残余应力测量方法的研究现状

盘件轮廓法残余应力测试【推荐】一、引言残余应力是材料在加工、热处理或使用过程中，由于内部组织不均匀或外部约束作用而产生的内应力。

残余应力对材料的使用性能和结构安全具有很大影响，因此对其进行测试和分析具有重要意义。

盘件轮廓法残余应力测试是一种常用的测试方法，具有操作简便、测试速度快、精度高等优点。

二、盘件轮廓法残余应力测试原理1. 基本原理盘件轮廓法残余应力测试是基于弹性力学原理，通过测量盘件在不同方向上的轮廓变化，计算得到残余应力的大小。

测试时，将盘件置于专用的测试装置中，通过加载和卸载，使盘件产生弹性变形。

通过测量盘件的轮廓变化，可以计算出残余应力的大小。

2. 应力分布假设在进行盘件轮廓法残余应力测试时，通常假设应力分布满足以下条件：（1）残余应力在盘件截面上呈均匀分布；（2）残余应力在盘件径向方向上不变；（3）残余应力在盘件周向上呈线性分布。

三、盘件轮廓法残余应力测试设备1. 测试装置盘件轮廓法残余应力测试装置主要包括以下部分：（1）加载装置：用于对盘件施加加载和卸载力，使盘件产生弹性变形；（2）测量装置：用于测量盘件的轮廓变化，包括线性测量仪、光学测量仪等；（3）数据采集和处理系统：用于记录和处理测试数据。

2. 辅助设备辅助设备包括：（1）盘件加热装置：用于加热盘件，使其达到测试温度；（2）冷却装置：用于冷却盘件，使其达到测试温度；（3）防护装置：用于保护测试装置和操作人员的安全。

四、盘件轮廓法残余应力测试操作步骤1. 测试前准备（1）检查测试装置是否正常工作；（2）将盘件清洗干净，去除表面污垢和氧化层；（3）对盘件进行加热或冷却，使其达到测试温度；（4）将盘件安装在测试装置上。

2. 加载和卸载（1）施加加载力，使盘件产生弹性变形；（2）记录加载过程中的应力应变数据；（3）卸载力，使盘件恢复到初始状态；（4）记录卸载过程中的应力应变数据。

3. 测量轮廓变化（1）在加载和卸载过程中，测量盘件的轮廓变化；（2）将测量结果输入数据采集和处理系统。

表面残余应力测试技术研究及应用现状表面残余应力测试技术研究及应用现状摘要: 在生产、处理或加工材料的过程中，由于材料的局部区域的不均匀塑性变形，产生了残余应力。

残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响; 提高表面塑变抗力，降低表层的有效拉应力，可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，提高疲劳强度。

本文主要介绍一些常用的表面残余应力的测试技术以及应用现状。

关键词:表面残余应力;X －射线衍射; 测试参数金属材料在热处理、表面处理、表面改性、塑性变形加工等各种冷热加工之后或在切削、研磨、装配、铸造、焊接等加工工艺之后，材料的局部区域产生了不均匀的塑性变形，必然会产生内应力。

残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变相联系，是材料中发生了不均匀的弹性形变或不均匀的弹塑性变形而引起的，或者说是材料的弹性各向异性或塑性各向异性的反映。

这种残余应力对疲劳强度、抗蚀性、尺寸稳定性、相变、硬度等均有影响。

此外，绝大多数机件的疲劳破坏是从表面开始的。

由于残余应力而影响或导致的机械零件失效达50% 以上，这也是工程界越来越关注的产品失效问题。

下面就介绍几种表面残余应力的测定技术。

目前广泛应用的残余应力测试方法可分为两大类：物理方法和机械方法。

物理法有X 射线法、磁测法和超声波法等；机械法也称应力释放法如电侧（盲孔、切割、套孔及逐次去层）法及光弹贴片钻孔法。

此外, 近些年还出现了硬度测定法、压痕测定法、全息干涉法、错位散斑干涉法、脆性涂层法等。

一、测定法简单介绍X 射线测定法X 射线衍射技术来测定材料中的残余应力，其测定的基本原理是基于X 射线衍射理论。

当一束具有一定波长λ的X 射线照射到多晶体上时，会在一定的角度2θ上接收到反射的X 射线强度极大值( 即所谓衍射峰) ，这便是X 射线衍射现象( 如下图) 。

X 射线的波长λ、衍射晶面间距d 和衍射角2θ之间遵从著名的布拉格定律:2d sinθ= n λ( n = 1，2，3……)在已知X 射线波长λ的条件下，布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角2θ与微观的晶面间距d 建立确定的关系。

焊接残余应力数值模拟研究现状王永康发布时间：2023-06-18T02:58:22.258Z 来源：《建筑实践》2023年7期作者：王永康[导读] 重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。

文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。

重庆交通大学土木工程学院重庆 400041摘要：重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。

文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。

关键词：焊接；残余应力；数值模拟0 前言随着技术的发展，大型机械结构运用愈发广泛，带动焊接结构向大型化、精密化和高参数方向发展，焊接残余应力是降低焊接构件性能及可靠性的重要因素之一，因此如何利用现代新兴技术控制焊接残余应力已成为核心的问题。

目前，我国焊接结构焊接残余应力的传统测量方式主要包括破坏性和非破坏性测量应力试验，但只能测量焊接结构件表面及其附近的残余应力。

因此，随着计算机技术的发展，采用数值模拟分析技术对核电结构焊接残余应力进行模拟计算，全面了解影响残余应力的各种因素及其影响规律，对未来高质量的焊接结构的发展具有十分重要的现实意义[2~3]。

1 残余应力数值模拟技术残余应力数值模拟在计算力学上属于典型的热力耦合问题，即热力学和力学相互迭代非线性有限元计算。

焊接残余应力和变形的根本原因是焊接过程中由于局部的热输入而导致不均匀的温度场，因此数值模拟首先需要对焊接温度场进行准确的计算，包括焊接工艺、边界条件、材料特性等多因素考虑，以此保证焊接过程热弹塑性动态分析的准确[4]。

承压容器焊接接头残余应力测试的现代探究摘要压力容器作为特种设备，在炼油、医药、有机合成乃至核电行业发展中扮演着重要的角色。

压力容器的封头、接管、开孔、密封元件、支座等诸多结构基本都为焊接构件，焊接后产生的焊接残余应力是影响构件使用安全的危险因素，往往是引起裂纹、应力腐蚀开裂等缺陷的主要原因。

开展压力容器焊接接头焊接残余应力的研究有助于了解残余应力的分布规律，优化设计方案，对于压力容器的安全性能也是一种保障。

关键词承压容器；焊接接头；残余应力测试前言当压力容器在焊接完成后，会在部分焊缝区域产生出残余应力。

由于在焊接过程中温度的不均与是的内应力超过了金属的屈服极限是的部分地区产生了变形，当温度降到常温后，由于无法消除而残留在结构中的内应力就叫作残余应力。

焊接构件的焊接残余应力的特点是某些区域量值很大，所以开展压力容器焊接接头焊接残余应力研究有助于优化焊接工艺，消除残余应力，保证焊接质量，保证压力容器能够长期、安全、平稳的使用。

1 焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生时的状况，在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等不同而不同。

就其产生原因及过程关系有下列三种情况。

1.1 焊接热应力由于焊接时，焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。

在加热过程中不均匀的焊接温度场使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区；在冷却过程中，受压缩的塑性变形区的金属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产生了焊接熱应力，这是焊接残余应力起主导作用的部分。

1.2 约束应力约束应力是焊前加工状况造成的，由于约束不同，不均匀的作用力及构件内部组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分顯示的不同的屈服行为而引起构件的不均匀变形产生了约束应力。

1.3 相变应力焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起体积的变化，产生了相变应力，相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接有关。

钛合金高速切削残余应力国内外发展和研究现状钛合金高速切削残余应力的研究与应用是当前制约钛合金高速切削加工的关键问题。

下面将从国内外的发展和研究现状两个方面进行探讨。

一、国内外的发展现状1. 国外发展现状在国外，钛合金高速切削残余应力的研究已经非常深入。

国外相关领域的专家学者在理论研究和实验方面都取得了较为显著的成果，特别是在研究高速切削加工过程中如何减少或消除残余应力方面。

在国外主要有以下几个方面的发展：（1）针对不同类型的钛合金，比如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2.5Sn等的高速切削残余应力进行研究；（2）利用有限元分析和试验研究手段，深入探讨高速切削加工过程中残余应力的形成机理、分布规律以及影响因素等方面的问题；（3）研究加工工艺参数对高速切削残余应力的影响，通过优化切削参数来控制和减小切削残余应力的大小。

2. 国内发展现状我国在钛合金高速切削残余应力的研究方面也在不断地推进。

近年来，国内许多学者都在从不同角度研究该问题。

然而，与国外相比，国内的研究还存在一些不足之处，主要体现在以下几方面：（1）对于不同种类的钛合金的高速切削残余应力分布规律还缺乏明确的了解；（2）在研究过程中，国内还没有建立完整的高速切削残余应力试验体系；（3）国内有限元分析手段在高端仿真方面的软硬件设备和技术仍十分薄弱。

二、国内外的研究现状1. 国外研究现状国外的研究围绕高速切削加工过程中残余应力的影响因素展开，主要可以分为以下几个方面：（1）刀具形状和结构对残余应力的影响；（2）切削参数对残余应力的影响，如铣削速度、深度、进给等；（3）切削液对高速切削残余应力的影响；（4）材料属性对高速切削残余应力的影响。

2. 国内研究现状国内在研究高速切削残余应力方面的主要探索包括以下几个方面：（1）研究残余应力与材料热力学特性、金相组织特性、加工工艺参数之间的关系；（2）研究高速切削过程中切削液对残余应力的影响；（3）研究不同钛合金的高速切削残余应力差异。

第48卷第1期燕山大学学报Vol.48No.12024年1月Journal of Yanshan UniversityJan.2024㊀㊀文章编号:1007-791X (2024)01-0001-10钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状王建军1,李宏光1,王庆超1,董润洲1,杨志南1,2,∗,张福成3(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;3.华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063210)㊀㊀收稿日期:2023-07-11㊀㊀㊀责任编辑:温茂森㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFB3703500);国家自然科学基金资助项目(52122410,52374406);河北省自然科学基金资助项目(E2023203259)㊀㊀作者简介:王建军(1990-),男,河北唐山人,博士研究生,主要研究方向为残余应力分析与调控;∗通信作者:杨志南(1985-),男,河北迁安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为先进钢铁材料制备关键技术,Email:zhinanyang@㊂摘㊀要:近年来随着我国高速㊁重载铁路的快速发展,列车速度的提升㊁轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求㊂如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能㊂本文汇总了当前针对钢轨中残余应力的测量方法,并论述了钢轨中残余应力的产生原因及其对综合性能的影响机制㊂同时,依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火等方面出发,综述了国内外研究者在钢轨残余应力演变及其调控领域所取得的成果㊂最后,对钢轨残余应力演变与调控技术的发展进行了展望㊂关键词:钢轨;贝氏体;残余应力;制造工艺;调控中图分类号:TG142㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2024.01.0010㊀引言近几年来,我国在高速㊁重载铁路领域的发展已经迈入世界前列㊂列车速度的提升㊁轴重的加大,对铁路轨道服役性能的稳定性和可靠性提出更高要求,以保证铁路运输安全㊁高效㊂钢轨是最主要的铁路轨道部件之一,其制造过程主要包括热轧㊁冷却和矫直等工序[1]㊂在此过程中,钢轨不同位置的冷却速度和变形量存在差异,导致钢轨在成形后会在内部形成较大的残余应力[2]㊂钢轨钢按微观组织分类,主要有珠光体型和贝氏体型两大类㊂相对于珠光体钢轨,贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[3-4]㊂因此,贝氏体钢轨在矫直后,会进一步进行回火处理,以降低残余应力,并进一步提高韧性㊁稳定组织[5]㊂残余应力会显著影响钢轨的抗疲劳㊁抗腐蚀等性能[6-8],从而严重制约钢轨的寿命及可靠性㊂因此,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂本文将从钢轨中残余应力的测量方法㊁产生原因㊁对钢轨综合性能的影响以及调控方法等方面,综述近年来的发展状况,以期为当前钢轨中残余应力调控提供指导㊂1㊀钢轨中残余应力的测量方法简介残余应力是指产生应力的各种外部因素(外力㊁温度变化等)去除后,在物体内部保持平衡的一种内应力[9]㊂为准确认识钢轨中的残余应力状态,研究者在钢轨残余应力测量方面做了很多工作[10-13]㊂根据我国铁道行业标准TB /T 23442012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中规定的钢轨轨底残余应力测量方法,韩志杰等发现经过矫直60kg /m 规格U75V 钢轨的轨底残余应力由83MPa 提高到220MPa,这表明矫直工艺可显著提高钢轨轨底的残余拉应力[10]㊂刘佳朋等采用X 射线衍射法测量并绘制出钢轨横截面上残余2㊀燕山大学学报2024应力的分布,如图1所示[11]㊂这使研究人员对钢轨中残余应力的三维分布有了更清晰的认识㊂Kang 等分别采用X 射线衍射法和切片法对60E2钢轨底部的残余应力进行对比研究,发现采用两种方法测量的结果差异较大,如图2所示㊂通过与之前文献结果相比,研究者认为用切片法测定的残余应力值相对可靠[12]㊂虽然采用X 射线衍射法测量钢轨残余应力存在一定的误差,但是采用该方法可以进行无损测量,因此X 射线衍射法在测量残余应力方面得到广泛应用㊂此外,Wang 等提出了一种利用激光超声技术无损测量钢轨踏面残余应力的方法[13]㊂该方法对物体检测表面的要求不高,且可以无接触测量,为钢轨中残余应力的无损测量提供了新的选择㊂图1㊀X 射线衍射法测得的在线热处理贝氏体钢轨残余应力Fig.1㊀Residual stress of on-line heat treated bainite rail measured by X-ray diffraction图2㊀切片法和X 射线衍射法测量钢轨中残余应力值对比Fig.2㊀Comparison of residual stress values in rail measuredby sectioning method and X-ray diffraction method2㊀钢轨中残余应力的产生及其对综合性能的影响2.1㊀钢轨中残余应力的产生钢轨中的残余应力主要有两个来源:一是钢轨在制造过程中因其不同位置的冷却速度和变形量存在差异而产生,二是钢轨在服役过程中由于轮轨接触表面发生塑性变形而产生[14]㊂钢轨在制造过程中,要经过热轧成型㊁冷却㊁矫直㊁回火等工艺㊂热轧成型的钢轨在随后冷却过程中,由于钢轨表面与内部的冷却速度存在差异以及相变发生,导致钢轨内部形成很大的热应力和组织应力㊂在两种应力的共同驱动下,钢轨不同位置的变形量存在差异,因而产生残余应力㊂同时,因为轨腰和轨底的比表面积比轨头大,轨腰和轨底的冷却速度比轨头快;因此,在冷却后期轨头部位的收缩量更大,导致钢轨产生较大的残余应力并产生弯向轨头的弯曲变形㊂钢轨冷却后残余应力分布规律如图3(b)所示,在轨头表面为纵向残余压应力,轨腰和轨底表面为纵向残余拉应力㊂由于钢轨在冷却后产生了弯曲变形,须经矫直后才能使用㊂目前国内外普遍使用的矫直方法是辊式矫直机矫直㊂在矫直辊巨大的弯曲应力㊁剪切应力和接触应力的作用下,钢轨的不同部位发生不同程度的塑性变形,轨头和轨底在矫直后横向变长,纵向变短,而轨腰纵向变得更长㊂因此,矫直后的钢轨在轨头和轨底产生纵向拉伸应力,轨腰产生纵向压缩应力,从轨头到轨底呈C 形分布,与矫直前的应力分布发生明显变化[14],如图3(c)所示㊂钢轨的材质显著影响钢轨矫直后的残余应力大小㊂由表1可知,贝氏体钢轨轨头和轨底的残余应力比珠光体钢轨相应位置的残余应力高得第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状3㊀多㊂这是因为贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[4]㊂因此,降低贝氏体钢轨的残余应力是一项重要课题㊂图3㊀热轧钢轨表面纵向残余应力分布图Fig.3㊀Longitudinal residual stress distribution on thesurface of hot rolled rail表1㊀辊矫后60kg/m 贝氏体钢轨与珠光体钢轨残余应力对比Tab.1㊀Comparison of residual stress between bainiterail and pearlite rail after straighteningMPa钢种材质编号轨头轨腰轨底贝氏体U20Mn2SiCrNiMo-1255.2-148.6335.5U20Mn2SiCrNiMo-2236.4-127.1314.2U20Mn2SiCrNiMo-3231.0-143.7337.0平均240.9-139.8328.9珠光体U75V-1179.7-152.6199.8U75V-2130.8-151.9212.8U75V-3229.6-170.8211.1平均180.0-158.4207.9㊀㊀新钢轨在服役过程中,由于受车轮接触应力和摩擦力的作用,在轮轨接触表面发生塑性变形,也会引入一定的残余应力㊂该残余应力与钢轨中原有的残余应力相互叠加,使钢轨残余应力的分布发生一些变化,如图4所示[15]㊂轨头表面的纵向残余应力由拉应力变为压应力㊂轨腰和轨底残余应力在数值上变小,但分布规律变化不大㊂随着服役时间的增加,钢轨各部位残余应力分布状态逐渐趋于稳定㊂此外,打磨作为钢轨常用的养护手段,也会在钢轨中引入残余应力[16]㊂在打磨过程中,砂轮和钢轨的强烈摩擦会使钢轨表面局部温度迅速上升,造成钢轨表面与内部形成很大的温差㊂在冷却过程中,钢轨表面的收缩变形程度大于钢轨内部,但是钢轨表面的收缩变形受到钢轨内部材料的约束㊂因此,打磨结束后,在钢轨磨削区域的表层会产生较大的残余拉应力[17]㊂图4㊀轮轨循环滚动接触过程钢轨纵向残余应力变化曲线Fig.4㊀Variation curve of longitudinal residual stress inrail during wheel-rail rolling contact2.2㊀残余应力对钢轨疲劳断裂的影响如果钢轨内部的残余应力数值偏大且分布不当,会显著影响钢轨的综合性能㊂当钢轨轨头部位的纵向残余拉应力偏大时,如果在踏面亚表层处存在夹杂物等缺陷,或出现亚表层水平裂纹时,容易诱发钢轨横向疲劳断裂,造成断轨事故[18],如图5所示㊂在轨底,由于车轮通过引起的弯曲应力和残余应力都呈拉应力状态,两个拉应力叠加容易在轨底的缺陷处诱发疲劳裂纹㊂轨底过大的残余拉应力将直接影响钢轨的疲劳寿命,所以需要对其进行限制㊂我国铁道行业标准TB /T 2344 2012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中对珠光体钢轨残余应力的要求是轨底纵向残余应力不能超过250MPa㊂对于贝氏体钢轨,铁总科技颁发的暂行技术条件TJ /GW 1172013‘U20Mn2SiCrNiMo 贝氏体钢轨暂行技术条件“规定轨底纵向残余应力不能超过330MPa㊂当轨腰存在较高的纵向残余压应力时,由于泊松效应,将在轨腰高度方向上形成残余拉应力,容易诱发钢轨轨腰的水平开裂[14]㊂钢轨中的残余应力㊁车轮作用在钢轨上的弯曲应力㊁接触应力在轨顶部位纵向方向构成循环应力㊂当轨顶残余应力由296MPa 下降到166MPa 时,纵向循环应力峰值由320MPa 降4㊀燕山大学学报2024低到181MPa,如图6所示[20]㊂由于应力变化范围越大,疲劳寿命越短,因此钢轨轨头部位的纵向残余应力与钢轨轨头疲劳寿命密切相关㊂另外,有研究结果表明,钢轨制造过程产生的残余应力会明显促进疲劳裂纹的萌生[21]㊂裂纹萌生后,残余拉应力将促进裂纹张开,并提高裂纹的最大应力强度因子㊂因此,钢轨轨头的残余拉应力会显著提高初始疲劳裂纹的扩展速率,降低钢轨的使用寿命[22]㊂综上所述,钢轨中的残余应力会显著促进疲劳裂纹的萌生和扩展,影响钢轨的综合性能㊂所以,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂图5㊀钢轨踏面亚表层夹杂物缺陷导致的断轨和裂纹Fig.5㊀Broken rail and cracks caused by inclusion defectsin subsurface of railtread图6㊀不同残余应力值对脉冲疲劳应力的影响Fig.6㊀Effects of different residual stress valueson pulse fatigue stress3㊀钢轨残余应力的调控本章依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四个方面出发,综述近年来在调控钢轨残余应力方面的研究成果㊂3.1㊀钢轨热预弯工艺对残余应力的影响钢轨轧制完直接冷却,会产生一个弯向轨头的弯曲度㊂热预弯工艺是使用弯轨小车在钢轨冷却前给它一个反向的弯曲变形,在接下来的冷却过程中,该变形可以补偿因钢轨各部位冷却不均匀导致的变形㊂所以,经过热预弯工艺的钢轨在冷却后的弯曲度要比未进行热预弯的小㊂已经证实,钢轨冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小[23]㊂所以,研究钢轨矫前弯曲度的变化原理,获取适当的热预弯变形量,有利于降低钢轨最终的残余应力水平㊂秦瑞廷通过数学模型计算得到,钢轨的最佳热预弯变形量大小与相同外部环境下未预弯直接冷却后的弯曲变形量相等,方向为由轨头弯向轨底[24]㊂然而,有观点认为,预弯改变了钢轨在冷却阶段的应力㊁应变和位移等初始条件,若简单按照直接冷却后的变形参数进行预弯并不能达到最佳效果,需要进行适当的修正[25]㊂此外,研究者还得到预弯温度为800ħ时,冷却后的弯曲变形和残余应力均最小㊂除了轧后热预弯工艺,还有学者研究了利用辊径差和压下量差对钢轨进行定向且弯曲量可控的预弯轧法,通过该方法能够有效提高钢轨冷却后的全长平直度,使钢轨在进入矫直机时具有较小的弯曲度[26]㊂3.2㊀钢轨冷却制度对残余应力的影响钢轨在热轧成型后的冷却过程中,受热应力和相变应力的影响,会发生弯曲变形并产生残余应力㊂有研究表明,钢轨在轧后冷却过程中产生的残余应力值较小㊂新钢轨中的残余应力大小取决于矫直阶段[27]㊂还有研究表明,钢轨矫直后残余应力随矫直前弯曲度的增加而增大[23]㊂因此有必要对钢轨冷却过程的弯曲变形规律进行研究,从而开发出一种降低钢轨在冷却过程中弯曲变形程度的工艺㊂通过有限元仿真,可以很直观地得到U75V 钢轨在冷却过程弯曲度的变化情况,如图7所示[28-29]㊂在钢轨冷却初始阶段,由于轨底㊁轨腰比表面积大,冷却速度比轨头快,这时钢轨逐渐由轨头弯向轨底㊂随着冷却的进行,轨底㊁轨腰首先达到相变点,发生固态相变并释放相变潜热,导致轨底㊁轨腰的冷却速度有所减慢㊂与此同时,轨底㊁轨腰部分由于相变产生体积膨胀,使钢轨的弯曲度有所减小㊂轨底㊁轨腰完成相变时,钢轨达到平直状态㊂随后钢轨继续冷却收缩,但轨头收缩变第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状5㊀形更大㊂钢轨慢慢地由平直变为弯向轨头,直至冷却结束㊂(a)3000s(b)4530s(c)4800s(d)9000s图7㊀钢轨在不同冷却时刻的弯曲变形图Fig.7㊀Bending deformation diagram of railat different cooling time㊀㊀由以上分析可知,钢轨冷却后产生弯曲变形主要是由于钢轨各部位冷却速度不同造成的㊂针对这一问题,Nallathambi 等提出一种基于材料质量分布的控制冷却方法[30]㊂该方法是在质量集中部位加大冷却速度,在边缘和角部降低冷却速度,可以达到降低材料的淬火变形和残余应力的作用㊂这为减小钢轨冷却后的弯曲变形程度提供了思路㊂由于轨头部位比表面积小,同等条件下散热更慢,因此可以采用提高轨头部位换热系数的方法,降低钢轨冷却后弯曲变形程度[31]㊂张文雄通过对钢轨风冷淬火进行数值模拟计算,优化了喷嘴间距㊁喷射距离和喷风压力,使钢轨冷却后弯曲变形程度减小[32]㊂目前,武钢建设了一条钢轨在线热处理生产线㊂该产线通过在轨头和轨底使用不同的喷风压力,可以达到降低钢轨冷却过程弯曲变形程度的目的[33]㊂可见,在钢轨冷却过程中,采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂3.3㊀钢轨矫直工艺对残余应力的影响目前,针对钢轨冷却后产生的弯曲变形,大多使用辊式矫直机对其进行矫直㊂辊轮上下交错排列,每3个辊组成一个矫直变形区,共形成7个矫直变形区,如图8所示㊂弯曲变形的钢轨经过各变形区连续反弯,逐渐缩小残余曲率,最终被成功矫直㊂在此过程中,钢轨被反复弯曲,各个部位产生了不同程度的塑性变形,导致矫直后的钢轨内部存在很大的残余应力㊂如何在保证钢轨平直度满足要求的基础上,尽可能地降低钢轨残余应力是一个困扰轨道交通领域多年的难题㊂在过去的几年里,很多学者通过对钢轨矫直过程的数值模拟研究,寻求解释残余应力的演变规律,以及影响残余应力大小的因素[34-38]㊂图8㊀矫直机辊系示意图Fig.8㊀Diagram of straightener roller system㊀㊀由于钢轨在矫直过程中被反复弯曲导致的包辛格效应,很多学者在建立仿真模型时采用了随动强化模型[34-38]㊂Kaiser 等采用中子衍射法㊁等高线法和有限元模拟表征了矫直后钢轨的纵向残余应力分布,发现实验数据和模拟数据吻合良好,如图9所示[34]㊂这为利用有限元方法预测钢轨矫直过程残余应力的演变提供了基础㊂Biempica 等建6㊀燕山大学学报2024立了钢轨矫直过程的一㊁二㊁三维有限元模型,利用这些模型研究了不同的工艺参数对残余应力的影响,为优化工艺提供了参考[35]㊂不同道次的矫直对钢轨最终的残余应力会产生影响,有研究认为R4辊的压下量越大,最终的残余应力越大[36]㊂也有研究认为对钢轨最终残余应力影响最大的是R8辊,其次是R2辊和R6辊[37]㊂此外,钢轨矫直后的残余应力大小不仅与矫直辊总压下量有关,还与各矫直辊压下量之间的匹配有关[38]㊂图9㊀不同方法得到的钢轨横截面中心线纵向残余应力分布Fig.9㊀The longitudinal residual stress distribution along the vertical symmetry axis evaluated by different methods 3.4㊀回火对钢轨残余应力的影响珠光体钢轨矫直后残余应力相对较小,可以满足使用要求㊂因此,珠光体钢轨在矫直后不需回火处理㊂贝氏体钢轨矫直后的残余应力较大,为了消减残余应力,并进一步提高贝氏体钢轨的韧性㊁稳定组织,通常采取回火的处理方法[39]㊂在回火过程中,应力松弛与 材料软化效应 和 蠕变效应 有关[40]㊂ 材料软化效应 是指随着温度的升高,材料的屈服强度和弹性模量逐渐变小,且屈服强度的降低速率更大㊂残余应力是由弹性应变和弹性模量决定的,即屈服强度的降低速率大于残余应力的降低速率㊂当材料的屈服强度低于残余应力时,弹性应变要转化为塑性应变,从而导致最终残余应力的减小㊂蠕变是指在一定温度㊁应力条件下,随时间发生的材料变形不断增大的现象㊂蠕变过程中发生的材料变形将导致应力松弛㊂目前,关于回火消减残余应力的研究主要围绕蠕变展开[41],通过建立幂律蠕变模型揭示热处理过程中残余应力的演变规律[42]㊂有研究结果表明,在回火过程中, 蠕变效应 比 材料软化效应 对消减残余应力的贡献更大[43-44]㊂李智丽等通过实验,研究了保温时间对在线淬火贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着保温时间的延长,钢轨轨底纵向残余应力的降低速度逐渐减小,如图10所示[45]㊂这可能是由于回火过程中内应力的释放导致蠕变效果减弱所致㊂张凤明等研究了保温温度对贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着回火温度的升高,钢轨轨底纵向残余应力显著降低,如图11所示[46]㊂这是因为温度高时材料发生蠕变的驱动力更大所致[47]㊂图10㊀贝氏体钢轨在320ħ回火时轨底残余应力随回火时间的变化Fig.10㊀The variation of rail residual stress withtempering time at320ħ㊀㊀在回火时,不仅要考虑回火参数对钢轨中残余应力的影响,也要考虑回火参数对钢轨力学性能的影响㊂贝氏体组织在回火过程中可能发生残余奥氏体分解[48]㊁碳化物析出[49]㊁位错密度降低以及贝氏体铁素体板条粗化等现象[50]㊂贝氏体组织的变化将直接导致其性能发生改变㊂有研究表明,随着回火的温度升高,贝氏体钢的冲击韧性呈先升高后降低的趋势[51]㊂还有研究表明20CrSiMn2MoV贝氏体钢在250ħ回火时,随着时间的延长,其硬度值和抗拉强度逐渐下降,塑性呈先升高后降低的趋势[52]㊂可见单纯地提高回火温度㊁延长保温时间可能会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂近期有研究结果表明,一种中碳马氏第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状7㊀体钢通过高温快速回火可以获得比常规回火更优异的拉伸性能和断裂韧性[53]㊂由于较高的回火温度更有利于残余应力的释放[54],并且在回火初期残余应力的降低速度最快[55],因此高温快速回火工艺可能是贝氏体钢轨残余应力与力学性能协同调控的发展方向㊂图11㊀保温时间为24h 时贝氏体钢轨轨底残余应力随回火温度的变化Fig.11㊀The variation of rail residual stress with temperingtemperature when holding time is 24h4　总结与展望本文在概述钢轨残余应力的测量方法㊁产生原因及其对综合性能影响的基础上,从钢轨制造流程预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四方面,综述了钢轨残余应力的演变规律和调控技术研究进展㊂钢轨经冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小㊂在钢轨冷却过程中采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂随着钢轨的服役环境越来越苛刻,贝氏体钢轨残余应力大的问题逐渐变得突出㊂在贝氏体钢轨回火过程中,通过提高回火温度㊁延长保温时间,可以降低钢轨的残余应力;但是,回火参数会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂因此贝氏体钢轨回火时,残余应力的控制与组织性能调控必须协同进行㊂数值模拟作为研究钢轨残余应力演变规律和调控技术的一种重要手段被广泛应用㊂目前,钢轨制造过程中的某些数学模型还不够完善㊂在钢轨冷却过程数学模型的建立过程中需进一步考虑相变产生的组织应力,在贝氏体钢轨矫直过程的力学模型建立过程中还需考虑残余奥氏体的转变情况㊂构建更加完善的数学模型,对于深入了解钢轨残余应力的形成机理㊁开发降低钢轨残余应力方法具有重要意义㊂参考文献1 陈昕.高速重载贝氏体钢轨开发的应用基础研究 D .沈阳 东北大学 2013.CHEN X.Investigation on the application basis for developingbainitic rail for usage of high-speed and over loading railroad D .Shenyang Northeastern University 2013.2 陈岳源 马立忠 易大斌.钢轨残余应力试验分析 J .铁道学报 1982 4 2 72-86.CHEN Y Y MA L Z YI D B.Test and analysis of residual stressin rails J .Journal of the China Railway Society 1982 4 272-86.3 王权 李春龙 付学义 等.钢种㊁轨型及生产工艺对钢轨矫后残余应力的影响 J .金属热处理 2002 27 9 35-37.WANG Q LI C L FU X Y et al.Effects of steel grade rail shapeand 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and8㊀燕山大学学报2024fracture of U78CrV rails in Datong-Qinhuangdao heavy haul railway J .Railway Engineering 2019 59 3 116-119.9乔桂英张诗禹张智恩等.预变形对X80直缝埋弧焊管焊接接头残余应力及疲劳性能影响的模拟研究 J .燕山大学学报2020 44 6 552-557.QIAO G Y ZHANG S Y ZHANG Z Y et al.Effect of pre-deformation on residual stress and fatigue life of weld joint of X80 LSAW pipe J .Journal of Yanshan University 2020 446 552-557.10韩志杰李钧正杨正宗.钢轨轨底残余应力测量与研究 J .南方金属2020 5 1-3.HAN Z J LI J Z YANG ZZ.Measurement and study of residual in rail foot J .Southern Metals 2020 5 1-3.11刘佳朋刘钰李闯等.在线热处理贝氏体钢轨三维残余应力研究 J .铁道建筑2022 62 3 34-38.LIU J P LIU Y LI C et al.Study on3D residual stress of online heat treatment bainitic rail J .Railway Engineering 2022 623 34-38.12KANG C WENNER M MARX S.Experimental investigation on the rail residual stress distribution and its influence on the bending fatigue resistance of rails J .Construction and Building Materials 2021 284 122856 15.13WANG J FENG Q.Residual stress determination of rail tread using a laser ultrasonic technique J .Laser Physics 2015 255 056104.14张东涛.Cr-Mo合金钢轨轨腰水平断裂机理的研究 D .北京铁道部科学研究院2001.ZHANG D T.Study on longitudinal web fracture in Cr-Mo alloy rail D .Beijing China Academy of Railway Sciences 2001. 15高明昕杨建付丽华等.钢轨循环滚动接触过程残余应力-应变的变化规律研究 J .铁道学报2018 40 11 147-153. 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现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望摘要本文介绍了国内外有对压力容器残余应力分析研究的各种方法，分析了这些方法在实际应用中的优缺点，同时也展望了未来压力容器残余应力测试与评价的发展趋向。

关键词定量测试；残余应力；压力容器1 概述在焊接过程中，由于不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩而引起焊接残余应力和各类焊接变形的产生。

残余应力在材料加工和处理过程中都是难以避免的，是影响焊接结构使用性能和寿命的重要因素。

当焊缝和热影响区附近应力发生很大的变化时，这些部位容易产生裂紋，设备零部件发生损坏的主要原因通常是由残余应力导致的应力腐蚀和疲劳裂纹等缺陷。

因此，明确变化部位对判断和防止裂纹缺陷很有必要[1]。

2 研究的必要性每年压力容器失效造成的损失巨大，据统计美国达700 亿美元，日本高达25000 亿日元，中国也达到200 亿元。

全国现有在用压力容器233.59万台，锅炉60.73 万台，这些设备多数在高温、高压、低温、疲劳、腐蚀性介质下运行，安全寿命长的20 年以上，短的几年甚至几个月，主要由设备的原始缺陷和使用缺陷决定。

材料内部结构不连续性、焊接过程中过大的温度梯度造成了应力集中，在介质、温度和压力的共同作用下诱发裂纹、疲劳损伤和腐蚀开裂的产生，最终导致设备失效。

利用测试技术有效检测出材料由焊接产生的残余应力集中区，将极大程度的预防压力容器缺陷的产生并能对运行中的设备进行细微缺陷的监控，对设备的安全有效运行意义重大[2]。

3 现状分析对于压力容器的容许残余应力，现阶段还没有系统而规范的标准进行评价，因此压力容器残余应力的研究有待深入，且变得格外引人注目。

目前，国内外对压力容器残余应力的研究主要包括：3.1 对残余应力定量分析方法的研究对残余应力的测量方法主要分有损和微损两种，有损的分析方法如削磨面积法和小孔法，需要对检测对象进行破坏取样，在实际工程应用中受到很大限制。

微损的分析方法，包括X 射线衍射法、光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法。