現(xiàn)代軌道交通的關鍵材料

1/1現(xiàn)代軌道交通的關鍵材料

一、我們十分關注現(xiàn)代軌道交通用關鍵材料問題

什么是現(xiàn)代軌道交通？用老百姓的話說，就是快、穩(wěn)、安全、舒適、經濟等，用業(yè)內人士的話說，有很多指標，如高速、重載、能經受嚴酷環(huán)境、減震、降噪、高效等等。

問題十分重要。我國提速和重載列車運行歷史還很短，高速鐵路的發(fā)展才剛剛開始，而已經需要解決和即將面臨的問題已很多。這些問題的解決是現(xiàn)代列車安全運行的重要保證。例如：

(1)列車提速和重載運輸，使弓網振動加劇，受流負荷加大，離線率增加造成電弧燒蝕，使接觸線出現(xiàn)大量硬點，弓網/滑塊磨損進一步加劇，甚至造成接觸線熔斷。

(2)提速使機車車輛的轉向架振動加劇，疲勞壽命和安全可靠性問題突出。多次出現(xiàn)電機懸掛的轉向架構架端梁斷裂和牽引拉桿斷裂等十分危險的事故。

(3)高速與重載使輪－軌這對滾動摩擦副中車輪表面產生剝離、輞裂及車軸等構件斷裂嚴重：――時速為200km的車組車輪使用不久就發(fā)生嚴重剝離。

――提速和重載使鋼軌出現(xiàn)了波浪型磨損。

――提速和重載還使鋼軌出現(xiàn)壓潰和疲勞開裂等問題。

――年均重傷軌數(shù)增加，國產鐵路道岔使用壽命只及國外的1/3。我國每年為更換破損的鋼軌所需費用達10億元。

(4)高速重載對制動提出了更高要求，由于強烈制動，使制動盤的使用壽命大大縮短；此外，冰雪環(huán)境下增摩材料的使用也會對輪軌的損傷產生影響。

二、材料的服役行為是我國材料科學技術部署中的嚴重薄弱環(huán)節(jié)

材料科學和工程包括成分、組織、性能、制備和服役行為(performance)諸要素。

服役行為恰恰是材料科學和工程的“制高點”。所謂服役行為是指材料在使用狀態(tài)的表現(xiàn)，也包括經濟性和社會滿意度。歸根到底，服役行為是檢驗材料是否合用的最終判據(jù)。

但是，在我國材料科學技術的部署中，材料的服役尤其是長期的服役行為包括疲勞、老化、腐蝕等的重要性缺乏足夠認識。由此造成直接經濟損失相當驚人，這方面的例子很多，舉不勝舉。我們認為，造成材料服役方面理論、技術、隊伍薄弱的主要原因是短期行為、急功近利?？萍颊邔蛏现蛔⒁庑虏牧?，而很多年以后能否長期穩(wěn)定使用這些材料常常被忽視。

實際上脫離服役行為來研制新材料、追求高性能往往事倍功半，人所共知，硫和磷是鋼中的有害雜質，但硫可改善鋼的切削加工性(易切鋼)，硫化物包裹氧化物可提高軸承鋼的接觸疲勞壽命；磷可提高鋼在大氣中的抗蝕性(耐候鋼)，還能提高汽車鋼板的強度和沖壓成形性(回磷鋼)，因此，材料服役行為是材料研究和應用的決定性因素。

三、必須下決心解決高速重載軌道交通材料問題

鑒于現(xiàn)代軌道交通關鍵材料(包括鋼軌、摩擦副、弓網材料等)大多依賴進口的情況，我們提出要以現(xiàn)代軌道交通關鍵材料和零部件為應用背景，將材料的服役行為放在第一位，從材料

的使用條件與環(huán)境及破壞失效現(xiàn)象與模式出發(fā)，探索服役行為的表征方法與技術，研究動態(tài)下材料成分、組織、結構的變化及其與服役行為的關系規(guī)律，據(jù)以制訂制備工藝以實現(xiàn)材料的優(yōu)化，由此可開辟全面發(fā)展我國材料科學與工程的新途徑。

1、提出關鍵技術問題

其中有些國外已經解決的問題，在我國則正開始研究，如：

(1)接觸線－滑塊摩擦副材料?；宓难兄平洑v了粉末冶金、銅滲碳復合材料、碳/碳復合材料、自潤滑金屬化碳滑板等發(fā)展過程，日本的受電弓滑塊采用碳纖維滲金屬來制造，有很好的耐磨性及不易起電弧的優(yōu)點。

(2)輪－軌摩擦副。國外在高速鐵軌上正在開發(fā)貝氏體鋼軌，以提高耐磨性和抗疲勞性。

(3)制動摩擦副。在制動系統(tǒng)中，閘瓦的材料已從普通鑄鐵、特種鑄鐵發(fā)展到合成材料和粉末冶金材料；

制動盤的材料已從鑄鐵、鑄鋼、鑄鐵－鑄鋼復層材料，發(fā)展到碳/碳纖維、鋁合金基和陶瓷基復合材料；

閘片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和復合材料三種。

2、解決關鍵科學問題

鑒于鐵路系統(tǒng)主要構件的失效約35%與磨損有關，而運動又帶來了震動和沖擊，因此對材料動態(tài)服役行為的研究必須將材料科學、摩擦學和動力學有機結合起來。

(1)低溫致脆、高應變率致脆、約束致脆及其與疲勞破壞之間的交互作用。

(2)材料表面亞表面微結構動態(tài)演變及損傷機理。

(3)材料服役過程中性能動態(tài)衰退及性能與組織結構超穩(wěn)定合金設計。

目標：

(1)材料動態(tài)服役行為理論在三個方面取得重大的進展，即：材料動態(tài)脆性斷裂理論，材料表面動態(tài)失效理論，材料性能動態(tài)衰退理論。

(2)確定增塑增韌與材料層錯能、相變、孿生動力學之間的量化關系，為抗脆材料合金設計提供理論依據(jù)。在材料逆向設計上建立抗低溫致脆、高應變率致脆、約束致脆材料設計技術。

(3)揭示材料動態(tài)下微觀組織結構演變及其