現(xiàn)代軌道交通的關(guān)鍵材料

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一、我們十分關(guān)注現(xiàn)代軌道交通用關(guān)鍵材料問(wèn)題

什么是現(xiàn)代軌道交通？用老百姓的話說(shuō)，就是快、穩(wěn)、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)等，用業(yè)內(nèi)人士的話說(shuō)，有很多指標(biāo)，如高速、重載、能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境、減震、降噪、高效等等。

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

(1)列車提速和重載運(yùn)輸，使弓網(wǎng)振動(dòng)加劇，受流負(fù)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(diǎn)，弓網(wǎng)/滑塊磨損進(jìn)一步加劇，甚至造成接觸線熔斷。

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

(3)高速與重載使輪－軌這對(duì)滾動(dòng)摩擦副中車輪表面產(chǎn)生剝離、輞裂及車軸等構(gòu)件斷裂嚴(yán)重：――時(shí)速為200km的車組車輪使用不久就發(fā)生嚴(yán)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(kāi)裂等問(wèn)題。

――年均重傷軌數(shù)增加，國(guó)產(chǎn)鐵路道岔使用壽命只及國(guó)外的1/3。我國(guó)每年為更換破損的鋼軌所需費(fèi)用達(dá)10億元。

(4)高速重載對(duì)制動(dòng)提出了更高要求，由于強(qiáng)烈制動(dòng)，使制動(dòng)盤(pán)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(huì)對(duì)輪軌的損傷產(chǎn)生影響。

二、材料的服役行為是我國(guó)材料科學(xué)技術(shù)部署中的嚴(yán)重薄弱環(huán)節(jié)

材料科學(xué)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(xué)和工程的“制高點(diǎn)”。所謂服役行為是指材料在使用狀態(tài)的表現(xiàn)，也包括經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)滿意度。歸根到底，服役行為是檢驗(yàn)材料是否合用的最終判據(jù)。

但是，在我國(guó)材料科學(xué)技術(shù)的部署中，材料的服役尤其是長(zhǎng)期的服役行為包括疲勞、老化、腐蝕等的重要性缺乏足夠認(rèn)識(shí)。由此造成直接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人，這方面的例子很多，舉不勝舉。我們認(rèn)為，造成材料服役方面理論、技術(shù)、隊(duì)伍薄弱的主要原因是短期行為、急功近利?？萍颊邔?dǎo)向上只注意新材料，而很多年以后能否長(zhǎng)期穩(wěn)定使用這些材料常常被忽視。

實(shí)際上脫離服役行為來(lái)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(zhì)，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(qiáng)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(yīng)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(wèn)題

鑒于現(xiàn)代軌道交通關(guān)鍵材料(包括鋼軌、摩擦副、弓網(wǎng)材料等)大多依賴進(jìn)口的情況，我們提出要以現(xiàn)代軌道交通關(guān)鍵材料和零部件為應(yīng)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(shù)，研究動(dòng)態(tài)下材料成分、組織、結(jié)構(gòu)的變化及其與服役行為的關(guān)系規(guī)律，據(jù)以制訂制備工藝以實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)化，由此可開(kāi)辟全面發(fā)展我國(guó)材料科學(xué)與工程的新途徑。

1、提出關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

其中有些國(guó)外已經(jīng)解決的問(wèn)題，在我國(guó)則正開(kāi)始研究，如：

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

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

(3)制動(dòng)摩擦副。在制動(dòng)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(dòng)盤(pán)的材料已從鑄鐵、鑄鋼、鑄鐵－鑄鋼復(fù)層材料，發(fā)展到碳/碳纖維、鋁合金基和陶瓷基復(fù)合材料；

閘片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和復(fù)合材料三種。

2、解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

鑒于鐵路系統(tǒng)主要構(gòu)件的失效約35%與磨損有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)又帶來(lái)了震動(dòng)和沖擊，因此對(duì)材料動(dòng)態(tài)服役行為的研究必須將材料科學(xué)、摩擦學(xué)和動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

(1)低溫致脆、高應(yīng)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(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變及損傷機(jī)理。

(3)材料服役過(guò)程中性能動(dòng)態(tài)衰退及性能與組織結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定合金設(shè)計(jì)。

目標(biāo)：

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

(2)確定增塑增韌與材料層錯(cuò)能、相變、孿生動(dòng)力學(xué)之間的量化關(guān)系，為抗脆材料合金設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在材料逆向設(shè)計(jì)上建立抗低溫致脆、高應(yīng)變率致脆、約束致脆材料設(shè)計(jì)技術(shù)。

(3)揭示材料動(dòng)態(tài)下微觀組織結(jié)構(gòu)演變及其