上的铁路。高速列车这位“神行太保”奔跑的速度快，它更便捷，也更高效，颇受世界各国人们的欢迎，因此其关键部件特别是轮轴这样的“甲马”由于腐蚀和疲劳引发的服役可靠性问题引起了公众及工业界和学术界的关注。

图1 生活中常见的高速列车

（http://pic.sogou.com/d?query=%B8%DF%CC%FA%CD%BC&st=255&mode=255&did=5#did4）

图2 列车轮轴示意图

（http://pic.sogou.com/d?query=%B8%DF%CC%FA%C2%D6%D6%E1&mode=1&did=5#did4）

 

1.高铁发展，“神行太保”带你日行千里

历经数十年的技术探索与革新，高铁技术迅速发展。1959年4月5日东海道新干线在日本破土动工，1964年10月1日正式通车，最高时速可达210公里^[1]，这是世界上第一条真正意义上的高速铁路，从此人类进入了高铁时代。中国的交通运输专家们有感于高速铁路的高速便捷，开始对高速铁路及机车进行构想,进入21世纪后终于设计并修建了中国第一条具有完全自主知识产权的高铁——京津城际铁路^[2]，中国人也进入了自己的高铁时代，并逐步实现引领世界高铁发展的一个大飞跃。

中国目前已经是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家，高铁列车客运专线设计时速已高达350km/h以上^[1],已经让我们每个普通人日行千百公里不是梦。对于人口较多、地域广袤的中国，高铁迅速发展有其必然性。伴随着人们生活水平的日益提高，汽车走进了寻常百姓家庭，使得交通拥堵、空气和环境污染等问题日益突显，也由于现在的中国产业升级更新快，新型经济条件下需要高效快捷的交通运输服务，从而倒逼交通运输方式改革。建设清洁快捷的高速铁路，能够促进产业升级，推动城市功能的完善，极大地缩小了人与人、城与城的距离，加快了物资和人员的流动，改变了人们的出行方式,调整了城市民众的出行次数及城市空间结构。

2．强壮体魄，才能奔跑不喘气

强健的体魄，对我们人类而言，是健康工作和生活的本钱。高铁作为我们现实生活中的“神行太保”，其建设和发展与我们人的成长过程类似，有着更强健的“体魄”才能承担更繁重的运输任务。腐蚀疲劳一般指的是材料在交变载荷和腐蚀介质的协同、交互作用下发生的一种破坏形式，腐蚀对疲劳损伤有一定的促进作用^[3，4]。高铁轮轴“甲马”的腐蚀疲劳有可能成为高铁这位“神行太保”的“病症”之一，当高速列车的轮轴受到酸碱等侵蚀性环境的腐蚀，会降低材料的断裂韧性，加快裂纹的萌生与扩展，降低结构服役寿命^[5]。

1998年6月3日，在德国艾雪德村落附近发生一起ICE-1列车高铁事故，第一节拖车的3轮对的轮箍发生破裂脱轨使跨线桥部分坍塌坠落，造成了重大人员伤亡，其中101人死亡、105人受伤，是目前世界上最高伤亡率的铁路事故。2006年7月26日，一列货运列车在布里格附近辛普朗隧道入口处发生了脱轨事故，原因是实心车轴表面腐蚀坑引起的车轴断裂^[6]。从上面事故中我们可以看出轮轴是机车车辆中涉及安全的重要部件,或是坍塌挤压等急速引起的脆性断裂，抑或是常年累月积累的腐蚀疲劳，轮轴一旦发生断裂现象，往往都会造成列车颠覆,运输中断,甚至车毁人亡的恶性事故。

一般来说高铁轮轴事故的发生，轮轴的完整性会遭到严重破坏，在侵蚀性环境中，旋转弯曲载荷下萌生疲劳裂纹，遵循“腐蚀疲劳裂纹—应力集中—裂纹扩大—轮轴破坏”的过程发展。轮轴的腐蚀疲劳失效可能发生在其所有部位，而断裂部位主要集中在轮座过盈配合处以及轴身中部和卸荷槽处^[7]，通常引起疲劳断裂的应力值很低，常常低于静载时的屈服强度^[8]。一个典型的金属疲劳断口是由疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区三部分构成^[9]（图3）。裂纹的持续扩展对轮轴服役造成巨大的安全隐患。

图3 疲劳断口示意图

（http://pic.sogou.com/d?query=%C6%A3%C0%CD%B6%CF%C1%D1&mode=1&did=6#did5）

轮轴等金属材料的腐蚀疲劳主要受到力学因素、腐蚀环境、材料特性等因素的影响^[3]。研究表明交变载荷会使腐蚀疲劳裂纹反复张开和闭合，增强了裂纹尖端与腐蚀介质的交换，也会改变裂纹尖端的应变速率，造成累积疲劳损伤^[10]。在腐蚀环境中，溶液的腐蚀性增强，材料的临界应力强度因子降低，腐蚀介质降低了材料的疲劳极限^[32]。材料本身特性对腐蚀裂纹扩展速率影响也至关重要，不同的材料耐腐蚀性不同，会影响耐腐蚀疲劳性能。当材料含有杂质时，会产生应力集中，加快点蚀的发生从而增大腐蚀疲劳破坏^[11]。

目前列车轮轴萌生的裂纹，主要是由于轮轴的某个区域有严重的缺陷或损伤导致，除了在腐蚀性环境中腐蚀导致轮轴表面锈蚀产生的应力集中疲劳裂纹外，我们查阅文献^{[12，13，14，15]}还发现，裂纹可通过以下几种方式产生：（1）轮轴自身缺陷产生疲劳裂纹：在车轴钢冶炼等生产过程中形成的内部缩孔、非金属夹杂物等，或是在切削加工过程中轮轴表面留有的刀痕、凹坑和粗糙度过大等缺陷引起；（2）微动损伤产生疲劳裂纹:主要发生在轮座、齿轮座和制动盘座等压装过盈配合部位，因微动损伤产生的微动疲劳裂纹源及疲劳裂纹扩展引起；（3）外来物引起疲劳裂纹：列车如果行驶过程中外来物的冲击都会在轮轴表面形成一定数量和形状的凹坑，成为疲劳裂纹源；（4）氢引起疲劳裂纹源：这个过程主要发生在车轴钢冶炼、加工等过程中，氢的进入导致鼓泡破裂引发的疲劳裂纹。

了解了高铁轮轴发生疲劳裂纹的原因以后，我们如何给高铁轮轴“健身”呢？主要目的是提高轮轴耐腐蚀性能，增强疲劳强度，减小疲劳裂纹源产生，对此我们需要一一对症下药。

对于高铁轮轴因腐蚀引起的疲劳裂纹，我们应该关注轮轴的腐蚀与防护。我们要合理选材，选择耐腐蚀、强度硬度性能较好的钢材。电化学腐蚀是防腐蚀领域中最重要的研究对象之一^[16]。预防轮轴腐蚀的第一大对策就是将金属轮轴(阳极)和其它介质(阴极)隔离开来，常采用涂层法、钝化法和电镀法等^[17]。电化学保护法也是一种重要的防腐措施，其原理是利用外部电流使被腐蚀金属电位发生变化从而减缓或抑制金属腐蚀^[18]。

对于高铁轮轴在加工冶炼、生产制造等环节出现的疲劳裂纹，我们要严格把控各个环节。提高车轴钢冶炼技术和加工切削质量，减少非金属夹杂和缩孔、刀痕等加工缺陷，减少应力集中来控制疲劳裂纹源的萌生时间，延缓裂纹扩展来延长车轴的疲劳寿命^[15]；提高对轮轴的结构设计，综合不同的车轴材质，合理设计轮轴结构，来减少压装过盈配合部位处的微动磨损^[12]；采取合理措施来控制车轴钢在生产、冶炼以及服役过程中氢的进入^[14]。

3.精准体检，才能健康长寿

对于高速列车轮轴的安全问题，除了在轮轴加工设计过程中严格坚守安全质量红线外，平时在轮轴服役过程中我们还得防患于未然，在高速列车服役过程中，加强对轮轴的在役检测，定时“精准体检”，来保证我们的生命财产安全。目前轮轴的体检技术主要有磁粉检测技术、涡流检测技术（远场涡流检测技术）、超声检测（声发射技术）等^[19]。

磁粉检测（图4^[20]所示）广泛应用于铁路车辆系统轮轴、制动梁、车钩缓冲装置、传动齿轮等重要零部件的表面及进表面缺陷探伤^[20]，磁粉的主要成分是Fe₃0₄,具有较高的导磁率。磁粉检测只适用于铁磁性材料的缺陷检测，轮轴等工件必须在被磁化的状态下才能显示缺陷^[21]。当轮轴等工件被磁化时,缺陷处磁导率小于工件本身的磁导率，导致磁力线在缺陷处发生畸变，磁力线绕过缺陷处经外部空气重新回到工件内，在工件表面形成漏磁场吸引干磁粉颗粒或磁悬液中的磁粉颗粒，磁粉在缺陷周围聚集形成磁痕，漏磁场和磁粉的相互作用形成磁痕来显示发现缺陷的位置、形状和大小^[22]。这种方法如果缺陷与表面深度越大，灵敏度越低^[23]。

图4 磁粉检测原理示意图^[20]

涡流检测（图5所示）是在检测线圈上接通交流电，接近轮轴等检测工件，由线圈建立交变磁场，该交变磁场通过轮轴，并与之发生电磁感应作用，在被检轮轴内建立涡流，轮轴内涡流也会产生自己的磁场，涡流磁场的作用也会改变原磁场的强弱，若金属工件存在缺陷，将改变涡流场的强度及分布，进而导致线圈电压和阻抗的变化，检测该变化可判断有无缺陷^[24，25]。

图5 涡流检测原理示图

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远场涡流检测技术（图6^[27]所示）一般都应用于厚壁管道，可方便测出壁内、外表面的裂纹、凹坑、腐蚀及管壁材料的内部缺陷^[26]。远场涡流检测是将内置式探头置于被检测钢管内，探头上一个是激励线圈，另一个是检测线圈。激励线圈发出的磁力线（能量）穿过管壁向外扩散，在远场区又再次穿过有表面缺陷的管壁向内扩散，被检测线圈接收。检测线圈接收到的信号的幅度和相位都和壁厚有关，利用专用的软件就可测得管壁的厚度^[27]。就可以间接地知道导体内缺陷的存在及金属材料的性能是否有变化。 

图6 远场涡流检测原理示意图^[27]

超声检测可分为主动检测和被动检测两大类。在主动检测技术中，超声波是用超声探头发射的；而在被动检测技术中，超声波是被测试件受载荷时自发的。通常把主动式检测称为超声检测技术，而把被动式称为声发射技术^[28]。

超声检测可应用于对接焊缝、角焊、板材、管材、棒材、锻件以及复合材料等^[29]，一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关^[34]。目前在生产现场超声波探伤主要有两种方式。一是工程师采用便携式超声波探伤仪在材料表面移动,同时观察仪器屏幕波形,结合自身经验完成缺陷的判别；二是采用大型的自动化探伤设备,使探头相对材料旋转或平移完成对材料表面的扫描。设备的软件能对超声波形进行分析,有一定的缺陷识别能力。但是这种设备体积庞大,不适合大范围推广^[30]。

声发射技术（图7^[35]所示）是指由于受到力的作用，材料或结构内部局部能量的快速释放而产生瞬态弹性波的现象^[31]。材料的塑性变形以及断裂是主要的声发射源，同时相变、腐蚀、摩擦以及磁化等过程也会产生声发射现象^[33]，声发射检测的目的是从采集到的信号中获取伤损的信息，通过将采集到的信号与材料或者结构内部的伤损状态信息相关联来监测材料或者结构的安全性^[35]。

图7 声发射检测过程^[35]

4．结语：我们都在追梦的路上

步入新时代的中国, 我们每个人都是追梦人，高速列车这种充满科技感的“神行太保”也正朝着“高速化、重载化”的方向迅速发展，运营里程在不断增加、运行速度在不断加快、列车载重在不断加重，对列车轮轴这么重要的“甲马”服役性能的要求也越来越高。因此，对于高速列车与部件材料的健康保健，我们材料腐蚀与防护科技工作者任重道远。让我们不忘初心，用勤勉工作的“敬业福”为高铁安全出行送上“平安符”。

 

 

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