随着铁路交通的快速发展,列车运行速度不断提高,运载量急剧增加,使得轮轨间损伤问题也越趋严重。列车的牵引、制动和运行都要靠轮轨的滚动接触作用实现,而轮轨接触表面的变化对轮轨的服役状态有重要作用,因此研究轮轨材料摩擦磨损过程中组织和性能演变具有重要意义。本试验使用GPM-30滚动摩擦磨损试验机,进行了 D2车轮钢和U71Mn钢轨钢(主/陪试样)干摩擦纯滚动条件下的摩擦磨损试验。采用加速度传感器、光学显微镜、扫描电镜及EBSD、透射电镜、显微硬度仪和电子天平等设备,分析了试样表面波磨的形成机理,研究了摩擦磨损过程中试样磨损性能变化规律及表层组织演变和硬度的变化规律。试样表面波磨主要是由系统垂向振动造成。当载荷为2740N,转速为1440r/min时,波磨阶数始终为23阶,具有周期性的特征。有限元分析得出试样表面的应力与应变分布同样具有周期性特征。摩擦磨损初期,主陪试样磨损量均缓慢增加,出现波磨后(3×105r后)主试样的磨损量急剧增加,陪试样磨损量仍增加缓慢,整个过程主试样磨损大于陪试样。主陪试样塑性变形层厚度随着转数的增加而增加,且波谷处变形层厚度明显大于波峰处,主试样变形层厚度大于陪试样。主试样磨损后表层组织分为3个区,剧烈塑性变形层,明显塑性变形层和过渡区。剧烈塑性变形区组织为渗碳体严重碎化溶解,铁素体严重细化。主陪试样表面渗碳体及铁素体碎化溶解均增加。波峰波谷处表面最小晶粒尺寸均可达到纳米尺寸,波谷处晶粒细化比波峰明显。在磨损过程中,先共析铁素体变形初期先形成亚晶,亚晶细化后,形成大角度晶界。从表面到心部,细化的铁素体组织中大角度晶界的数量先减少再增多,最后减少,次表层存在一个晶粒细化严重的区域。2×105r时距表面200μm处的先共析铁素体晶粒细化较严重,有限元分析结果表明此处的剪应力最大;波磨出现后,波峰处先共析铁素体次表层晶粒明显细化的区域向表面移动,5×105r时位于100μm左右。主陪试样心部至表面的硬度变化规律一致,磨损后试样表面硬度最高。波磨形成前,主陪试样表面硬度分别在0.6×105r和1×105r时达到饱和,约为560HV和630HV;波磨形成后,波峰表面硬度基本不变,波谷表面硬度继续增加,硬度最终达到饱和,分别约为630HV和680HV。主陪试样波谷处的硬度从心部至表面逐渐提高;波峰处的硬度在次表层有个明显硬化的区域,2×105r和5×105r时次表层硬化峰值位置分别在200μm和100μm左右。