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現代軌道交通的關(guān)鍵材料
一、我們十分關(guān)注現代軌道交通用關(guān)鍵材料問(wèn)題
什么是現代軌道交通？用老百姓的話(huà)說(shuō)，就是快、穩、安全、舒適、經(jīng)濟等，用業(yè)內人士的話(huà)說(shuō)，有很多指標，如高速、重載、能經(jīng)受?chē)揽岘h(huán)境、減震、降噪、高效等等。
現代軌道交通的關(guān)鍵材料問(wèn)題十分重要。我國提速和重載列車(chē)運行歷史還很短，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)題的解決是現代列車(chē)安全運行的重要保證。例如：
(1)列車(chē)提速和重載運輸，使弓網(wǎng)振動(dòng)加劇，受流負荷加大，離線(xiàn)率增加造成電弧燒蝕，使接觸線(xiàn)出現大量硬點(diǎn)，弓網(wǎng)/滑塊磨損進(jìn)一步加劇，甚至造成接觸線(xiàn)熔斷。
(2)提速使機車(chē)車(chē)輛的轉向架振動(dòng)加劇，疲勞壽命和安全可靠性問(wèn)題突出。多次出現電機懸掛的轉向架構架端梁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(dòng)摩擦副中車(chē)輪表面產(chǎn)生剝離、輞裂及車(chē)軸等構件斷裂嚴重： ――時(shí)速為200km的車(chē)組車(chē)輪使用不久就發(fā)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(kāi)裂等問(wèn)題，
――年均重傷軌數增加，國產(chǎn)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(dòng)提出了更高要求，由于強烈制動(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 )對輪軌的損傷產(chǎn)生影響。
二、材料的服役行為是我國材料科學(xué)技術(shù)部署中的嚴重薄弱環(huán)節
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，也包括經(jīng)濟性和社會(huì )滿(mǎn)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(xué)技術(shù)的部署中，材料的服役尤其是長(cháng)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(jīng)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(shù)、隊伍薄弱的主要原因是短期行為、急功近利�？萍颊邔蛏现蛔⒁庑虏牧�，而很多年以后能否長(cháng)期穩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(chē)鋼板的強度和沖壓成形性(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(wèn)題
鑒于現代軌道交通關(guān)鍵材料(包括鋼軌、摩擦副、弓網(wǎng)材料等)大多依賴(lài)進(jìn)口的情況，我們提出要以現代軌道交通關(guān)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(huán)境及破壞失效現象與模式出發(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、結構的變化及其與服役行為的關(guān)系規律，據以制訂制備工藝以實(shí)現材料的優(yōu)化，由此可開(kāi)辟全面發(fā)展我國材料科學(xué)與工程的新途徑。
1、提出關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
其中有些國外已經(jīng)解決的問(wèn)題，在我國則正開(kāi)始研究，如：
(1)接觸線(xiàn)－滑塊摩擦副材料�；宓难兄平�(jīng)歷了粉末冶金、銅滲碳復合材料、碳/碳復合材料、自潤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－鑄鋼復層材料，發(fā)展到碳/碳纖維、鋁合金基和陶瓷基復合材料；
閘片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和復合材料三種。
2、解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題
鑒于鐵路系統主要構件的失效約35%與磨損有關(guān)，而運動(dòng)又帶來(lái)了震動(dòng)和沖擊，因此對材料動(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)有機結合起來(lái)。
(1)低溫致脆、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(dòng)態(tài)演變及損傷機理。
(3)材料服役過(guò)程中性能動(dòng)態(tài)衰退及性能與組織結構超穩定合金設計。
目標：
(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，為抗脆材料合金設計提供理論依據。在材料逆向設計上建立抗低溫致脆、高應變率致脆、約束致脆材料設計技術(shù)。
(3)揭示材料動(dòng)態(tài)下微觀(guān)組織結構演變及其與材料表面損傷破壞的關(guān)系規律，闡明潤滑材料組成結構對材料高低溫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并形成相關(guān)的實(shí)用專(zhuān)利技術(shù)。
(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。
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