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随着机车车速的提高,以及车辆轴重的增加,钢轨接触应力随之增大,钢轨踏面的纵向、横向摩擦力以及钢轨侧压力也随之增大,导致钢轨的垂直磨损、侧面磨损、轮缘和轮踏面磨损都将会增大。因此解决铁路运输业中存在的许多关键技术问题有着重大的意义。开展钢轨材料表面组织的磨损研究具有重要的现实意义,对我国铁路系统降低在役钢轨的维修费用和成本具有潜在的经济效益,是实现铁路可持续发展的必然要求。本文在详细论述了钢轨摩擦磨损的现象分类及其研究历史与现状的基础上,以U70钢轨为主要研究对象,采用天津大学焊接教研室研制的TJU-UMSNT-I型超声表面纳米加工处理装置对U70钢轨进行超声冲击表面加工处理。在处理过程中,通过改变超声冲击的振幅和冲击时间进行对比,利用透射电子显微镜对加工后的样品表面进行微观结构分析,用显微硬度计分析加工后样品的硬度随厚度方向的变化关系,用扫描电子显微镜对摩擦磨损试验后,加工前后样品表面磨损程度进行分析。研究结果表明:经过超声冲击处理后,U70钢试样的表面产生了剧烈的塑性变形,且沿厚度方向呈现梯度公布结构:剧烈塑性变形层,过渡层及基体。剧烈塑性变形层在扫描呈拉长的纤维状,且剧烈塑性变形层的深度随处理时间的增加而增加并最后稳定在55μm左右。与未作超声冲击处理的试样相比,经过超声冲击后,钢轨表面的硬度明显提高,且随深度增加表面硬度逐渐减小。振幅为24um时,随着冲击时间的延长,硬度提高的效果越好。当冲击时间延长至60min时,表面硬度值达到最大,为613HV,比未冲击试样表面硬度325HV相比,提高了88.6%。振幅为26.6um,冲击时间为40min时,表面硬度值为600HV,比未冲击试样表面硬度325HV相比,提高了84.6%。钢轨的表面粗糙度有显著降低,振幅在24μm时,Ra由原始的19.8μm下降到4.59μm,降低了76.8%。超声冲击可以显著提高钢轨的耐磨性;随着冲击时间的延长,提高材料耐磨性的幅度越大。特别是在振幅为24um,冲击60min后,试样的耐磨性增加最多,相对未作冲击处理的试样,其耐磨性提高了40.6%。振幅为24um,冲击时间为60min后热处理的试样,其耐磨性比原始试样提高了34.4%。残余应力对试样耐磨性也有影响,存在残余压应力时其耐磨性可以提高6.2%。