轨道车辆盘形摩擦制动材料表面特征演变及其摩擦匹配性能研究

Brake disc and brake pad are the friction brake components of rail vehicles disc brakes. Surface features of the braking components will change subject to high temperature and thermal mechanical coupling stress caused by braking process. The microstructure and roughness of the friction surface changes. Hot spots and third body form at the interface and material transfer also happens. The friction coupling properties such as friction coefficient, wear loss and noise will change. Furthermore, it will affect the operation of rail vehicles' comfort, safety and economy. The surface features evolution will interact with the temperature and thermal mechanical coupling stress. They basically determine the friction coupling properties. Based on the above, alloy steel brake disc, aluminum brake disc and powder metallurgy brake pad are chosen to be the objects for the project. Friction test, numerical simulation and microscopic analysis will be used in carrying out the study on the surface feature evolution and friction coupling properties for rail vehicles disc brake components. Base on the theory of tribology, mechanics and materials science, the interaction mechanism of surface features evolution, temperature and thermomechanical coupling will be clarified. The influence law of friction coupling properties affected by surface features evolution will be revealed. The study will enrich the friction and wear mechanism, provide theoretical basis for wear and noise control of disc brake and propose scientific ideas for brake component materials design and development.

制动盘和闸片是轨道车辆盘形制动器的摩擦制动元件。制动过程所产生的温度和热机耦合应力将改变制动元件的表面特征，使其组织、结构和粗糙度发生变化，形成热斑和表面第三体，甚至发生材料转移，由此影响制动元件的摩擦系数、磨损和噪声等摩擦匹配性能，进而影响轨道车辆运行的安全性和经济性。制动元件的表面特征演变与其温度和热机耦合应力存在交互作用，并从根本上决定着材料的摩擦匹配性能。基于以上认识，课题以合金钢制动盘、铝合金制动盘和粉末冶金闸片为工程研究对象，采用摩擦试验、仿真计算和微观分析方法，开展轨道车辆盘形制动元件表面特征演变和摩擦匹配性能研究，基于摩擦学、力学和材料科学的有关理论，阐明表面特征演变与温度和热机耦合应力的交互作用机制，揭示表面特征演变对摩擦匹配性能的影响规律。课题研究将丰富盘形制动器的摩擦磨损机理，为其摩擦、磨损和噪声控制提供理论依据，并为制动元件材料设计和研发提供科学思路。

制动盘和闸片是轨道车辆的基础制动元件，制动元件的表面特征演变与温度和热机应力存在交互作用，从根本上决定着制动盘的使役性能，进而影响轨道车辆运行的安全性和经济性。课题以合金钢制动盘和粉末冶金闸片为工程研究对象，采用摩擦试验、仿真计算和微观分析方法，开展轨道车辆盘形制动元件表面特征演变和摩擦匹配性能研究。.对制动盘材料力学性能及组织分析表明，采用纯净化处理及合适的热处理制度，使材料在高、低温下获得了较好的韧性。根据Manson-Coffin公式建立了制动盘低合金钢的应变—寿命关系，在应变控制的低循环疲劳下表现为循环软化。.制动过程中摩擦面会形成黑色光亮的第三体并发生动态演化，其形成与破坏过程交替出现，并伴随着氧化反应和粘着磨损。第三体由磨屑及其氧化物混合压实而成，当其形成速度与破坏速度达到动态平衡，摩擦面形成光滑、致密的第三体，硬度大于基体材料，有助于稳定摩擦系数、减小磨损量。.热斑是摩擦面上局部温度高且温度梯度大的位置，热斑区内材料组织发生细化或相变、显微硬度提高。热斑纵剖面的组织特征可近似划为四个区域：马氏体和贝氏体高硬区；回火马氏体区；等轴晶软化区；原始组织区。利用制动热模拟试验，将材料发生贝氏体/马氏体组织转变时的体积膨胀耦合到制动应力模拟计算中，建立了制动热应力-相变应力耦合模拟方法。.经反复制动的冷热循环作用，热斑区内的材料发生了不可回复的压缩塑性变形，冷却后表面产生残余拉伸应力，该残余应力通过裂纹萌生和扩展释放。热斑组织转变区与基体材料存在变形不匹配性，反复制动在热斑周围产生较高的拉压应力循环，诱发表面和埋藏裂纹形成。残余应力还促进热斑边界形成等轴晶带状区域，使残余应力有所释放、裂纹在该区域内扩展缓慢。锻钢制动盘表面裂纹未贯穿盘体，裂纹深度与残余拉应力层或相变层深度对应。.本课题研究工作为深入了解盘形制动器的摩擦磨损机理和使役性能提供理论依据，并为制动元件材料设计和研发提供科学思路。