在線熱處理貝氏體鋼軌三維殘余應力研究

劉佳朋 劉鈺 李闖 劉豐收 杜吉康 蘇孺

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.河北科技大學材料科學與工程學院，石家莊 050018

殘余應力是無外力的情況下物體內部存在的保持自身相互平衡的應力系統，理解與控制殘余應力是工程材料研發及應用的先決條件。工程應用領域主要關注宏觀應力，宏觀應力是影響機械部件質量與安全的重要因素。獲知關鍵材料或重要部件的內應力分布信息，可為工藝優化、工件甄選及工程維護提供科學依據。

鋼軌生產過程中的熱軋、淬火、熱預彎冷卻、平立復合矯直等工藝均會導致鋼軌內部產生殘余應力［1-2］。成品鋼軌鋪設上道后，鋼軌軌面在車輪反復滾動接觸作用下，其內部殘余應力的大小與分布狀態會逐漸發生演變［3］。研究殘余應力對鋼軌服役行為的影響時，首先要對鋼軌內部不同位置的殘余應力進行定量測量，主要包括有損測試與無損測試兩類。有損測試主要為機械方法，如盲孔法、鋸切法、彎曲法等；無損測試主要為物理方法，如X 射線衍射法、超聲波檢測法、中子衍射法等。

目前我國主要采用鋸切應變片法對鋼軌縱向殘余應力進行測量，但鋸切應變片法只能測量鋼軌外表面的殘余應力，不能獲悉鋼軌內部殘余應力的分布情況。X射線衍射法已大量應用于工程部件外表面的應力測量，很少對工程部件內部殘余應力進行表征。針對鋼軌還未形成一套標準的全斷面三維殘余應力測量方法。為此，本文對在線熱處理貝氏體鋼軌的三維殘余應力分布規律進行研究，對比分析X 射線衍射法與鋸切應變片法的測量結果，總結兩種殘余應力測量方法的適用場景與具體實施方案。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

選取在線熱處理貝氏體鋼軌（U22SiMnH）為試驗材料。該鋼軌2020年于大秦鐵路試驗段上道鋪設，為75 kg∕m 鋼軌，定尺長度為75 m，其化學成分見表1。為了研究長鋼軌縱向殘余應力的穩定性，分別從75 m定尺鋼軌的兩端和中部取樣，取樣信息見表2。

表1 在線熱處理貝氏體鋼軌化學成分 %

表2 在線熱處理貝氏體鋼軌取樣信息

1.2 試驗方法

1.2.1 鋸切應變片法

利用鋸切應變片法測量鋼軌外表面縱向殘余應力，取樣如圖1所示。由于鋼軌橫截面具有對稱性，一般在鋼軌的半側輪廓布置系列應變片。以應變片斷面為中心，從兩側鋸斷鋼軌，剩余鋼軌長度為20 mm。通過測量鋸斷前后應變片電阻的變化值計算得到鋼軌外表面縱向殘余應力。x、y、z分別為垂向、橫向、縱向。

圖1 鋸切應變片法取樣示意（單位：mm）

1.2.2 X射線衍射法

采用X 射線衍射法測殘余應力的鋼軌取樣方式如圖2 所示。為了表征鋼軌內部三維方向的殘余應力，采用兩種制樣方式：橫截面工字形樣品（簡稱工字形樣品）與鉛垂面大板樣品（簡稱大板樣品）。切取兩組工字形樣品，其縱向厚度分別為15 mm與20 mm，以研究厚度對垂向、橫向殘余應力的影響。受軌腰厚度限制，大板樣品的厚度為15 mm，縱向長度取500 mm以保留縱向殘余應力。

圖2 X射線衍射法取樣示意

采用電解拋光（Proto Electrolytic Polishing）設備對鋼軌表面進行電解拋光，去除機加工造成的表層殘余應力。電解拋光時，將金屬樣品作為電解池中的陽極，通過電解去除材料表面應力層，并使表面變得光滑明亮。工字形樣品與大板樣品的測量點分布如圖3所示。每個測量點可測得兩個方向的殘余應力值。

圖3 工字形樣品與大板樣品的電解拋光測量點分布

采用μ-X360S 型便攜式殘余應力分析儀進行殘余應力測量，如圖4 所示。該應力儀采用的是中間開孔的面陣探測器，X射線穿過中心孔照射到樣品上，探測器接收從樣品衍射回來的X 射線，獲得德拜環信息。該方法的顯著特點為：①測量過程中位置固定，無需測角儀，整臺儀器主要由一個測量頭和一個控制單元組成，質量約10 kg，便攜性好；②通過面陣探測器每次可獲取多個德拜環數據，以此擬合殘余應力較準確。③測量速度較快，每個測量點用時不超過5 min。

圖4 μ-X360S型便攜式殘余應力分析儀

2 試驗結果及分析

2.1 鋸切應變片法

采用鋸切應變片法對75 m 定尺鋼軌的頭部、中部、尾部三組貝氏體鋼軌樣品的縱向殘余應力進行測量，結果如圖5所示。拉應力為正，壓應力為負，余同。可知：75 m 定尺鋼軌的頭部、中部、尾部縱向殘余應力的分布趨勢基本一致，三組試驗數據重復性好，波動較小，說明75 m 定尺鋼軌不同位置的縱向殘余應力分布較為均勻；軌頭和軌底均為殘余拉應力，軌腰為殘余壓應力，這種拉-壓-拉的C 形分布是鋼軌矯直后典型的縱向殘余應力分布方式。

圖5 鋸切應變片法測得的鋼軌縱向殘余應力

鋼軌中的縱向殘余應力分布特征主要與矯直方式有關［4-5］。矯直使鋼軌產生了一定的塑性變形，矯直力須克服屈服強度才能矯直鋼軌。由于貝氏體鋼軌具有較高的屈服強度，矯直后的貝氏體鋼軌殘余應力一般也高于珠光體鋼軌。因此，《1 380 MPa 級貝氏體鋼軌暫行技術條件》規定貝氏體鋼軌的軌底最大縱向殘余拉應力應不大于330 MPa，而TB∕T 2344.1—2020《鋼軌 第 1 部分：43 kg∕m ～ 75 kg∕m 鋼軌》規定珠光體鋼軌的軌底最大縱向殘余拉應力應不大于250 MPa。

針對貝氏體鋼軌軌底殘余應力較大的問題，本批次鋼軌在生產過程中采用機組輥道約束變形和適當的軌底冷卻方式，使貝氏體鋼軌在矯直前存在較少的彎曲變形，降低后續的矯直壓力。矯直工藝優化后，軌底殘余應力明顯降低，最大值為211 MPa，但軌頭殘余應力明顯增大，為307～396 MPa。

2.2 X射線衍射法

2.2.1 大板樣品縱向殘余應力

制備大板樣品時，第一刀、第二刀切割形成的自由面分別定義為A 面、B 面。為了研究機加工對表面殘余應力的影響，先測量未電解拋光的大板樣品的縱向殘余應力，電解拋光后再次測量其縱向殘余應力，結果見圖6。

圖6 X射線衍射法測得的大板樣品縱向殘余應力

從圖6 可知：①未電解拋光時，A 面縱向殘余應力為壓應力，沿鋼軌垂向分布較均勻，平均約-50 MPa；B面縱向殘余應力為拉應力，平均約150 MPa。這說明鋸切順序會造成殘余應力的重新分配。因此，須進行電解拋光去除表面機加工應變層，才能測得試樣真實的殘余應力分布。②電解拋光后，測得的A 面與B 面殘余應力均呈C 形分布，與鋸切應變片法的測量結果規律一致，軌頭與軌底均為殘余拉應力。

整合圖5、圖6（b）的測量數據，繪制在線熱處理貝氏體鋼軌全斷面縱向殘余應力分布云圖，見圖7。可知：與鋼軌外表面殘余應力相比，隨著軌面下深度增加，鋼軌內部殘余應力逐漸降低；軌面下30 mm 深度范圍內的內部殘余應力均為拉應力；軌面及次表層縱向殘余拉應力越大，對抗滾動接觸疲勞性能的影響越大。

圖7 在線熱處理貝氏體鋼軌全斷面縱向殘余應力

2.2.2 工字形樣品的垂向、橫向殘余應力

采用X 射線衍射法測量工字形樣品垂向、橫向殘余應力，結果見圖8。可知：①對于兩種厚度的樣品，鋼軌內部的垂向、橫向殘余應力相對較小，軌頭與軌底的殘余應力在-50～50 MPa；軌腰垂向受拉應力，橫向受壓應力，最大應力小于150 MPa。②兩種厚度樣品的殘余應力十分相近。文獻［6］通過鋸切應變片法比較了厚度為500 mm與14.35 mm鋼軌的橫向殘余應力，相差約41.2 MPa，說明鋼軌厚度對橫截面內的平面殘余應力影響不大。在條件允許的情況下，樣品厚度越大，鋼軌垂向、橫向殘余應力測量結果越精準。

圖8 X射線衍射法測得的工字形樣品殘余應力

2.3 與R260鋼軌全斷面三維殘余應力的對比

Robert等［7］分別采用輪廓法與中子衍射法對R260鋼軌三維殘余應力進行了表征。結果表明：R260鋼軌縱向殘余應力呈C 形分布，軌頭與軌底殘余應力最大值不超過200 MPa；橫向與垂向殘余應力沒有明顯的分布規律，但基本在-100 ～ 100 MPa。這與上文采用X射線衍射法測得的結果基本吻合。在線熱處理貝氏體鋼軌的縱向殘余應力比珠光體組織的R260 鋼軌高100 MPa，而橫向、垂向殘余應力的分布范圍與R260鋼軌相當，說明矯直力對縱向殘余應力影響較大，對橫向、垂向殘余應力的影響較小。

文獻［7］還通過有限元方法模擬得到R260 鋼軌全斷面三維殘余應力分布。結果表明：①對于鋼軌橫向應力，鋼軌截面大部分為-10 MPa左右的壓應力，軌頭中心出現最大拉應力，約為40 MPa；②對于鋼軌垂向應力，在鋼軌軌頭和軌腰相連部分出現最大拉應力，約為40 MPa；③鋼軌縱向應力呈C 形分布，鋼軌表面附近的軌頭處出現約60 MPa的拉應力，軌腰出現約為-100 MPa的壓應力，軌底出現約80 MPa的拉應力。

R260 鋼軌全斷面三維殘余應力的模擬仿真值相比實測結果偏小，但二者整體趨勢較為一致。

3 鋼軌殘余應力測量方法探討

3.1 縱向殘余應力的測量

對比鋸切應變片法測得的鋼軌縱向殘余應力（參見圖5）與X 射線衍射法測得的大板樣品縱向殘余應力［參見圖6（b）］可知：鋸切應變片法與X 射線衍射法測得的成品鋼軌縱向殘余應力基本呈C 形，內部縱向殘余應力低于外表面縱向殘余應力。采用鋸切應變法對鋼軌母材或者已下道鋼軌的縱向殘余應力進行測量，測量結果較為準確可靠，在制樣成本與測試時間上效率較高。以外表面的縱向殘余應力作為邊界值，可大致推算鋼軌內部縱向殘余應力的分布情況。

測得上道前貝氏體焊接接頭的軌頭中心殘余應力為176.8 MPa，軌底中心殘余應力為-15.9 MPa。測量大秦鐵路所用的在線熱處理貝氏體鋼軌上道前、下道后以及下道后閃光焊接接頭的縱向殘余應力，結果見表3，測點布置參見圖1（a）。

表3 大秦鐵路在線熱處理貝氏體鋼軌縱向殘余應力

從表3可知：①經過一定通過總質量后（80 MGt），貝氏體鋼軌軌頭殘余拉應力逐漸降低，這一結果與國外的研究結果相符［8］，即隨著服役時間累積，軌頭殘余應力將逐漸轉變為壓應力。②上道前后軌底殘余拉應力略有增加，從200.4 MPa 增至245.5 MPa，而文獻［9］認為受循環載荷作用，軌底殘余應力會逐漸釋放，降至80 MPa 左右。這可能與大秦鐵路貝氏體鋼軌未經歷較大的通過總質量有關；同時軌底殘余應力的演變規律與線路工況有關。③對于貝氏體焊接接頭，服役下道后，其縱向殘余應力分布呈現反C形，軌頭與軌底呈現殘余壓應力，尤其是軌頭的殘余壓應力增大明顯。

目前獲取的服役下道后鋼軌殘余應力測量數據不夠充足，其演變規律仍需進一步研究。

對于便攜式X 射線衍射儀，因其測量方法的無損傷性，可攜帶至實際線路對鋼軌軌面進行直接測量。通過表征傷損裂紋附近的縱向或橫向殘余應力，有利于推演鋼軌傷損的發展過程［10］。

3.2 垂向與橫向殘余應力的測量

根據X 射線衍射法測得的工字形樣品殘余應力（參見圖8）可知，鋼軌內部垂向、橫向殘余應力不大，一般不大于100 MPa。采用X 射線衍射法測量鋼軌內部殘余應力的優勢主要為：①可以測量鋼軌內部殘余應力，而鋸切應變片法無法做到；②可做到精細測量，準確定位到鋼軌內部具體位置，尤其可以對內部疲勞裂紋附近的殘余應力進行測量，為分析疲勞裂紋的萌生與擴展提供試驗數據。

綜上，在鋼軌母材殘余應力檢驗與評價等工程領域，鋸切應變片法較為簡便與高效；在鋼軌應用技術與疲勞傷損分析等研究領域，X射線衍射法更具優勢。

4 結論及建議

1）利用鋸切應變片法測得75 m 定尺在線熱處理貝氏體鋼軌的頭部、中部、尾部縱向殘余應力分布規律基本一致，軌頭和軌底為殘余拉應力，軌腰為殘余壓應力，這種拉-壓-拉的C 形分布是典型的成品鋼軌縱向殘余應力分布方式。

2）采用X 射線衍射法進行鋼軌殘余應力測量時須進行電解拋光去除表面機加工應變層，才能測得真實的殘余應力分布。

3）利用X 射線衍射法測得在線熱處理貝氏體鋼軌內部縱向殘余應力呈C 形分布，內部殘余應力低于外表面殘余應力；隨著軌面下深度的增加，鋼軌內部殘余應力逐漸降低；軌頭軌面下30 mm 深度范圍內的縱向殘余應力均為拉應力。

4）鋼軌全斷面垂向、橫向殘余應力相對較小。

5）在鋼軌母材殘余應力檢驗與評價等工程領域，采用鋸切應變片法較為簡便與高效；在鋼軌應用技術與傷損分析等研究領域，采用X 射線衍射法更具針對性。