在線熱處理貝氏體鋼軌三維殘余應(yīng)力研究

劉佳朋 劉鈺 李闖 劉豐收 杜吉康 蘇孺

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018

殘余應(yīng)力是無(wú)外力的情況下物體內(nèi)部存在的保持自身相互平衡的應(yīng)力系統(tǒng)，理解與控制殘余應(yīng)力是工程材料研發(fā)及應(yīng)用的先決條件。工程應(yīng)用領(lǐng)域主要關(guān)注宏觀應(yīng)力，宏觀應(yīng)力是影響機(jī)械部件質(zhì)量與安全的重要因素。獲知關(guān)鍵材料或重要部件的內(nèi)應(yīng)力分布信息，可為工藝優(yōu)化、工件甄選及工程維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

鋼軌生產(chǎn)過(guò)程中的熱軋、淬火、熱預(yù)彎冷卻、平立復(fù)合矯直等工藝均會(huì)導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力［1-2］。成品鋼軌鋪設(shè)上道后，鋼軌軌面在車輪反復(fù)滾動(dòng)接觸作用下，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小與分布狀態(tài)會(huì)逐漸發(fā)生演變［3］。研究殘余應(yīng)力對(duì)鋼軌服役行為的影響時(shí)，首先要對(duì)鋼軌內(nèi)部不同位置的殘余應(yīng)力進(jìn)行定量測(cè)量，主要包括有損測(cè)試與無(wú)損測(cè)試兩類。有損測(cè)試主要為機(jī)械方法，如盲孔法、鋸切法、彎曲法等；無(wú)損測(cè)試主要為物理方法，如X 射線衍射法、超聲波檢測(cè)法、中子衍射法等。

目前我國(guó)主要采用鋸切應(yīng)變片法對(duì)鋼軌縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，但鋸切應(yīng)變片法只能測(cè)量鋼軌外表面的殘余應(yīng)力，不能獲悉鋼軌內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布情況。X射線衍射法已大量應(yīng)用于工程部件外表面的應(yīng)力測(cè)量，很少對(duì)工程部件內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行表征。針對(duì)鋼軌還未形成一套標(biāo)準(zhǔn)的全斷面三維殘余應(yīng)力測(cè)量方法。為此，本文對(duì)在線熱處理貝氏體鋼軌的三維殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)比分析X 射線衍射法與鋸切應(yīng)變片法的測(cè)量結(jié)果，總結(jié)兩種殘余應(yīng)力測(cè)量方法的適用場(chǎng)景與具體實(shí)施方案。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

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

表1 在線熱處理貝氏體鋼軌化學(xué)成分 %

表2 在線熱處理貝氏體鋼軌取樣信息

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鋸切應(yīng)變片法

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

圖1 鋸切應(yīng)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(cè)殘余應(yīng)力的鋼軌取樣方式如圖2 所示。為了表征鋼軌內(nèi)部三維方向的殘余應(yīng)力，采用兩種制樣方式：橫截面工字形樣品（簡(jiǎn)稱工字形樣品）與鉛垂面大板樣品（簡(jiǎn)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(duì)垂向、橫向殘余應(yīng)力的影響。受軌腰厚度限制，大板樣品的厚度為15 mm，縱向長(zhǎng)度取500 mm以保留縱向殘余應(yīng)力。

圖2 X射線衍射法取樣示意

采用電解拋光（Proto Electrolytic Polishing）設(shè)備對(duì)鋼軌表面進(jìn)行電解拋光，去除機(jī)加工造成的表層殘余應(yīng)力。電解拋光時(shí)，將金屬樣品作為電解池中的陽(yáng)極，通過(guò)電解去除材料表面應(yīng)力層，并使表面變得光滑明亮。工字形樣品與大板樣品的測(cè)量點(diǎn)分布如圖3所示。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)可測(cè)得兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力值。

圖3 工字形樣品與大板樣品的電解拋光測(cè)量點(diǎn)分布

采用μ-X360S 型便攜式殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，如圖4 所示。該應(yīng)力儀采用的是中間開(kāi)孔的面陣探測(cè)器，X射線穿過(guò)中心孔照射到樣品上，探測(cè)器接收從樣品衍射回來(lái)的X 射線，獲得德拜環(huán)信息。該方法的顯著特點(diǎn)為：①測(cè)量過(guò)程中位置固定，無(wú)需測(cè)角儀，整臺(tái)儀器主要由一個(gè)測(cè)量頭和一個(gè)控制單元組成，質(zhì)量約10 kg，便攜性好；②通過(guò)面陣探測(cè)器每次可獲取多個(gè)德拜環(huán)數(shù)據(jù)，以此擬合殘余應(yīng)力較準(zhǔn)確。③測(cè)量速度較快，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)用時(shí)不超過(guò)5 min。

圖4 μ-X360S型便攜式殘余應(yīng)力分析儀

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋸切應(yīng)變片法

采用鋸切應(yīng)變片法對(duì)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(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，余同?？芍?5 m 定尺鋼軌的頭部、中部、尾部縱向殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本一致，三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好，波動(dòng)較小，說(shuō)明75 m 定尺鋼軌不同位置的縱向殘余應(yīng)力分布較為均勻；軌頭和軌底均為殘余拉應(yīng)力，軌腰為殘余壓應(yīng)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(yīng)力分布方式。

圖5 鋸切應(yīng)變片法測(cè)得的鋼軌縱向殘余應(yīng)力

鋼軌中的縱向殘余應(yīng)力分布特征主要與矯直方式有關(guān)［4-5］。矯直使鋼軌產(chǎn)生了一定的塑性變形，矯直力須克服屈服強(qiáng)度才能矯直鋼軌。由于貝氏體鋼軌具有較高的屈服強(qiáng)度，矯直后的貝氏體鋼軌殘余應(yīng)力一般也高于珠光體鋼軌。因此，《1 380 MPa 級(jí)貝氏體鋼軌暫行技術(shù)條件》規(guī)定貝氏體鋼軌的軌底最大縱向殘余拉應(yīng)力應(yīng)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(guī)定珠光體鋼軌的軌底最大縱向殘余拉應(yīng)力應(yīng)不大于250 MPa。

針對(duì)貝氏體鋼軌軌底殘余應(yīng)力較大的問(wèn)題，本批次鋼軌在生產(chǎn)過(guò)程中采用機(jī)組輥道約束變形和適當(dāng)?shù)能壍桌鋮s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(xù)的矯直壓力。矯直工藝優(yōu)化后，軌底殘余應(yīng)力明顯降低，最大值為211 MPa，但軌頭殘余應(yīng)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(yīng)力

制備大板樣品時(shí)，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(jī)加工對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，先測(cè)量未電解拋光的大板樣品的縱向殘余應(yīng)力，電解拋光后再次測(cè)量其縱向殘余應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 X射線衍射法測(cè)得的大板樣品縱向殘余應(yīng)力

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

整合圖5、圖6（b）的測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制在線熱處理貝氏體鋼軌全斷面縱向殘余應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖7?？芍号c鋼軌外表面殘余應(yīng)力相比，隨著軌面下深度增加，鋼軌內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸降低；軌面下30 mm 深度范圍內(nèi)的內(nèi)部殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力；軌面及次表層縱向殘余拉應(yīng)力越大，對(duì)抗?jié)L動(dòng)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(yīng)力

2.2.2 工字形樣品的垂向、橫向殘余應(yīng)力

采用X 射線衍射法測(cè)量工字形樣品垂向、橫向殘余應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖8?？芍孩賹?duì)于兩種厚度的樣品，鋼軌內(nèi)部的垂向、橫向殘余應(yīng)力相對(duì)較小，軌頭與軌底的殘余應(yīng)力在-50～50 MPa；軌腰垂向受拉應(yīng)力，橫向受壓應(yīng)力，最大應(yīng)力小于150 MPa。②兩種厚度樣品的殘余應(yīng)力十分相近。文獻(xiàn)［6］通過(guò)鋸切應(yīng)變片法比較了厚度為500 mm與14.35 mm鋼軌的橫向殘余應(yīng)力，相差約41.2 MPa，說(shuō)明鋼軌厚度對(duì)橫截面內(nèi)的平面殘余應(yīng)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(yīng)力測(cè)量結(jié)果越精準(zhǔn)。

圖8 X射線衍射法測(cè)得的工字形樣品殘余應(yīng)力

2.3 與R260鋼軌全斷面三維殘余應(yīng)力的對(duì)比

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

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

R260 鋼軌全斷面三維殘余應(yīng)力的模擬仿真值相比實(shí)測(cè)結(jié)果偏小，但二者整體趨勢(shì)較為一致。

3 鋼軌殘余應(yīng)力測(cè)量方法探討

3.1 縱向殘余應(yīng)力的測(cè)量

對(duì)比鋸切應(yīng)變片法測(cè)得的鋼軌縱向殘余應(yīng)力（參見(jiàn)圖5）與X 射線衍射法測(cè)得的大板樣品縱向殘余應(yīng)力［參見(jiàn)圖6（b）］可知：鋸切應(yīng)變片法與X 射線衍射法測(cè)得的成品鋼軌縱向殘余應(yīng)力基本呈C 形，內(nèi)部縱向殘余應(yīng)力低于外表面縱向殘余應(yīng)力。采用鋸切應(yīng)變法對(duì)鋼軌母材或者已下道鋼軌的縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，在制樣成本與測(cè)試時(shí)間上效率較高。以外表面的縱向殘余應(yīng)力作為邊界值，可大致推算鋼軌內(nèi)部縱向殘余應(yīng)力的分布情況。

測(cè)得上道前貝氏體焊接接頭的軌頭中心殘余應(yīng)力為176.8 MPa，軌底中心殘余應(yīng)力為-15.9 MPa。測(cè)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(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)點(diǎn)布置參見(jiàn)圖1（a）。

表3 大秦鐵路在線熱處理貝氏體鋼軌縱向殘余應(yīng)力

從表3可知：①經(jīng)過(guò)一定通過(guò)總質(zhì)量后（80 MGt），貝氏體鋼軌軌頭殘余拉應(yīng)力逐漸降低，這一結(jié)果與國(guó)外的研究結(jié)果相符［8］，即隨著服役時(shí)間累積，軌頭殘余應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。②上道前后軌底殘余拉應(yīng)力略有增加，從200.4 MPa 增至245.5 MPa，而文獻(xiàn)［9］認(rèn)為受循環(huán)載荷作用，軌底殘余應(yīng)力會(huì)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(jīng)歷較大的通過(guò)總質(zhì)量有關(guān)；同時(shí)軌底殘余應(yīng)力的演變規(guī)律與線路工況有關(guān)。③對(duì)于貝氏體焊接接頭，服役下道后，其縱向殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)反C形，軌頭與軌底呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，尤其是軌頭的殘余壓應(yīng)力增大明顯。

目前獲取的服役下道后鋼軌殘余應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)不夠充足，其演變規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

對(duì)于便攜式X 射線衍射儀，因其測(cè)量方法的無(wú)損傷性，可攜帶至實(shí)際線路對(duì)鋼軌軌面進(jìn)行直接測(cè)量。通過(guò)表征傷損裂紋附近的縱向或橫向殘余應(yīng)力，有利于推演鋼軌傷損的發(fā)展過(guò)程［10］。

3.2 垂向與橫向殘余應(yīng)力的測(cè)量

根據(jù)X 射線衍射法測(cè)得的工字形樣品殘余應(yīng)力（參見(jiàn)圖8）可知，鋼軌內(nèi)部垂向、橫向殘余應(yīng)力不大，一般不大于100 MPa。采用X 射線衍射法測(cè)量鋼軌內(nèi)部殘余應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)主要為：①可以測(cè)量鋼軌內(nèi)部殘余應(yīng)力，而鋸切應(yīng)變片法無(wú)法做到；②可做到精細(xì)測(cè)量，準(zhǔn)確定位到鋼軌內(nèi)部具體位置，尤其可以對(duì)內(nèi)部疲勞裂紋附近的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，為分析疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

綜上，在鋼軌母材殘余應(yīng)力檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)等工程領(lǐng)域，鋸切應(yīng)變片法較為簡(jiǎn)便與高效；在鋼軌應(yīng)用技術(shù)與疲勞傷損分析等研究領(lǐng)域，X射線衍射法更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論及建議

1）利用鋸切應(yīng)變片法測(cè)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(yīng)力分布規(guī)律基本一致，軌頭和軌底為殘余拉應(yīng)力，軌腰為殘余壓應(yīng)力，這種拉-壓-拉的C 形分布是典型的成品鋼軌縱向殘余應(yīng)力分布方式。

2）采用X 射線衍射法進(jìn)行鋼軌殘余應(yīng)力測(cè)量時(shí)須進(jìn)行電解拋光去除表面機(jī)加工應(yīng)變層，才能測(cè)得真實(shí)的殘余應(yīng)力分布。

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

4）鋼軌全斷面垂向、橫向殘余應(yīng)力相對(duì)較小。

5）在鋼軌母材殘余應(yīng)力檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)等工程領(lǐng)域，采用鋸切應(yīng)變片法較為簡(jiǎn)便與高效；在鋼軌應(yīng)用技術(shù)與傷損分析等研究領(lǐng)域，采用X 射線衍射法更具針對(duì)性。