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現(xiàn)代軌道交通的關(guān)鍵材料
一、我們十分關(guān)注現(xiàn)代軌道交通用關(guān)鍵材料問題
什么是現(xiàn)代軌道交通？用老百姓的話說，就是快、穩(wěn)、安全、舒適、經(jīng)濟等，用業(yè)內(nèi)人士的話說，有很多指標，如高速、重載、能經(jīng)受嚴酷環(huán)境、減震、降噪、高效等等。
現(xiàn)代軌道交通的關(guān)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(fā)展才剛剛開始，而已經(jīng)需要解決和即將面臨的問題已很多。這些問題的解決是現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)大量硬點，弓網(wǎng)/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(zhuǎn)向架振動加劇，疲勞壽命和安全可靠性問題突出。多次出現(xiàn)電機懸掛的轉(zhuǎn)向架構(gòu)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－軌這對滾動摩擦副中車輪表面產(chǎn)生剝離、輞裂及車軸等構(gòu)件斷裂嚴重： ――時速為200km的車組車輪使用不久就發(fā)生嚴重剝離。
――提速和重載使鋼軌出現(xiàn)了波浪型磨損，
――提速和重載還使鋼軌出現(xiàn)壓潰和疲勞開裂等問題，
――年均重傷軌數(shù)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)高速重載對制動提出了更高要求，由于強烈制動，使制動盤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(jié)
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”。所謂服役行為是指材料在使用狀態(tài)的表現(xiàn)，也包括經(jīng)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(jù)。
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�(dǎo)向上只注意新材料，而很多年以后能否長期穩(wěn)定使用這些材料常常被忽視。
實際上脫離服役行為來研制新材料、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(yīng)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
鑒于現(xiàn)代軌道交通關(guān)鍵材料(包括鋼軌、摩擦副、弓網(wǎng)材料等)大多依賴進口的情況，我們提出要以現(xiàn)代軌道交通關(guān)鍵材料和零部件為應(yīng)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(xiàn)象與模式出發(fā)，探索服役行為的表征方法與技術(shù)，研究動態(tài)下材料成分、組織、結(jié)構(gòu)的變化及其與服役行為的關(guān)系規(guī)律，據(jù)以制訂制備工藝以實現(xiàn)材料的優(yōu)化，由此可開辟全面發(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)問題
其中有些國外已經(jīng)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�；宓难兄平�(jīng)歷了粉末冶金、銅滲碳復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、自潤滑金屬化碳滑板等發(fā)展過程，日本的受電弓滑塊采用碳纖維滲金屬來制造，有很好的耐磨性及不易起電弧的優(yōu)點。
(2)輪－軌摩擦副。國外在高速鐵軌上正在開發(fā)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(tǒng)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；
制動盤的材料已從鑄鐵、鑄鋼、鑄鐵－鑄鋼復(fù)層材料，發(fā)展到碳/碳纖維、鋁合金基和陶瓷基復(fù)合材料；
閘片材料已有了合成材料、粉末冶金材料和復(fù)合材料三種。
2、解決關(guān)鍵科學(xué)問題
鑒于鐵路系統(tǒng)主要構(gòu)件的失效約35%與磨損有關(guān)，而運動又帶來了震動和沖擊，因此對材料動態(tài)服役行為的研究必須將材料科學(xué)、摩擦學(xué)和動力學(xué)有機結(jié)合起來。
(1)低溫致脆、高應(yīng)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(jié)構(gòu)動態(tài)演變及損傷機理。
(3)材料服役過程中性能動態(tài)衰退及性能與組織結(jié)構(gòu)超穩(wěn)定合金設(shè)計。
目標：
(1)材料動態(tài)服役行為理論在三個方面取得重大的進展，即：材料動態(tài)脆性斷裂理論，材料表面動態(tài)失效理論，材料性能動態(tài)衰退理論。
(2)確定增塑增韌與材料層錯能、相變、孿生動力學(xué)之間的量化關(guān)系，為抗脆材料合金設(shè)計提供理論依據(jù)。在材料逆向設(shè)計上建立抗低溫致脆、高應(yīng)變率致脆、約束致脆材料設(shè)計技術(shù)。
(3)揭示材料動態(tài)下微觀組織結(jié)構(gòu)演變及其與材料表面損傷破壞的關(guān)系規(guī)律，闡明潤滑材料組成結(jié)構(gòu)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(fù)理論并形成相關(guān)的實用專利技術(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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