殘余應(yīng)力對貝氏體鋼軌使用缺陷的影響

丁韋 高振坤 宋宏圖 張鳳明 林云蕾 曹興旺

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭014010

貝氏體鋼軌具有高強度和高沖擊韌性，曾被認為是代替珠光體鋼軌、提高線路耐磨性和安全性的最佳選擇。然而，與傳統(tǒng)的珠光體鋼軌相比，貝氏體鋼軌特別是軌頭部分存在較高的殘余應(yīng)力，比珠光體鋼軌高出1倍左右。軌頭、軌底的拉應(yīng)力可能導(dǎo)致軌腰沿鋼軌縱向撕裂，嚴重影響鋼軌的使用性能［1］。

鋼軌在使用過程中，軌頂主要承受滾動接觸應(yīng)力，整個斷面主要承受溫度應(yīng)力，再疊加上鋼軌自身的殘余應(yīng)力，受力情況相當(dāng)復(fù)雜。目前，相關(guān)研究主要集中在成分、熱處理工藝對金屬顯微組織的影響以及對基本力學(xué)性能的影響［2-4］，與貝氏體鋼軌的實際力學(xué)性能存在較大差異。

2016年4月，在大秦（大同—秦皇島）線鋪設(shè)了一段貝氏體鋼軌［5］，長度為6.4 km，使用1年，發(fā)現(xiàn)共有11個批次爐罐號的鋼軌存在一處或多處傷損。如圖1所示，裂紋源位于軌頭內(nèi)部，距離軌頂面4～10 mm，宏觀為核傷缺陷。文獻［6］對其中的3個核傷進行了分析，認為核傷均為軌頭氫致裂紋造成橫向擴展，并且氫致裂紋斷口中部（裂紋源）存在粗大夾雜物。事實上，部分核傷并未發(fā)現(xiàn)裂紋源存在缺陷，難以用夾雜物或氫致裂紋來解釋裂紋源的形成以及裂紋的快速擴展。

圖1 典型貝氏體鋼軌軌頭核傷宏觀形貌

貝氏體鋼軌的沖擊韌性高于珠光體材質(zhì)10倍，但裂紋的形成和核傷的長大速度卻大大超過了珠光體鋼軌。對貝氏體鋼軌出現(xiàn)異常核傷的形成原因一直未找到有說服力的結(jié)論。本文從貝氏體鋼軌材質(zhì)力學(xué)性能和顯微組織出發(fā)，結(jié)合貝氏體鋼軌殘余應(yīng)力和在重載線路的實際受力情況，探討降低貝氏體軌頭核傷的可行性。

1 鋼軌材質(zhì)力學(xué)性能

為降低重載線路鋼軌磨耗，延長鋼軌使用壽命，增加鋼軌強度和硬度是最有效的方法。珠光體鋼軌強度超過1 200 MPa以后，韌性明顯下降。對于貝氏體鋼軌，U20Mn經(jīng)軋后空冷并進行低溫回火處理后，鋼軌抗拉強度約1 280～1 400 MPa，伸長率A≥12%，室溫沖擊吸收功75～150 J，踏面硬度360～430 HBW，-20℃斷裂韌性大于50 MPa·m1/2，表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能［3］。Mn-Si-Cr系（U20Mn）高強鋼采用BQ&P工藝處理，具有更優(yōu)異的強度、塑性、韌性、抗延遲斷裂性能、疲勞性能和超高周疲勞性能［4］。與珠光體鋼軌相比，貝氏體鋼軌的強度更高，沖擊吸收功大幅度提高，是較理想的替代珠光體鋼軌的重載線路用鋼軌。

2 顯微組織及硬度

貝氏體鋼軌金相顯微鏡下的組織為貝氏體和馬氏體，另外還有少量更加微觀的殘余奧氏體。選取三種材質(zhì)的貝氏體鋼軌進行研究，編號分別為20、22-1、22-2。以編號20的貝氏體鋼軌為例，其顯微組織見圖2。圖2（a）為貝氏體鋼軌距軌頂20 mm以下典型的顯微組織。其中顏色較深部分為貝氏體組織，而顏色較淺的呈現(xiàn)帶狀（亮帶）分布的組織為馬氏體和貝氏體的混合組織，簡稱貝馬復(fù)相。對亮帶進一步放大，如圖2（b）所示，可以明顯看出為馬氏體和貝氏體的混合組織。亮帶顏色的深與淺與馬氏體所占比例有關(guān)，顏色越淺馬氏體所占比例越大，鋼軌的宏觀強度也越高。珠光體鋼軌的顯微組織為單一的珠光體，而貝氏體鋼軌由多種顯微組織構(gòu)成且分布不均勻，二者存在較大差異。

圖2 貝氏體鋼軌顯微組織

對貝氏體區(qū)域、貝馬復(fù)相區(qū)域及軌頂下5 mm區(qū)域的組織進行顯微硬度試驗，結(jié)果見表1?？芍贺愂象w區(qū)域的硬度較低，貝馬復(fù)相區(qū)域硬度明顯較高；不同成分的貝氏體鋼軌的貝氏體與貝馬復(fù)相硬度比也有較大差異，距軌頂下5 mm無亮帶區(qū)域的硬度也存在一定差異。

表1 貝氏體及貝馬復(fù)相顯微硬度試驗結(jié)果

微觀硬度試驗結(jié)果說明，貝氏體材質(zhì)的不同微觀組織區(qū)域的力學(xué)性能存在較大差異，這與珠光體鋼軌明顯不同。微觀不同區(qū)域力學(xué)性能的差異是導(dǎo)致貝氏體鋼軌矯直后軌頭和軌底殘余應(yīng)力較高的主要原因之一。

3 鋼軌受力分析

對斷口核傷進行特征分析發(fā)現(xiàn)，核傷裂紋源往往與鋼軌縱向水平方向呈現(xiàn)一定角度。裂紋源形成后，核傷逐漸向鋼軌垂直方向快速擴展。核傷擴展速度異?？欤芸赡芘c軌頭受到縱向拉伸以及疲勞應(yīng)力有關(guān)。因此，須對鋼軌在使用過程中沿縱向水平方向受力狀態(tài)進行分析。本文研究的應(yīng)力均為沿縱向水平方向的分量。

鋪設(shè)在線路上的鋼軌自身存在兩項縱向應(yīng)力：溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力。環(huán)境溫度越低，則溫度應(yīng)力越高，如果環(huán)境溫度比鎖定軌溫低40℃，溫度應(yīng)力約為120 MPa。鋼軌的殘余應(yīng)力主要來源于矯直，經(jīng)過矯直的鋼軌軌頂和軌底為拉應(yīng)力，軌腰為壓應(yīng)力，從軌頭到軌底呈C形分布［7］。鋼軌殘余應(yīng)力大小與材質(zhì)有很大關(guān)系。貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌不同部位的殘余應(yīng)力對比見表2?？芍愂象w鋼軌殘余應(yīng)力明顯高于珠光體鋼軌，其中軌頭部位的殘余應(yīng)力約為珠光體鋼軌的2.5倍。

表2 貝氏體及珠光體鋼軌殘余應(yīng)力對比

以材質(zhì)22-1貝氏體鋼軌為例，分析軌頭存在高殘余應(yīng)力條件下，車輪碾壓鋼軌時各種應(yīng)力疊加并在軌頭縱向構(gòu)成疲勞載荷的過程。

首先，將殘余應(yīng)力與溫度應(yīng)力疊加，見圖3。其中溫度應(yīng)力取最大值120 MPa。疊加后，軌頭拉伸應(yīng)力為416 MPa，而軌底為374 MPa。在鋼軌使用過程中，車輪碾壓鋼軌軌頂后，軌頂面及次表面拉應(yīng)力會減小，取影響深度7 mm，減小值為214 MPa。

圖3 溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加（單位：MPa）

車輪對鋼軌的壓力以及軌枕對鋼軌的支撐力構(gòu)成了三點彎曲，車輪的牽引力等使鋼軌軌頂受到一定的縱向摩擦力，如圖4所示。

圖4 輪軌受力示意

然后，將彎曲應(yīng)力與接觸應(yīng)力疊加，見圖5。車輪對鋼軌的壓力按軸重的50%計算，為12.5 t，軌枕間距為600 mm。有限元計算得出軌頭、軌底表面縱向彎曲應(yīng)力分別為-83、73 MPa。假設(shè)軌頭頂面的接觸應(yīng)力服從赫茲接觸理論，按照文獻［9］中的方法，計算得到軌頂垂直方向的最大接觸應(yīng)力約為1 000 MPa。軌頂水平方向的接觸應(yīng)力可根據(jù)車輪對鋼軌的壓力和摩擦力得出。采用有限元計算，取摩擦力為車輪對鋼軌壓力的10%，計算得出軌頂水平方向接觸應(yīng)力的最大分量為-413 MPa。彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力均為負值，疊加后軌頂最大值為-496 MPa，可以部分抵消溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

圖5 彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的疊加（單位：MPa）

最后，將所有應(yīng)力疊加，見圖6。車輪通過鋼軌時，鋼軌承受接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力疊加溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力，得到疊加圖的紅線部分。大于0的最大疲勞應(yīng)力約在250～320 MPa，即疊加圖的紅線與藍線之間，軌頂至其下7 mm。320 MPa為脈沖疲勞最大值，位于軌頂下約5 mm，也是出現(xiàn)核傷缺陷的裂紋源部位。由于車輪對鋼軌施加的垂向壓力也起了作用，因此裂紋源出現(xiàn)并不完全垂直鋼軌縱向，而是成一定角度。

圖6 鋼軌總疊加應(yīng)力（單位：MPa）

4 軌頭核傷形成的原因

根據(jù)貝氏體材質(zhì)顯微組織特點，由于合金偏析呈帶狀分布，合金含量較高的部分更容易出現(xiàn)馬氏體，硬度更高，相變產(chǎn)生的膨脹相對較高，造成基體微觀殘余應(yīng)力較高。熱模擬試驗表明，貝氏體鋼軌材質(zhì)空冷轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的膨脹是珠光體鋼軌材質(zhì)相變的3～4倍，因此組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力遠高于珠光體鋼軌。由此也造成貝氏體鋼軌的屈服強度相應(yīng)增高，通常超過1 000 MPa，比普通珠光體鋼軌高將近1倍。由于矯直應(yīng)力須超過屈服強度，因此會大幅度提高鋼軌內(nèi)部的殘余應(yīng)力。矯直后的鋼軌殘余應(yīng)力分布的特點是軌頭和軌底受拉應(yīng)力。實際測量表明，珠光體鋼軌軌頭的殘余應(yīng)力在145 MPa（拉伸）以下，貝氏體鋼軌在同樣彎曲度矯直的情況下，軌頭的殘余應(yīng)力也會高出1倍以上，超過290 MPa。

鋼軌軌頭內(nèi)部微觀缺陷在滾動接觸應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等作用下，首先產(chǎn)生裂紋源。微裂紋形成后，在滾動接觸應(yīng)力、矯直殘余拉應(yīng)力和溫度拉應(yīng)力的作用下，軌頭核傷快速擴展。隨著貝氏體鋼軌強度進一步提高，如達到1 380 MPa，帶狀分布的馬氏體組織比例會相應(yīng)增加，不均勻性也相應(yīng)提高，殘余應(yīng)力進一步增加，對鋼軌的使用極為不利。

根據(jù)圖6，由軌頂溫度應(yīng)力+殘余應(yīng)力引起的軌頂表面下約5 mm處的拉應(yīng)力為320 MPa。有無車輪通過時軌頂下5 mm處縱向受力變化情況見圖7。

圖7 軌頂下5 mm處縱向受力變化情況

由圖7可知：在沒有車輪通過時，鋼軌殘余應(yīng)力和溫度應(yīng)力在軌頭呈現(xiàn)恒定的拉伸應(yīng)力，由于并沒有超過材料的屈服強度，不會造成軌頂傷損；當(dāng)車輪經(jīng)過軌頂面時，輪軌接觸+彎矩產(chǎn)生的縱向壓應(yīng)力會和之前的拉應(yīng)力相疊加，構(gòu)成脈沖疲勞應(yīng)力。疊加后構(gòu)成的脈沖疲勞應(yīng)力強度超過材料疲勞極限時，就會造成軌頭核傷出現(xiàn)。

殘余應(yīng)力對脈沖疲勞應(yīng)力影響見圖8。可知，當(dāng)軌頂殘余應(yīng)力由296 MPa下降到166 MPa時，軌頂表面下約5 mm處縱向脈沖疲勞應(yīng)力峰值由320 MPa降低到181 MPa，呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

圖8 殘余應(yīng)力對脈沖疲勞應(yīng)力影響

可見，導(dǎo)致軌頭出現(xiàn)早期核傷缺陷的主要因素是車輪通過鋼軌時軌頭出現(xiàn)脈沖疲勞應(yīng)力。構(gòu)成軌頭縱向拉伸應(yīng)力峰值的最主要應(yīng)力是軌頭殘余應(yīng)力，并且脈沖疲勞應(yīng)力峰值大小主要與軌頭縱向殘余應(yīng)力成正比。降低軌頭脈沖疲勞應(yīng)力的關(guān)鍵因素是降低軌頭殘余拉應(yīng)力，而降低殘余應(yīng)力的主要手段是采用回火熱處理。貝氏體鋼軌通過高溫回火熱處理可以消除顯微組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力。文獻［10］認為，貝氏體回火時將發(fā)生一系列的轉(zhuǎn)變，貝氏體鐵素體中形成碳原子偏聚區(qū)，析出碳化物，發(fā)生回復(fù)，內(nèi)應(yīng)力將消除。就目前實際情況看，應(yīng)進一步提高回火溫度，延長回火時間。實踐表明，回火溫度超過450℃可有效降低殘余應(yīng)力。但是，回火溫度增加在一定程度上會影響鋼軌強度，使其硬度下降，有可能導(dǎo)致鋼軌耐磨性能下降。

綜上，貝氏體鋼軌軌頭殘余應(yīng)力是導(dǎo)致核傷缺陷產(chǎn)生和快速擴展的主要原因，而目前在國內(nèi)外鋼軌標(biāo)準(zhǔn)均沒有軌頂殘余應(yīng)力的要求指標(biāo)，我國與歐洲標(biāo)準(zhǔn)只有軌底殘余應(yīng)力要求［11-12］。這主要是因為目前珠光體鋼軌矯直后的殘余應(yīng)力基本在145 MPa以下，由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的早期軌頭核傷非常少見，因此沒有引起足夠的重視。然而，貝氏體鋼軌作為高強度熱處理鋼軌，復(fù)相中的馬氏體是殘余應(yīng)力大幅度增加的主要原因，并且馬氏體的分布與成分偏析有關(guān)，很不均勻，是顯微組織應(yīng)力主要來源；同時，矯直應(yīng)力會進一步促使鋼軌的軌頭和軌底成為高拉應(yīng)力狀態(tài)，軌頭的高拉應(yīng)力是導(dǎo)致核傷快速擴展的主要原因。限制軌頭殘余應(yīng)力，可以直接減小軌頭頂部區(qū)域在車輪通過鋼軌時的脈沖疲勞強度，防止軌頭核傷的出現(xiàn)。因此，建議標(biāo)準(zhǔn)中增加限制高強度熱處理鋼軌的軌頭殘余應(yīng)力的指標(biāo)。

5 結(jié)論

針對貝氏體鋼軌出現(xiàn)異常核傷的問題，本文從貝氏體鋼軌材質(zhì)力學(xué)性能和顯微組織出發(fā)，結(jié)合貝氏體鋼軌殘余應(yīng)力和在重載線路的實際受力情況，分析了貝氏體鋼軌核傷的形成原因，并探討降低貝氏體軌頭核傷的可行性。主要結(jié)論如下：

1）貝氏體鋼軌的顯微組織是由貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體組成的，顯微組織的多樣性為鋼軌的殘余應(yīng)力增高提供了基礎(chǔ)條件。

2）貝氏體鋼軌在使用過程中，軌頂最大拉應(yīng)力來源于殘余應(yīng)力，目前生產(chǎn)工藝條件下生產(chǎn)的鋼軌表面拉應(yīng)力經(jīng)常超過300 MPa，車輪通過軌頂時構(gòu)成較高的脈沖疲勞應(yīng)力，造成軌頭核傷的出現(xiàn)。因此，須減小貝氏體鋼軌的軌頭殘余應(yīng)力。

3）降低貝氏體鋼軌殘余應(yīng)力的方法是回火熱處理或優(yōu)化鋼軌矯直工藝。

4）建議將軌頂殘余應(yīng)力指標(biāo)納入貝氏體鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中，限制軌頭拉伸殘余應(yīng)力，有效減小由于軌頭拉應(yīng)力造成的核傷以及核傷的快速擴展。