做座现代轨道交通关键材料

现代轨道交通关键材料

一、我们十分关注现代轨道交通用关键材料问题

什么是现代轨道交通？用老百姓的话说，就是快、稳、安全、舒适、经济等，用业内人士的话说，有很多指标，如高速、重载、能经受严酷环境、减震、降噪、高效等等。

现代轨道交通的关键材料问题十分重要。我国提速和重载列车运行历史还很短，高速铁路的发展才刚刚开始，而已经需要解决和即将面临的问题已很多。这些问题的解决是现代列车安全运行的重要保证。例如：

(1)列车提速和重载运输，使弓振动加剧，受流负荷加大，离线率增加造成电弧烧蚀，使接触线出现大量硬点，弓/滑块磨损进一步加剧，甚至造成接触线熔断。

(2)提速使机车车辆的转向架振动加剧，疲劳寿命和安全可靠性问题突出。多次出现电机悬挂的转向架构架端梁断裂和牵引拉杆断裂等十分危险的事故。

(3)高速与重载使轮－轨这对滚动摩擦副中车轮表面产生剥离、辋裂及车轴等构件断裂严重：

——时速为200km的车组车轮使用不久就发生严重剥离。

——提速和重载使钢轨出现了波浪型磨损，

——提速和重载还使钢轨出现压溃和疲劳开裂等问题，

——年均重伤轨数增加，国产铁路道岔使用寿命只及国外的1/3。我国每年为更换破损的钢轨所需费用达10亿元。

(4)高速重载对制动提出了更高要求，由于强烈制动，使制动盘的使用寿命大大缩短；此外，冰雪环境下增摩材料的使用也会对轮轨的损伤产生影响。

二、材料的服役行为是我国材料科学技术部署中的严重薄弱环节

材料科学和工程包括成分、组织、性能、制备和服役行为(performance)诸要素。

服役行为恰恰是材料科学和工程的“制高点”。所谓服役行为是指材料在使用状态的表现，也包括经济性和社会满意度。归根到底，服役行为是检验材料是否合用的最终判据。

但是，在我国材料科学技术的部署中，材料的服役尤其是长期的服役行为包括疲劳、老化、腐蚀等的重要性缺乏足够认识。由此造成直接经济损失相当惊人，这方面的例子很多，举不胜举。我们认为，造成材料服役方面理论、技术、队伍薄弱的主要原因是短期行为、急功近利。科技政策导向上只注意新材料，而很多年以后能否长期稳定使用这些材料常常被忽视。

实际上脱离服役行为来研制新材料、追求高性能往往事倍功半，人所共知，硫和磷是提高水平靠新技术钢中的有害杂质，但硫可改善钢的切削加工性(易切钢)，硫化物包裹氧化物可提高轴承钢的接触疲劳寿命；磷可提高钢在大气中的抗蚀性(耐候钢)，还能提高汽车钢板的强度和冲压成形性(回磷钢)，因此，材料的服役行为是材料研究和应用的决定性因素。

三、必须下决心解决高速重载轨道交通材料问题

鉴于现代轨道交通关键材料(包括钢轨、摩擦副、弓材料等)大多依赖进口的情况，我们提出要以现代轨道交通关键材料和零部件为应用背景，将材料的服役行为放在第一位，从材料的使用条件与环境及破坏失效现象与模式出发，探索服役行为的表征方法与技术，研究动态下材料成分、组织、结构的变化及其与服役行为的关系规律，据以制订制备工艺以实现材料的优化，由此可开辟全面发展我国材料科学与工程的新途热合的接口径。

1、提出关键技术问题

其中有些国外已经解决的问题，在我国则正开始研究，如：

(1)接触线－滑块摩擦副材料。滑板的研制经历了粉末冶金、铜渗碳复合材料、碳/碳复合材料、自润滑金属化碳滑板等发展过程，日本的受电弓滑块采用碳纤维渗金属来制造，有很好的耐磨性及不易起电弧的优点。

(2)轮－轨摩擦副。国外在高速铁轨上正在开发贝氏体钢轨，以提高耐磨性和抗疲劳性。

(3)制动摩擦副。在制动系统中，闸瓦的材料已从普通铸铁、特种铸铁发展到合成材料和粉末冶金材料；

制动盘的材料已从铸铁、铸钢、铸铁－铸钢复层材料，发展到碳/碳纤维、铝合金基和陶瓷基复合材料；

闸片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和复合材料三种。

2、解决关键科学问题

鉴于铁路系统主要构件的失效约35%与磨损有关，而运动又带来了震动和冲击，因此对材料动态服役行为的研究必须将材料科学、摩擦学和动力学有机结合起来。

(1)低温致脆、高应变率致脆、约束致脆及其与疲劳破坏之间的交互作用。

(2)材料表面亚表面微结构动态演变及损伤机理。

(3)材料服役过程中性能动态衰退及性能与组织结构超稳定合金设计。

目标：

(1)材料动态服役行为理论在三个方面取得重大的进展，即：材料动态脆性断裂理论，材料表面动态失效理论，材料性能动态衰退理论。

(2)确定增塑增韧与材料层错能、相变、孪生动力学之间的量化关系，为抗脆材料合金设计提供理论依据。在材料逆向设计上建立抗低温致脆、高应变率致脆、约束致脆材料设计技术。

(3)揭示材料动态下微观组织结构演变及其与材料表面损伤破坏的关系规律，阐明润滑材料组成结构对材料高低温性能和服役行为的影响机制，建立磨损表面损伤的自修复理论并形成相关的实用专利技术。

(4)阐明电弧烧蚀与机械磨损交互作用对材料损伤破坏的机理。

3、重视研究开发关键试验和加工装备

主要要部署长期服役行为的检测装备，如在腐蚀试验方面，我们已建有全国性的材料在大气、土壤、海水中腐蚀的试验站。在动态情况下材料的疲劳失效等，也应建立长期试验，以积累经验和探索规律性。 与此同时

更重要的是要研究加速试验和材料寿命预测的方法和相关的试验设备。

此思达高科设计了全自动拉力实验机系统外，也要注意解决有助于抗震动、耐磨、耐疲劳的构件加工成型的方法和装备，以减少内部应力、增强表面韧性等。

总之，我们要通过研究使某些铁路关键零部件的可靠性及使用寿命达到当前国际先进水平，取得下列标志性研究成果，为生产应用创造条件。

① 使车轴、转向架构架和轮轨的断裂和开裂事故得到遏制，原型尺寸台架试验的疲劳寿命有大幅度提高。

② 制备出具有优良服役行为的新钢种车轮钢轨摩擦副。

③ 制备出具有优良服役行为的新一代滑板和导线。

④ 研制出低温性能优良与环境和谐的铁路系统用润滑防护材料。

⑤ 研制出新型高效的制动盘摩阻材料。

⑥ 揭示钢轨波浪形磨损机理并提出防止对策。

⑦ 提供提高弹性件使用寿命的材料与技术。

四、加强新材料在交通方面的应用

在863计划和科技攻关项目方面，已经有一些成果可以应用到现代轨道交通上去。例如：

1、 高强轻量材料问题

高强度钢：超级钢

复合材料：颗粒增强型复合材料

轻金属材料：铝合金板、铝镁合金、高硅铝合金

2、减阻降噪阻燃材料问题

高效阻尼减震

隔声吸震

无毒阻燃

五、科技部拟采取的措施

1、全面考虑现代轨道交通材料的研发计划；

我们希望和铁道部一起来制定计划，以便使有关企业和科研单位了解全局和关键的需求。实际上，列车和汽车一样，是现代科技成果可以不断发展和改进的一个很好的应用平台。

2、支持一批关键科技项目；

3、支持建立一些标准测试方法和设备；

4、支持用户—生产企业—科研院校所建立更紧密的联系；

5、将材料长期服役行为的科技问题列入863计划材料领域重点支持方向。(end)