激光热扫描参数对珠光体钢表面马氏体转变的影响机制及铁路维护应用研究

本研究针对铁路钢轨维护中因磨削/焊接导致的表面热损伤问题，通过激光焊接设备精确控制热输入参数，系统研究了ER7T车轮钢与R260钢轨钢在热循环下的马氏体转变行为。发现功率是影响热梯度与相变的关键因素，R260在较低温度下完全转变为马氏体并产生显著剪切应力，而ER7T呈现部分转变与静水拉伸应力特征。数值模拟揭示了熔融/未熔区域应力交互机制，为优化铁路部件维护工艺提供理论支撑。

　　

在铁路运营中，钢轨和车轮表面因摩擦和周期性热负荷产生的损伤是影响安全性和使用寿命的关键问题。工业维护工艺如磨削、焊接等会导致材料表面经历快速加热和冷却，引发微观结构变化，形成脆性马氏体层（WEL），进而影响机械性能和残余应力分布。然而，当前对热输入参数如何精确调控相变行为及应力演化的认识仍不充分，特别是针对不同碳含量的铁路用钢（如高碳R260钢轨钢与中碳ER7T车轮钢）的对比研究更为缺乏。

为此，研究人员采用激光焊接（LW）设备模拟局部高热输入条件，通过精确控制功率（3000W脉冲激光）、扫描速度（1.3-6.3 mm/s）等参数，结合显微硬度测试、X射线衍射（XRD）残余应力分析和有限元模拟（FEM），系统研究了两类钢材的相变规律。关键技术包括：1）激光焊接热源模拟工业热负荷；2）Vickers硬度测试与显微结构表征；3）XRD测量表面残余应力；4）多相变动力学有限元模型（含Chaboche塑性模型和TRIP效应）。

3.1 显微结构评估
实验显示，R260因完全珠光体结构在相同热负荷下马氏体转变深度比ER7T小20-30%，但后者因含先共析铁素体呈现不完全转变。功率对转变深度的影响呈非线性，900W功率使ER7T马氏体区深度增加300%（图4）。扫描速度影响较小，速度提高500%仅减少30%转变深度（图5）。多道扫描中，后续扫描对已形成的马氏体产生回火效应，ER7T硬度下降幅度（50%）显著高于R260（25%）（表4）。

3.2 硬度测量结果
ER7T和R260马氏体硬度分别为800-1000 HV₁
和900-1150 HV₁
（图7），与碳含量正相关。回火后ER7T硬度降幅更大，反映其更敏感的碳化物析出动力学。

3.3 残余应力结果
XRD测量表明R260因更低马氏体起始温度（M_s
=164°C）产生更大压缩应力，而ER7T（M_s
=285°C）呈现静水拉伸主导状态（图8）。熔融区因" virgin material"状态收缩产生拉伸应力，与未熔马氏体区的压缩应力形成鲜明对比（图9）。

3.4 数值模拟验证
2D/3D FEM成功复现实验数据，揭示熔融区（黄色标记）与未熔区的应力反转机制（图11）。多道扫描中，回火区域应力水平受限于回火马氏体屈服强度，而熔融-凝固过程导致的应力突变被实验证实（图10）。

结论与意义
该研究首次量化了功率参数对铁路钢相变深度的非线性影响，阐明碳含量通过M_s
温度调控残余应力类型的机制。发现熔融区与未熔马氏体的应力反转现象为理解WEL形成提供新视角。所开发的相变-应力耦合模型（集成JMAK方程和Koistinen-Marburger关系）为预测铁路维护工艺的热损伤提供工具。成果发表于《Materials》，对优化钢轨磨削、修复焊接工艺具有直接指导价值，有助于提升铁路基础设施的安全性与可持续性。