鋼軌中殘余應力的產生、影響及調控研究現狀

王建軍 李宏光 王慶超 董潤洲 楊志南

摘要：近年來隨著我國高速、重載鐵路的快速發展，列車速度的提升、軸重的加大對鋼軌服役性能的可靠性提出了更高的要求。如果鋼軌中的殘余應力過大且處于不利的分布狀態，容易促進疲勞裂紋的形成，并加速擴展，從而嚴重影響其服役性能。本文匯總了當前針對鋼軌中殘余應力的測量方法，并論述了鋼軌中殘余應力的產生原因及其對綜合性能的影響機制。同時，依據鋼軌生產的工藝流程，從預彎、冷卻、矯直、回火等方面出發，綜述了國內外研究者在鋼軌殘余應力演變及其調控領域所取得的成果。最后，對鋼軌殘余應力演變與調控技術的發展進行了展望。

關鍵詞：鋼軌；貝氏體；殘余應力；制造工藝；調控

中圖分類號： TG142文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2024.01.0010

引言

近幾年來，我國在高速、重載鐵路領域的發展已經邁入世界前列。列車速度的提升、軸重的加大，對鐵路軌道服役性能的穩定性和可靠性提出更高要求，以保證鐵路運輸安全、高效。鋼軌是最主要的鐵路軌道部件之一，其制造過程主要包括熱軋、冷卻和矯直等工序[1]。在此過程中，鋼軌不同位置的冷卻速度和變形量存在差異，導致鋼軌在成形后會在內部形成較大的殘余應力[2]。鋼軌鋼按微觀組織分類，主要有珠光體型和貝氏體型兩大類。相對于珠光體鋼軌，貝氏體鋼軌的強度更高，矯直時需要矯直輥輸出更大的壓下力，造成貝氏體鋼軌的殘余應力也更大[3-4]。因此，貝氏體鋼軌在矯直后，會進一步進行回火處理，以降低殘余應力，并進一步提高韌性、穩定組織[5]。

殘余應力會顯著影響鋼軌的抗疲勞、抗腐蝕等性能[6-8]，從而嚴重制約鋼軌的壽命及可靠性。因此，對鋼軌中殘余應力的調控至關重要。本文將從鋼軌中殘余應力的測量方法、產生原因、對鋼軌綜合性能的影響以及調控方法等方面，綜述近年來的發展狀況，以期為當前鋼軌中殘余應力調控提供指導。

1鋼軌中殘余應力的測量方法簡介

殘余應力是指產生應力的各種外部因素（外力、溫度變化等）去除后，在物體內部保持平衡的一種內應力[9]。為準確認識鋼軌中的殘余應力狀態，研究者在鋼軌殘余應力測量方面做了很多工作[10-13]。根據我國鐵道行業標準TB/T 2344—2012《43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件》中規定的鋼軌軌底殘余應力測量方法，韓志杰等發現經過矯直60 kg/m規格U75V鋼軌的軌底殘余應力由83 MPa提高到220 MPa，這表明矯直工藝可顯著提高鋼軌軌底的殘余拉應力[10]。劉佳朋等采用X射線衍射法測量并繪制出鋼軌橫截面上殘余應力的分布，如圖1所示[11]。這使研究人員對鋼軌中殘余應力的三維分布有了更清晰的認識。Kang等分別采用X射線衍射法和切片法對60E2鋼軌底部的殘余應力進行對比研究，發現采用兩種方法測量的結果差異較大，如圖2所示。通過與之前文獻結果相比，研究者認為用切片法測定的殘余應力值相對可靠[12]。雖然采用X射線衍射法測量鋼軌殘余應力存在一定的誤差，但是采用該方法可以進行無損測量，因此X射線衍射法在測量殘余應力方面得到廣泛應用。此外，Wang等提出了一種利用激光超聲技術無損測量鋼軌踏面殘余應力的方法[13]。該方法對物體檢測表面的要求不高，且可以無接觸測量，為鋼軌中殘余應力的無損測量提供了新的選擇。

2鋼軌中殘余應力的產生及其對綜合性能的影響

2.1鋼軌中殘余應力的產生

鋼軌中的殘余應力主要有兩個來源：一是鋼軌在制造過程中因其不同位置的冷卻速度和變形量存在差異而產生，二是鋼軌在服役過程中由于輪軌接觸表面發生塑性變形而產生[14]。

鋼軌在制造過程中，要經過熱軋成型、冷卻、矯直、回火等工藝。熱軋成型的鋼軌在隨后冷卻過程中，由于鋼軌表面與內部的冷卻速度存在差異以及相變發生，導致鋼軌內部形成很大的熱應力和組織應力。在兩種應力的共同驅動下，鋼軌不同位置的變形量存在差異，因而產生殘余應力。同時，因為軌腰和軌底的比表面積比軌頭大，軌腰和軌底的冷卻速度比軌頭快；因此，在冷卻后期軌頭部位的收縮量更大，導致鋼軌產生較大的殘余應力并產生彎向軌頭的彎曲變形。鋼軌冷卻后殘余應力分布規律如圖3（b）所示，在軌頭表面為縱向殘余壓應力，軌腰和軌底表面為縱向殘余拉應力。

由于鋼軌在冷卻后產生了彎曲變形，須經矯直后才能使用。目前國內外普遍使用的矯直方法是輥式矯直機矯直。在矯直輥巨大的彎曲應力、剪切應力和接觸應力的作用下，鋼軌的不同部位發生不同程度的塑性變形，軌頭和軌底在矯直后橫向變長，縱向變短，而軌腰縱向變得更長。因此，矯直后的鋼軌在軌頭和軌底產生縱向拉伸應力，軌腰產生縱向壓縮應力，從軌頭到軌底呈C形分布，與矯直前的應力分布發生明顯變化[14]，如圖3（c）所示。

鋼軌的材質顯著影響鋼軌矯直后的殘余應力大小。由表1可知，貝氏體鋼軌軌頭和軌底的殘余應力比珠光體鋼軌相應位置的殘余應力高得多。這是因為貝氏體鋼軌的強度更高，矯直時需要矯直輥輸出更大的壓下力，造成貝氏體鋼軌的殘余應力也更大[4]。因此，降低貝氏體鋼軌的殘余應力是一項重要課題。

新鋼軌在服役過程中，由于受車輪接觸應力和摩擦力的作用，在輪軌接觸表面發生塑性變形，也會引入一定的殘余應力。該殘余應力與鋼軌中原有的殘余應力相互疊加，使鋼軌殘余應力的分布發生一些變化，如圖4所示[15]。軌頭表面的縱向殘余應力由拉應力變為壓應力。軌腰和軌底殘余應力在數值上變小，但分布規律變化不大。隨著服役時間的增加，鋼軌各部位殘余應力分布狀態逐漸趨于穩定。

此外，打磨作為鋼軌常用的養護手段，也會在鋼軌中引入殘余應力[16]。在打磨過程中，砂輪和鋼軌的強烈摩擦會使鋼軌表面局部溫度迅速上升，造成鋼軌表面與內部形成很大的溫差。在冷卻過程中，鋼軌表面的收縮變形程度大于鋼軌內部，但是鋼軌表面的收縮變形受到鋼軌內部材料的約束。因此，打磨結束后，在鋼軌磨削區域的表層會產生較大的殘余拉應力[17]。

2.2殘余應力對鋼軌疲勞斷裂的影響

如果鋼軌內部的殘余應力數值偏大且分布不當，會顯著影響鋼軌的綜合性能。當鋼軌軌頭部位的縱向殘余拉應力偏大時，如果在踏面亞表層處存在夾雜物等缺陷，或出現亞表層水平裂紋時，容易誘發鋼軌橫向疲勞斷裂，造成斷軌事故[18]，如圖5所示。在軌底，由于車輪通過引起的彎曲應力和殘余應力都呈拉應力狀態，兩個拉應力疊加容易在軌底的缺陷處誘發疲勞裂紋。軌底過大的殘余拉應力將直接影響鋼軌的疲勞壽命，所以需要對其進行限制。我國鐵道行業標準TB/T 2344—2012《43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件》中對珠光體鋼軌殘余應力的要求是軌底縱向殘余應力不能超過250 MPa。對于貝氏體鋼軌，鐵總科技頒發的暫行技術條件TJ/GW 117—2013《U20Mn2SiCrNiMo貝氏體鋼軌暫行技術條件》規定軌底縱向殘余應力不能超過330 MPa。當軌腰存在較高的縱向殘余壓應力時，由于泊松效應，將在軌腰高度方向上形成殘余拉應力，容易誘發鋼軌軌腰的水平開裂[14]。

鋼軌中的殘余應力、車輪作用在鋼軌上的彎曲應力、接觸應力在軌頂部位縱向方向構成循環應力。當軌頂殘余應力由296 MPa下降到166 MPa時，縱向循環應力峰值由320 MPa降低到181 MPa，如圖6所示[20]。由于應力變化范圍越大，疲勞壽命越短，因此鋼軌軌頭部位的縱向殘余應力與鋼軌軌頭疲勞壽命密切相關。另外，有研究結果表明，鋼軌制造過程產生的殘余應力會明顯促進疲勞裂紋的萌生[21]。裂紋萌生后，殘余拉應力將促進裂紋張開，并提高裂紋的最大應力強度因子。因此，鋼軌軌頭的殘余拉應力會顯著提高初始疲勞裂紋的擴展速率，降低鋼軌的使用壽命[22]。綜上所述，鋼軌中的殘余應力會顯著促進疲勞裂紋的萌生和擴展，影響鋼軌的綜合性能。所以，對鋼軌中殘余應力的調控至關重要。

3鋼軌殘余應力的調控

本章依據鋼軌生產的工藝流程，從預彎、冷卻、矯直、回火四個方面出發，綜述近年來在調控鋼軌殘余應力方面的研究成果。

3.1鋼軌熱預彎工藝對殘余應力的影響

鋼軌軋制完直接冷卻，會產生一個彎向軌頭的彎曲度。熱預彎工藝是使用彎軌小車在鋼軌冷卻前給它一個反向的彎曲變形，在接下來的冷卻過程中，該變形可以補償因鋼軌各部位冷卻不均勻導致的變形。所以，經過熱預彎工藝的鋼軌在冷卻后的彎曲度要比未進行熱預彎的小。已經證實，鋼軌冷卻后的矯前彎曲度越小，平直度越好，矯直后鋼軌的斷面尺寸變化越小、殘余應力越小[23]。所以，研究鋼軌矯前彎曲度的變化原理，獲取適當的熱預彎變形量，有利于降低鋼軌最終的殘余應力水平。

秦瑞廷通過數學模型計算得到，鋼軌的最佳熱預彎變形量大小與相同外部環境下未預彎直接冷卻后的彎曲變形量相等，方向為由軌頭彎向軌底[24]。然而，有觀點認為，預彎改變了鋼軌在冷卻階段的應力、應變和位移等初始條件，若簡單按照直接冷卻后的變形參數進行預彎并不能達到最佳效果，需要進行適當的修正[25]。此外，研究者還得到預彎溫度為800 ℃時，冷卻后的彎曲變形和殘余應力均最小。除了軋后熱預彎工藝，還有學者研究了利用輥徑差和壓下量差對鋼軌進行定向且彎曲量可控的預彎軋法，通過該方法能夠有效提高鋼軌冷卻后的全長平直度，使鋼軌在進入矯直機時具有較小的彎曲度[26]。

3.2鋼軌冷卻制度對殘余應力的影響

鋼軌在熱軋成型后的冷卻過程中，受熱應力和相變應力的影響，會發生彎曲變形并產生殘余應力。有研究表明，鋼軌在軋后冷卻過程中產生的殘余應力值較小。新鋼軌中的殘余應力大小取決于矯直階段[27]。還有研究表明，鋼軌矯直后殘余應力隨矯直前彎曲度的增加而增大[23]。因此有必要對鋼軌冷卻過程的彎曲變形規律進行研究，從而開發出一種降低鋼軌在冷卻過程中彎曲變形程度的工藝。

通過有限元仿真，可以很直觀地得到U75V鋼軌在冷卻過程彎曲度的變化情況，如圖7所示[28-29]。在鋼軌冷卻初始階段，由于軌底、軌腰比表面積大，冷卻速度比軌頭快，這時鋼軌逐漸由軌頭彎向軌底。隨著冷卻的進行，軌底、軌腰首先達到相變點，發生固態相變并釋放相變潛熱，導致軌底、軌腰的冷卻速度有所減慢。與此同時，軌底、軌腰部分由于相變產生體積膨脹，使鋼軌的彎曲度有所減小。軌底、軌腰完成相變時，鋼軌達到平直狀態。隨后鋼軌繼續冷卻收縮，但軌頭收縮變形更大。鋼軌慢慢地由平直變為彎向軌頭，直至冷卻結束。

由以上分析可知，鋼軌冷卻后產生彎曲變形主要是由于鋼軌各部位冷卻速度不同造成的。針對這一問題，Nallathambi等提出一種基于材料質量分布的控制冷卻方法[30]。該方法是在質量集中部位加大冷卻速度，在邊緣和角部降低冷卻速度，可以達到降低材料的淬火變形和殘余應力的作用。這為減小鋼軌冷卻后的彎曲變形程度提供了思路。由于軌頭部位比表面積小，同等條件下散熱更慢，因此可以采用提高軌頭部位換熱系數的方法，降低鋼軌冷卻后彎曲變形程度[31]。張文雄通過對鋼軌風冷淬火進行數值模擬計算，優化了噴嘴間距、噴射距離和噴風壓力，使鋼軌冷卻后彎曲變形程度減小[32]。目前，武鋼建設了一條鋼軌在線熱處理生產線。該產線通過在軌頭和軌底使用不同的噴風壓力，可以達到降低鋼軌冷卻過程彎曲變形程度的目的[33]。可見，在鋼軌冷卻過程中，采用控制冷卻的方式，是減小鋼軌冷卻變形程度，進而減小鋼軌矯直后殘余應力的發展方向。

3.3鋼軌矯直工藝對殘余應力的影響

目前，針對鋼軌冷卻后產生的彎曲變形，大多使用輥式矯直機對其進行矯直。輥輪上下交錯排列，每3個輥組成一個矯直變形區，共形成7個矯直變形區，如圖8所示。彎曲變形的鋼軌經過各變形區連續反彎，逐漸縮小殘余曲率，最終被成功矯直。在此過程中，鋼軌被反復彎曲，各個部位產生了不同程度的塑性變形，導致矯直后的鋼軌內部存在很大的殘余應力。如何在保證鋼軌平直度滿足要求的基礎上，盡可能地降低鋼軌殘余應力是一個困擾軌道交通領域多年的難題。在過去的幾年里，很多學者通過對鋼軌矯直過程的數值模擬研究，尋求解釋殘余應力的演變規律，以及影響殘余應力大小的因素[34-38]。

由于鋼軌在矯直過程中被反復彎曲導致的包辛格效應，很多學者在建立仿真模型時采用了隨動強化模型[34-38]。Kaiser等采用中子衍射法、等高線法和有限元模擬表征了矯直后鋼軌的縱向殘余應力分布，發現實驗數據和模擬數據吻合良好，如圖9所示[34]。這為利用有限元方法預測鋼軌矯直過程殘余應力的演變提供了基礎。Biempica等建立了鋼軌矯直過程的一、二、三維有限元模型，利用這些模型研究了不同的工藝參數對殘余應力的影響，為優化工藝提供了參考[35]。不同道次的矯直對鋼軌最終的殘余應力會產生影響，有研究認為R4輥的壓下量越大，最終的殘余應力越大[36]。也有研究認為對鋼軌最終殘余應力影響最大的是R8輥，其次是R2輥和R6輥[37]。此外，鋼軌矯直后的殘余應力大小不僅與矯直輥總壓下量有關，還與各矯直輥壓下量之間的匹配有關[38]。

3.4回火對鋼軌殘余應力的影響

珠光體鋼軌矯直后殘余應力相對較小，可以滿足使用要求。因此，珠光體鋼軌在矯直后不需回火處理。貝氏體鋼軌矯直后的殘余應力較大，為了消減殘余應力，并進一步提高貝氏體鋼軌的韌性、穩定組織，通常采取回火的處理方法[39]。在回火過程中，應力松弛與“材料軟化效應”和“蠕變效應”有關[40]。“材料軟化效應”是指隨著溫度的升高，材料的屈服強度和彈性模量逐漸變小，且屈服強度的降低速率更大。殘余應力是由彈性應變和彈性模量決定的，即屈服強度的降低速率大于殘余應力的降低速率。當材料的屈服強度低于殘余應力時，彈性應變要轉化為塑性應變，從而導致最終殘余應力的減小。蠕變是指在一定溫度、應力條件下，隨時間發生的材料變形不斷增大的現象。蠕變過程中發生的材料變形將導致應力松弛。目前，關于回火消減殘余應力的研究主要圍繞蠕變展開[41]，通過建立冪律蠕變模型揭示熱處理過程中殘余應力的演變規律[42]。有研究結果表明，在回火過程中，“蠕變效應”比“材料軟化效應”對消減殘余應力的貢獻更大[43-44]。李智麗等通過實驗，研究了保溫時間對在線淬火貝氏體鋼軌軌底殘余應力的影響，得到隨著保溫時間的延長，鋼軌軌底縱向殘余應力的降低速度逐漸減小，如圖10所示[45]。這可能是由于回火過程中內應力的釋放導致蠕變效果減弱所致。張鳳明等研究了保溫溫度對貝氏體鋼軌軌底殘余應力的影響，得到隨著回火溫度的升高，鋼軌軌底縱向殘余應力顯著降低，如圖11所示[46]。這是因為溫度高時材料發生蠕變的驅動力更大所致[47]。

在回火時，不僅要考慮回火參數對鋼軌中殘余應力的影響，也要考慮回火參數對鋼軌力學性能的影響。貝氏體組織在回火過程中可能發生殘余奧氏體分解[48]、碳化物析出[49]、位錯密度降低以及貝氏體鐵素體板條粗化等現象[50]。貝氏體組織的變化將直接導致其性能發生改變。有研究表明，隨著回火的溫度升高，貝氏體鋼的沖擊韌性呈先升高后降低的趨勢[51]。還有研究表明20CrSiMn2MoV貝氏體鋼在250 ℃回火時，隨著時間的延長，其硬度值和抗拉強度逐漸下降，塑性呈先升高后降低的趨勢[52]。可見單純地提高回火溫度、延長保溫時間可能會顯著影響貝氏體鋼軌的力學性能。近期有研究結果表明，一種中碳馬氏體鋼通過高溫快速回火可以獲得比常規回火更優異的拉伸性能和斷裂韌性[53]。由于較高的回火溫度更有利于殘余應力的釋放[54]，并且在回火初期殘余應力的降低速度最快[55]，因此高溫快速回火工藝可能是貝氏體鋼軌殘余應力與力學性能協同調控的發展方向。

4總結與展望

本文在概述鋼軌殘余應力的測量方法、產生原因及其對綜合性能影響的基礎上，從鋼軌制造流程預彎、冷卻、矯直、回火四方面，綜述了鋼軌殘余應力的演變規律和調控技術研究進展。

鋼軌經冷卻后的矯前彎曲度越小，平直度越好，矯直后鋼軌的斷面尺寸變化越小、殘余應力越小。在鋼軌冷卻過程中采用控制冷卻的方式，是減小鋼軌冷卻變形程度，進而減小鋼軌矯直后殘余應力的發展方向。

隨著鋼軌的服役環境越來越苛刻，貝氏體鋼軌殘余應力大的問題逐漸變得突出。在貝氏體鋼軌回火過程中，通過提高回火溫度、延長保溫時間，可以降低鋼軌的殘余應力；但是，回火參數會顯著影響貝氏體鋼軌的力學性能。因此貝氏體鋼軌回火時，殘余應力的控制與組織性能調控必須協同進行。

數值模擬作為研究鋼軌殘余應力演變規律和調控技術的一種重要手段被廣泛應用。目前，鋼軌制造過程中的某些數學模型還不夠完善。在鋼軌冷卻過程數學模型的建立過程中需進一步考慮相變產生的組織應力，在貝氏體鋼軌矯直過程的力學模型建立過程中還需考慮殘余奧氏體的轉變情況。構建更加完善的數學模型，對于深入了解鋼軌殘余應力的形成機理、開發降低鋼軌殘余應力方法具有重要意義。

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Review on production，influence and control of residual stress in rail

WANG Jianjun1，LI Hongguang1，WANG Qingchao1，DONG Runzhou1，YANG Zhinan1，2，ZHANG Fucheng3

（1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，

Qinhuangdao，Hebei 066004，China;

2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China;

3.College of Metallurgy and Energy，North China University of Science and Technology，Tangshan，Hebei 063210，China）

Abstract：In recent years，with the rapid development of high-speed and heavy-haul railways in China，higher requirements are put forward for the reliability of rail service performance. If there is excessive residual stress and adverse distribution state in the rail，it is easy to promote the formation of fatigue cracks and accelerate the propagation，which seriously affects its service performance.? In this paper， the current measurement methods of residual stress in rail are summarized. In addition， the source of residual stress and the influence of residual stress on comprehensive performance of rail are discussed. At the same time，according to the technological process of rail production，such as pre-bending，cooling，straightening，tempering，the research achievements in the field of rail residual stress evolution and control are reviewed. Finally，the development of rail residual stress evolution and control technology are prospected.

Keywords：rail; bainite;residual stress; manufacturing process; control