現代軌道交通的關鍵材料

一、我們十分關注現代軌道交通用關鍵材料問題

什麼是現代軌道交通？用老百姓的話説，就是快、穩、安全、舒適、經濟等，用業內人士的話説，有很多指標，如高速、重載、能經受嚴酷環境、減震、降噪、高效等等。

現代軌道交通的關鍵材料問題十分重要。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。多次出現電機懸掛的轉向架構架端樑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生嚴重剝離。

??提速和重載使鋼軌出現了波浪型磨損，

??提速和重載還使鋼軌出現壓潰和疲勞開裂等問題，

??年均重傷軌數增加，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，由於強烈制動，使制動盤的使用壽命大大縮短；此外，冰雪環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節

材料科學和工程包括成分、組織、性能、製備和服役行為(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的表現，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。

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。科技政策導向上只注意新材料，而很多年以後能否長期穩定使用這些材料常常被忽視。

實際上脱離服役行為來研製新材料、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衝壓成形性(回磷鋼)，因此，材料的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

鑑於現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

的使用條件與環境及破壞失效現象與模式出發，探索服役行為的表徵方法與技術，研究動態下材料成分、組織、結構的變化及其與服役行為的關係規律，據以制訂製備工藝以實現材料的優化，由此可開闢全面發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。滑板的研製經歷了粉末冶金、銅滲碳複合材料、碳/碳複合材料、自潤滑金屬化碳滑板等發展過程，日本的受電弓滑塊採用碳纖維滲金屬來製造，有很好的耐磨性及不易起電弧的優點。

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

(3)制動摩擦副。在制動系統中，閘瓦的材料已從普通鑄鐵、特種鑄鐵發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，發展到碳/碳纖維、鋁合金基和陶瓷基複合材料；

閘片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和複合材料三種。

2、解決關鍵科學問題

鑑於鐵路系統主要構件的失效約35%與磨損有關，而運動又帶來了震動和衝擊，因此對材料動態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)低温致脆、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演變及損傷機理。

(3)材料服役過程中性能動態衰退及性能與組織結構超穩定合金設計。

目標：

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

(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係，為抗脆材料合金設計提供理論依據。在材料逆向設計上建立抗低温致脆、高應變率致脆、約束致脆材料設計技術。

(3)揭示材料動態下微觀組織結構演變及其與材料表面損傷破壞的關係規律，闡明潤滑材料組成結構對材料高低温性能和服役行為的影響機制，建立磨損表面損傷的自修復理論並形成相關的實用專利技術。

(4)闡明電弧燒蝕與機械磨損交互作用對材料損傷破壞的機理。