1 残余应力的成因
钢轨在生产过程中, 要经过轧制、冷却和矫直工艺。热轧钢轨在轧制冷却时, 钢轨钢将产生收
缩, 再加上钢轨钢的固态相变, 导致了钢轨各部位的不均匀塑性变形。但由于钢轨是一个整体, 使得这种不均匀塑变受到阻碍, 从而在钢轨内产生残余应力。钢轨内残余应力与冷却速度密切相关, 钢轨冷速越大, 则其内的残余应力也越大, 钢轨的变形也越大。由于钢轨的变形, 轧后钢轨必须经过矫直工艺(通常采用辊式矫直机矫直), 以达到使用所要求的平直度。在矫直过程中, 钢轨在巨大的矫直应力作用下, 使钢轨产生了不均匀的塑性变形, 从而使钢轨产生矫直残余应力。由于矫直是钢轨的最后形变工艺, 决定了钢轨内残余应力的最终分布和大小。因此, 钢轨内残余应力的分布和大小主要与矫直工艺有关, 矫直辊的载荷越大, 矫直的压下量越大, 由矫直后钢轨的残余应力越大。所谓钢轨内的残余应力, 应是钢轨冷却过程中产生的应力和矫直产生的应力相叠加的结果。钢轨经辊式矫直机矫直后, 轨头和轨底相对于轨腰变短。因此, 从钢轨的总体上来说, 钢轨轨头和轨底是拉应力, 轨腰是压应力。但是钢轨内残余应力大小和分布在钢轨横截面上各不相同, 而且在钢轨轧制方向也不完全相同。这说明钢轨内残余应力的分
布是十分复杂的。钢轨内残余应力的大小除受制造工艺及矫直工艺影响外, 还与钢轨的强度和几何形状有关。钢轨钢的强度越高、钢轨的截面尺寸越大, 则钢轨内的残余应力也越大。
钢轨在使用条件下承受的应力有:轮轨接触应力、纵向弯曲应力、横断面弯曲应力、接头冲击力、纵向温度应力及钢轨残余应力等等, 钢轨内残余应力的大小和分布将严重影响钢轨的使用性能。钢轨中存在过大的残余应力, 在使用中将会引起钢轨的断裂失效, 它的断裂方式和断裂源的位置与残余应力的分布状态有关。当轨头或轨底存在过大的残余拉伸应力时, 裂纹首先在这些部位形成,继而在外加载荷和残余应力的共同作用下, 裂纹向轨腰扩展, 当裂纹达到轨腰后, 再沿轨腰纵向开裂。这种情况尤以轨底首先出现裂纹的情况最多。1995 年蓝烟线2410 次货物列车颠覆重大事故, 经铁道科学院检验分析后认为:蓝烟线K98 +18国产钢轨在列车通过时, 发生横向脆性断裂, 是导致货列颠覆的原因, 而钢轨脆性断裂的原因主要与钢轨残余应力过大有关。
当轨腰存在过大的残余应力时, 在轨腰首先形成裂纹源, 然后引起突发性的轨腰水平开裂, 这是一种最危险的断裂。因为当钢轨沿轨腰高度方向存在过大的残余拉伸应力及轨腰材料抗裂纹扩展性能较差时, 很容易在轨腰诱发裂纹及裂纹的快速扩展, 最终形成钢轨沿轨腰水平方向突发性的断裂失效。这一种类的失效形式, 已对铁路行车安全构成极大威胁。如1983 年美国曾发生过这种形式的轨腰断裂所引起的翻车事故, 造成重大人身伤亡和财产损失。
3 钢轨应力消除
采用振动时效设备对钢轨进行应力消除，能够降低钢轨的应力峰值，均化应力，防止变形。
