激光表面淬火對車輪多邊形萌生及發展影響試驗研究

黃金偉, 王文健, 丁昊昊*, 郭 俊, 劉啟躍, 祝 毅, 齊 歡

(1. 西南交通大學 軌道交通運載系統全國重點實驗室 摩擦學研究所, 四川 成都 610031;2. 浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室, 浙江 杭州 310027;3. 成都青石激光科技有限公司, 四川 成都 610031)

車輪多邊形問題將引起車輛軌道系統動力響應的變化，對列車穩定性和安全性[1-2]以及車輛軌道系統各個部件的使用壽命有很大影響[3-4]. 除此之外，車輪多邊形導致的沖擊噪聲，又將影響乘客舒適度和沿線居民居住環境[5]. 隨著列車運行速度不斷提高，由車輪多邊形引起的上述問題日益嚴重.

現階段，國內外眾多學者對車輪多邊形的形成機理展開了大量研究，其中宋春元等[6]通過對車輪進行切片硬度檢測，發現相比于未出現多邊形的車輪，有多邊形的車輪硬度普遍較低，提出硬度越低越容易產生車輪多邊形，提高車輪硬度是抑制多邊形發生、發展的措施之一；針對上述建議，沈文林等[7]提出了采用滾壓強化的方法壓縮車輪表面殘余應力，提高車輪硬度及其耐磨性，并通過20萬公里的運行考核試驗，驗證了提高車輪硬度可以抑制車輪多邊形產生這一重要結論.

激光表面淬火是材料改性的方法之一，具有硬化層均勻、變形小和容易操作等優點[8]. 當前越來越多的學者將激光淬火技術運用于輪軌材料表面強化中. 王文健等[9]研究了激光表面淬火對重載輪軌磨損與損傷的影響，發現淬火后一定厚度的馬氏體層存在于輪軌試樣表面，淬火區晶粒明顯細化，表面硬度大幅提高，同時抗磨損性能相應得到大幅提升. 楊志翔等[10]研究了激光離散淬火對鋼軌的滾動接觸疲勞磨損性能的影響，研究表明，淬火強化后，鋼軌波磨消失，磨損量顯著降低.

本文中通過激光淬火技術對車輪表面進行強化處理，利用MMS-2A微機控制摩擦磨損試驗機開展輪軌滾動磨損試驗，通過分析滾動磨損試驗過程中車輪試樣磨損表面宏觀形貌、廓形、波深變化以及試驗后車輪試樣微觀組織結構、裂紋擴展等方面，闡釋激光表面淬火對車輪多邊形萌生和發展的影響. 此外，為研究激光表面淬火對多邊形車輪后續磨損行為的影響，本文中利用未淬火車輪試樣先開展6萬次循環轉數的滾動磨損試驗，以形成車輪多邊形，之后對車輪表面進行激光淬火處理，再進行9萬次循環轉數的輪軌滾動磨損試驗，探明多邊形車輪試樣激光淬火后，滾動過程中多邊形的演變規律，研究結果可為激光淬火技術在抑制車輪多邊形萌生及發展方面提供理論指導.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本試驗中選用的材料為B級車輪和PG5鋼軌，加工后試樣接觸表面的粗糙度約為0.2 μm，輪軌試樣最大外直徑為40 mm，厚度為10 mm. 為方便觀察車輪多邊形宏觀形貌，車輪試樣外輪廓做圓弧處理，圓弧半徑為14 mm，故本研究中所有試驗采用點接觸形式，輪軌試樣實測硬度分別為330 HV0.5和425 HV0.5.

1.2 試驗機

輪軌滾動磨損試驗在MMS-2A微機控制摩擦磨損試驗機[11]上進行，如圖1所示電動機通過皮帶輪帶動下試樣，使其以212 r/min的速度轉動，通過齒輪副1和齒輪副2帶動上試樣轉動(其轉動速度取決于該對傳動齒輪的齒數比). 通過調整壓縮彈簧來施加上下試樣接觸界面的垂向力，垂向力加載范圍為0~2 kN；采用扭矩傳感器(TQ-660，中國，測量范圍：0~20 N?m，精度：0.01 N?m)、速度傳感器和壓力傳感器(LC-7，中國，精度：0.05%)分別采集下試樣軸的扭矩、轉速以及施加在試樣界面的垂向力. 通過振動加速度傳感器采集試驗過程中輪軌系統的振動頻率變化.

Fig. 1 Schematic diagram of MMS-2A testing machine圖1 MMS-2A試驗機示意圖

1.3 試驗參數

本文中共開展兩部分試驗：先對車輪表面做激光淬火處理，然后進行15萬次循環轉數的滾動磨損試驗，以研究激光淬火對車輪多邊形磨損萌生與發展的影響；先對未淬火車輪進行6萬次循環轉數的滾動磨損試驗以形成多邊形，然后對多邊形車輪表面做激光淬火處理，再開展9萬次循環轉數的滾動磨損試驗(共15萬次循環轉數)，以研究激光淬火對多邊形車輪后續磨損行為的影響.

第一部分試驗中，沿車輪試樣圓周方向開展局部點狀淬火(沿圓周12個點和16個點)和全表面淬火. 對于局部點狀淬火處理，激光工藝參數：激光輸出功率為800 W，單點持續時間2 s. 對于全表面淬火處理，激光工藝參數：激光輸出功率為800 W，持續時間10.5 s.試驗1-2#、1-3#和1-4#激光淬火參數列于表1中. 試驗1-1#為未激光淬火車輪，起到對比試驗作用.

表1 激光淬火參數Table 1 Laser quenching parameters

第二部分試驗中，對多邊形車輪試樣波谷區點狀淬火處理，激光工藝參數：激光輸出功率為600 W，單點持續時間0.2 s. 對于全表面淬火處理，激光工藝參數：激光輸出功率為600 W，持續時間20 s. 試驗2-1#和2-2#激光淬火參數列于表1中.

對于輪軌滾動磨損試驗，結合現場調查和相關文獻發現，出現多邊形磨耗比較嚴重的車輪主要集中在動車車輪上[12]，動車車輪和拖車車輪在運行中的主要差異是動車車輪通過輪軌縱向蠕滑產生牽引力. 為了能夠與現場實際相結合，故在試驗機的下軸安裝車輪試樣，上軸安裝鋼軌試樣，本次試驗中車輪試樣轉速設置為212 r/min，滑差設置為4.55%，相應地，鋼軌轉速為202.354 r/min，總循環次數15萬轉，垂向力350 N (輪軌最大赫茲接觸應力1 881 MPa，對應現場軸重30 t).

試驗前后使用電子天平(JA103，精度：±0.1 mg)對試樣稱重，采用維氏顯微硬度儀(MVK-H21，日本)測量輪軌試樣表面硬度值. 試驗后利用WL-1型車輪圓周不圓度激光測量儀測量試樣廓形、統計波深情況，利用超景深光學顯微鏡(KEYENCE VHX-6000，日本)觀察車輪試樣表面形貌和剖面塑性變形層. 采用掃描電子顯微鏡(SEM, Phenom Pro, Netherlands)觀察車輪試樣剖面損傷[13-14].

2 結果與討論

2.1 激光表面淬火對車輪多邊形萌生與發展的影響

2.1.1 淬火斑微觀組織與硬度

在輪軌滾動磨損試驗之前，對B級車輪表面分別進行未淬火、12和16個均勻離散點狀淬火以及全表面淬火處理，表面形貌照片如圖2所示. 未淬火車輪表面光滑無缺陷，12個點狀淬火斑直徑大約3.40 mm，16個點狀淬火斑直徑大約3.40 mm，每個淬火斑相互獨立，互不干涉. 對于全表面淬火，連續條狀淬火斑以1.50 mm寬度均勻分布在車輪表面.

Fig. 2 Macroscopic morphology and microstructure of wheel after quenching圖2 車輪宏觀和微觀形貌照片

如圖2中光學顯微鏡(OM)下車輪剖面微觀組織形貌所示，未淬火車輪材質均勻，而對于點狀淬火處理，車輪表面則由月牙形淬火斑和基體組織構成，淬火斑最大深度約為1 500~1 600 μm. 對于全表面淬火，連續條狀淬火斑以大約760 μm深度分布在車輪表面，淬火區下部為基體組織，兩者界限分明. 從電子顯微鏡(SEM)下車輪的微觀組織可以看到，對于未淬火車輪，其材質為珠光體和鐵素體組織，且組織分布均勻. 對于淬火車輪，激光作用下車輪表面迅速升溫至相變溫度，原珠光體組織發生奧氏體化，當激光作用停止時，車輪表面迅速冷卻，奧氏體轉變為針狀馬氏體組織，而未淬火區仍為珠光體.

對車輪表面進行硬度測量，結果如圖3所示. 對于點狀淬火，淬火區硬度大幅提高，平均硬度值約為856 HV0.5，約為淬火前的2.6倍，非淬火區硬度基本不變. 對于全表面淬火，車輪表面沿圓周方向硬度提高至平均約865 HV0.5，并且硬度分布相對均勻.

Fig. 3 Hardness distribution along rolling direction at wheel surface圖3 車輪表面沿滾動方向硬度分布

2.1.2 車輪多邊形演化行為

輪軌滾動磨損試驗中每隔3萬轉使用光學顯微鏡拍攝車輪表面形貌并通過WL-1型不圓度激光測量儀檢測車輪全周廓形，結果如圖4所示. 對于未淬火處理車輪試樣，車輪磨損區域出現輕微的寬窄不均，變窄處為波峰，較寬處為波谷，從全周廓形看，在3萬轉時車輪已經產生輕微的多邊形. 隨著循環轉數的增加，磨痕變寬且逐漸出現清晰的波浪狀寬窄不一，從全周廓形來看，6萬轉時車輪半徑出現明顯的周期性變化，具備典型的車輪多邊形形貌特征，15萬轉時呈現穩定的19階多邊形. 對于試驗前進行12個點狀淬火處理的B級車輪，3萬轉時車輪表面磨痕已經出現十分明顯的寬窄不均，淬火點處為磨痕較窄的波峰，非淬火區成為波谷，車輪全周呈現12階多邊形廓形，且多邊形發展迅速，9萬轉時多邊形發展基本穩定. 同樣地，對于試驗前進行16個點狀淬火處理，車輪表面在3萬轉時已呈現典型的多邊形形貌且發展十分迅速，最終成為16階多邊形. 對于全表面淬火處理車輪試樣，試驗過程中車輪表面磨痕始終規則平順，全周廓形相對圓滑，全過程無多邊形產生.

Fig. 4 Morphology development of B-class wheel during test圖4 試驗過程中B級車輪宏觀形貌演變

試驗中每隔3萬轉測量1次車輪多邊形波深，測量方法如圖5(a)所示. 定量分析多邊形萌生及發展情況.如圖5(b)所示，對于未淬火處理車輪試樣，3萬轉時多邊形波深較小，平均波深0.045 mm左右. 波深隨時間逐漸增大，9萬轉時達到0.069 mm，且基本穩定. 對于試驗前進行12個點狀淬火處理的B級車輪，3萬轉時多邊形波深已達到0.109 mm，9萬轉時波深迅速發展到0.151 mm，在這之后多邊形發展基本穩定. 對于試驗前進行16個點狀淬火處理的B級車輪，多邊形波深發展同樣十分迅速，平均波深從3萬轉的0.104 mm持續發展到15萬轉的0.164 mm. 對于試驗前全表面淬火處理，試驗過程中無多邊形產生，因此波深被定義為0 mm.

Fig. 5 Measurement of the amplitude of polygon and amplitude variation with time圖5 多邊形波深測量示意圖與波深隨時間變化曲線圖

2.1.3 車輪材料塑性變形和損傷行為

如圖6所示，在輪軌對滾試驗中，車輪試樣材料在循環接觸應力作用下發生位錯運動，車輪近表層未淬火區出現了明顯塑性變形，越靠近表面變形越劇烈，呈現出纖維狀組織；淬火區由于高硬度馬氏體的存在，未觀察到塑性變形. 對于未淬火的車輪試樣，多邊形波峰和波谷處均產生明顯塑性流動，波峰處塑性變形深度略大于波谷處. 對于12個點狀淬火的車輪，15萬轉后淬火區(波峰)無塑性變形，經磨損后淬火斑深度約為1 417 μm，非淬火區(波谷)塑性變形明顯，平均塑性變形層深度在105 μm. 同樣地，對于16個點狀淬火的車輪試樣，淬火區(波峰)無塑性變形，經磨損后淬火斑深度約為1 543 μm，非淬火區(波谷)塑性變形明顯，平均塑性變形層深度在112 μm. 對于全表面淬火車輪，表面無塑性變形產生，對滾磨損后淬火層以629 μm的厚度相對均勻地分布在車輪表面.

Fig. 6 Plastic deformation and fatigue damages near wheel sample surface after rolling wear experiments圖6 滾動磨損試驗后車輪試樣近表面塑性變形和疲勞損傷情況

如圖7所示，從裂紋尺寸統計可以看出，對于未淬火處理車輪，波峰處疲勞裂紋平均長度約為22.13 μm，平均深度4.75 μm，平均擴展角度為13.44°. 相比之下，波谷處疲勞裂紋以較短長度、相同深度以及較大擴展角度的方式存在，裂紋平均長度約為16.34 μm，平均深度3.67 μm，平均擴展角度為18.33°. 對于12個點狀淬火車輪，波峰處裂紋平均長度為17.99 μm，由于硬脆馬氏體的存在，疲勞裂紋更易以大角度(平均角度64.18°)向材料內部擴展，因此，裂紋平均擴展深度為較大的16.14 μm. 相比之下，波谷處疲勞裂紋以較大長度、較小深度以及較小角度的方式存在，裂紋平均長度約為27.40 μm，平均深度6.34 μm，平均擴展角度為20.13°. 同樣地，對于16個點狀淬火車輪，波峰處疲勞裂紋平均長度約為19.29 μm，平均深度11.24 μm，平均擴展角度為36.09°. 相比之下，波谷處疲勞裂紋以較大長度、較小深度以及較小角度的方式存在，裂紋平均長度約為22.34 μm，平均深度5.17 μm，平均擴展角度為17.85°. 對于全表面淬火車輪，由于其表面為均勻分布的馬氏體組織，疲勞裂紋整體向材料內部擴展，裂紋平均長度約為15.97 μm，平均深度14.87 μm，平均擴展角度為58.48°.

Fig. 7 Crack size statistic of wheel圖7 車輪疲勞裂紋尺寸統計

車輪運行15萬轉后磨損情況如圖8所示，從圖8中可以看出：未處理車輪材料、經12個點狀淬火、16個點狀淬火和全表面淬火處理后車輪材料，磨損率分別為2.85×10-5、1.36×10-5、2.14×10-5和0.496×10-5g/m. 將磨損率的倒數定義為耐磨性，則對應車輪試樣耐磨性分別為0.351×105、0.735×105、0.467×105和2.02×105m/g，相比原始車輪，激光淬火后車輪材料耐磨性分別提升了109%、33%和475%.

Fig. 8 Wear rate of wheel after 150 000 cycles圖8 車輪運行15萬轉后磨損率統計圖

2.2 激光表面淬火對多邊形車輪后續磨損行為的影響

通過在輪軌滾動磨損試驗前對車輪表面做淬火處理，可以影響車輪多邊形的萌生和發展. 現場實際線路運行中，如果車輪多邊形已經產生，通常使用車輪鏇修的方法來抑制多邊形的進一步發展，該方法較為直接且有效，但是鏇修后會顯著降低車輪的使用壽命，且操作繁瑣、經濟性差[15]. 因此，本文中第二部分試驗先利用未處理車輪試樣進行6萬次循環轉數的輪軌滾動磨損試驗，形成多邊形車輪試樣，然后對多邊形車輪表面進行運用激光表面淬火，再進行9萬次循環轉數的輪軌滾動磨損試驗，以研究激光淬火對多邊形車輪試樣的后續多邊形磨損發展的影響.

2.2.1 淬火斑微觀組織與硬度

在運行6萬轉以后，對B級車輪分別進行波谷區淬火強化和全表面淬火處理. 如圖9所示，波谷區點狀淬火斑直徑大約為2.70 mm. 對于全表面淬火，連續條狀淬火以2.00 mm寬度分布在車輪表面. 從光學顯微鏡下可以看到，對于波谷區淬火處理，車輪表面由月牙形淬火斑和基體組織構成，淬火斑最大深度為920 μm. 波峰處在6萬次循環轉數后產生塑性變形，深度為81 μm.對于全表面淬火，波峰處條狀淬火斑以910 μm深度分布在車輪表面，波谷處條狀淬火斑最大深度則為808 μm.

Fig. 9 Morphology of polygonal wheel sample after quenching圖9 多邊形車輪試樣激光淬火后形貌照片

對淬火后的車輪表面進行硬度測量，對波谷區淬火，淬火區(波谷)硬度大幅提高，平均硬度值為796 HV0.5，非淬火區(波峰處)由于滾動硬化作用，硬度值由試驗前的330 HV0.5提升至437 HV0.5. 對于全表面淬火，車輪表面沿圓周方向硬度提高至平均860 HV0.5，并且硬度分布相對均勻.

2.2.2 多邊形車輪激光淬火后滾動磨損演化行為

滾動磨損試驗中多邊形宏觀形貌變化如圖10所示，6萬轉之前車輪由于未進行激光淬火處理，20階和21階多邊形的形成發展情況與試驗1-1#(圖4)基本一致. 6萬轉后對20階多邊形波谷區淬火強化處理，繼續開展輪軌滾動磨損試驗3萬轉(9萬轉時)，車輪表面磨痕由6萬轉時的典型波浪狀多邊形形貌轉變為相對輕微的寬窄不均，全周廓形來看，車輪不圓度幅值相對6萬轉時有所下降，多邊形發展出現減緩的現象. 然而在9萬轉后車輪多邊形又迅速發展，12萬轉時車輪表面再次出現明顯的多邊形，15萬轉表現為20階多邊形.由點狀淬火斑的位置可以看出，此時原淬火后的波谷轉變為此刻的波峰，原波峰發展為波谷. 對21階車輪多邊形進行全表面淬火強化處理，繼續對滾3萬轉，21階多邊形依然存在且以一定速度發展，15萬轉時車輪表面周期性不均勻磨損有輕微減緩.

Fig. 10 Morphology development of B-class wheel during test圖10 試驗過程中B級車輪宏觀形貌演變

輪軌滾動磨損試驗中多邊形波深變化如圖11所示，6萬轉之前多邊形波深發展情況與試驗1-1#基本一致. 對于波谷區淬火強化處理車輪，繼續對滾3萬轉后(9萬轉時)平均波深由6萬轉時的0.070 mm明顯下降到0.053 mm. 然而在9萬轉后車輪多邊形波深又迅速增大，迅速且持續發展到15萬轉時的0.097 mm. 對于全表面淬火強化處理車輪，繼續對滾3萬轉后(9萬轉時)多邊形平均波深仍以較快速度增大到0.090 mm，之后波深出現輕微減小，15萬轉時平均波深達到0.077 mm.

Fig. 11 Polygon amplitude variation with time圖11 多邊形波深隨時間變化曲線圖

2.2.3 多邊形車輪激光淬火后滾動磨損塑性變形和損傷行為

對于波谷區淬火強化處理的B級車輪，總運行15萬轉后淬火區(原波谷現為波峰)無塑性變形產生，淬火斑深度約為875 μm，非淬火區(原波峰現為波谷)塑性變形明顯，平均塑性變形層厚度約為101 μm.對于全表面淬火強化處理車輪，總運行15萬轉后的波峰、波谷處均無塑性變形，且波峰處淬火層深度(903 μm)大于波谷處淬火層深度(791 μm)(圖12).

Fig. 12 Plastic deformation and micrographs of subsurface damages of wheel圖12 車輪剖面塑性變形和損傷形貌照片

從疲勞裂紋尺寸統計(圖13)可以看出，對于波谷區淬火處理車輪，波峰處(原波谷淬火區)由于馬氏體的存在，疲勞裂紋平均長度約為32.64 μm，平均深度24.79 μm，平均擴展角度為58.34°. 相比之下，波谷處(原波峰未淬火區)疲勞裂紋以相同級別長度、更小深度以及更小擴展角度的方式存在，裂紋平均長度約為30.65 μm，平均深度5.85 μm，平均擴展角度為21.27°. 對于全表面淬火車輪，波峰處裂紋平均長度約為25.23 μm，平均深度22.55 μm，平均擴展角度為72.88°. 波谷處裂紋平均長度約為17.87 μm，平均深度16.16 μm，平均擴展角度為69.54°.

Fig. 13 Crack size statistic of wheel圖13 車輪疲勞裂紋尺寸統計

車輪磨損方面，經波谷區淬火處理和全表面淬火處理后，車輪運行15萬轉磨損率分別為2.64×10-5和2.26×10-5g/m，相比于對照組試驗，車輪材料耐磨性分別提升8%、26%.

2.3 車輪多邊形萌生和發展機理討論

通過以上研究結果可以發現，激光表面淬火對車輪多邊形的萌生及發展有重要影響. 在輪軌滾動磨損試驗中，車輪表面受切向力(恒定垂向載荷作用)影響而出現均勻塑性變形，同時由于試驗機固有頻率的存在，在其產生的額外沖擊應力下車輪表面局部塑性變形變得嚴重且硬度得到相應提升，從而造成車輪表面不均勻硬化[16]，而車輪硬度不均極易導致不均勻磨耗的產生即車輪初始不圓[17]，這又為輪軌系統自激振動最終導致車輪多邊形的萌生提供了前提條件[18-19]. 當車輪多邊形特征頻率與輪軌系統固有頻率耦合時，又會加劇多邊形的發展[20]. 基于以上理論，當對車輪全表面進行激光淬火處理時車輪表面硬度大幅提升且分布均勻(圖3)，其自身抵抗塑性變形的能力增強[圖6(d)]，抵制了不均勻磨耗的發生，進而抑制了車輪多邊形的萌生，當對車輪表面進行12、16個點狀淬火時，由于存在初始硬度不均(圖3)，車輪極易出現不均勻磨耗，從而促進車輪多邊形的萌生和發展.

車輪多邊形萌生以后，要想繼續發展，必須滿足波谷比波峰處磨耗更多這一條件. 在運行6萬轉對多邊形波谷進行淬火強化后，波谷處硬度大幅提升(平均硬度值從滾壓硬化后的437 HV0.5提升至796 HV0.5)，抗磨損能力增強[9]，波谷處材料去除量相對減少，所以出現了6萬轉到9萬轉之間波深減小、多邊形減緩的現象(圖11中平均波深由6萬轉時的0.070 mm明顯下降到9萬轉時的0.053 mm)；然而參考15萬轉時剖面形貌(圖12)，可以發現9萬轉時車輪表面淬火區高硬度馬氏體始終存在，周期性硬度不均會繼續導致車輪多邊形的發展，因此，在12萬轉時再次出現了明顯的車輪多邊形，并且更耐磨的淬火區(原波谷)變為波峰，較軟的非淬火區(原波峰)轉變為波谷(圖10中點狀淬火斑位置由磨痕較寬的波谷轉變為磨痕較窄的波峰). 在運行6萬轉對車輪全表面進行淬火強化后，硬度分布相對均勻，但是由于此時已經產生多邊形(圖10中6萬轉時車輪廓形圖)，淬火后并不會對多邊形波深產生影響，后續滾動磨損試驗中波深變化輕微(圖11中平均波深由9萬轉時的0.090 mm輕微下降到15萬轉時的0.077 mm)，車輪表面不均勻磨耗的存在會繼續導致輪軌系統振動(圖14)，具體表現為在輪軌系統固有振動頻率基礎上產生了多邊形特征頻率，該振動頻率的存在會維持或加劇多邊形的發展[20]，對行車安全和乘客舒適性產生不利影響[1,5]. 通過UXI-50016動態測試系統監測試驗機振動信號，發現多邊形特征頻率具體值為74.2 Hz (圖14，其中FFT表示快速傅里葉變換)，對應的電壓信號幅值為0.008~0.009 V之間. 該振動的存在使車輪多邊形得以維持發展.

Fig. 14 Frequency variation of wheel/rail system with time圖14 輪軌系統振動頻率隨時間變化

結合全文可以發現，本文中第1部分的1組試驗中先對車輪做激光全表面淬火處理，然后進行15萬次循環轉數的滾動磨損試驗，試驗結果發現該情況下進行車輪全表面淬火可以有效抑制多邊形的萌生和發展(圖4中多邊形宏觀形貌變化與圖5中波深變化)；本文中第2部分的1組試驗采取先對未淬火車輪進行6萬次循環轉數的滾動磨損試驗以形成多邊形，然后對多邊形車輪做全表面激光淬火處理，然而在淬火后繼續進行滾動磨損試驗中車輪多邊形并未得到有效抑制(圖10中多邊形宏觀形貌變化與圖11中波深變化)，通過對比上述2組試驗可以發現，對初始車輪(無多邊形車輪)進行全表面淬火強化后，車輪多邊形可以得到有效抑制，而多邊形出現以后再進行全表面淬火則無法抑制多邊形的發展，試驗結果可以為“選擇在1個合適的車輪狀態下(或運行時間節點中)進行激光全表面淬火，進而去抑制車輪多邊形萌生和發展”提供實際參考.

3 結論

a. 經激光淬火處理后，車輪表面淬火區產生一定深度的針葉狀馬氏體，表面硬度提升2.6倍左右. 非淬火區保持原有硬度，基體組織為珠光體不變.

b. 在車輪試樣表面沿圓周方向均勻地進行12個和16個點狀淬火時，由于存在初始硬度不均，輪軌滾動磨損試驗中車輪表面分別萌生出12階和16階多邊形；在車輪表面進行全表面淬火處理時，車輪表面硬度大幅提升且分布均勻，其自身抵抗塑性變形的能力增強，從而抑制了多邊形的萌生.

c. 關于多邊形車輪淬火后發展情況，對已經形成多邊形的車輪試樣波谷區進行表面淬火強化，由于波谷處(淬火斑)耐磨性增強，材料去除量減少，同時淬火區高硬度馬氏體使車輪周期性一直存在硬度不均，最終多邊形發展表現出先放緩后加快的現象，多邊形波深先變小后變大，波谷轉變為波峰；對多邊形車輪試樣進行全表面淬火強化，由于此時已經產生多邊形，且淬火區域硬度高、耐磨性好，后續滾動磨損試驗中波深變化輕微，車輪表面不均勻磨耗的存在會繼續導致輪軌系統振動，該振動使車輪多邊形得以繼續發展，運行15萬轉后多邊形波深呈輕微下降趨勢.

d. 輪軌滾動磨損試驗后，車輪表面非淬火區塑性變形明顯，淬火區無塑性變形產生. 疲勞損傷方面，相比于未淬火處理車輪，無論是點狀淬火還是全表面淬火，淬火區疲勞裂紋都以大角度、較大深度的方式向材料內部擴展，非淬火區疲勞裂紋則表現為同等長度、小角度以及較小深度.