激光冲击强化是一种表面处理方法，众所周知，它可以在金属和合金中产生有益的残余应力[1]。激光冲击强化通常在纳秒(ns)范围内使用脉冲激光，然而，使用皮秒和飞秒激光也被报道用于证明基本结果[2]。众所周知，激光冲击强化通常可以提高金属材料的性能，从而有助于提高在各种工业领域运行的零件寿命、性能和安全性。铁路部门对于减少裂缝和断裂的钢轨的需求日益增加。这可能对公共安全构成巨大威胁，对整个铁路部门来说是一个巨大的挑战。材料的结构完整性差和功能特性差以及钢轨疲劳和轨头裂纹扩展是导致钢轨断裂和失效的缺陷数量增加的原因。换轨费用高昂，维护成本也很高，这些都有可能给铁路部门带来财政压力。可以减少这种情况的一种方法是不仅要将激光冲击强化应用于新的钢轨，还要兼顾已受影响的钢轨结构，以便提供有效和长期的解决方案，同时改善钢轨轨道的结构完整性。因此，本研究的重点是将激光冲击强化应用于钢轨轨道材料的可行性，通过对材料产生有益的影响来解决上述一些问题。

图1显示了(a)中钢轨轨道在载荷下的有限元应力模型和(b)中钢轨轨道在载荷下的变形。有限元应力分析的主要思想是确定和定位临界应力区和变形量，从而使激光冲击强化能够靶向到变形和应力最大的临界区域。从图1(a)所示的应力可以看出，腹板和倒角处的应力最大，而轨头的变形最大。因此，这表明在腹板位置会出现高应力，因为面积小，单位面积上的作用力变大，所以钢轨腹板部分的断裂或开裂概率也会很高。相应地，腹板倒角和头部可以通过激光冲击强化在裂纹形成前或裂纹形成后进行处理，以防止故障产生并进一步延长轨道功能寿命。

通过从CATIA V5导入轨道的三维CAD模型，使用ANYSIS 18.1工作平台的结构分析建立了一个有限元模型，以了解应力情况。作为初步研究，切割轨道材料X80PSL2钢，来进行激光冲击强化的表面处理。采用Nd:YAG脉冲激光器(7000系列，Litron，Rugby UK)进行激光冲击强化。使用250mm的焦距来保持光斑大小为2mm。每个样品上的总喷丸面积为30mm×30mm(见图2)。如表1和表2所示，使用烧蚀涂层和不使用烧蚀涂层施加了各种条件。

实验采用流动水，厚度约为1~2mm。样品通过机动平台移动，使激光束始终沿着之字形图案从样品的右下方到左上方。对于经过多层处理的样品，在每层之间施加烧蚀涂层。

激光冲击强化后，采用维氏硬度测试法测量每个样品的硬度值。样品用1公斤的载荷压入，施加10到20秒，从每种条件下的5次测量中取平均硬度值。残余应力的测量采用了增量钻孔技术。这是通过将一个带放大器的有线应变仪粘在激光强化和未处理区域的顶部，并以递增的步骤钻入应变仪，深度约为2mm。然后，在仪器软件的帮助下，应变被制表为残余应力。

图3显示了所有经过激光冲击强化处理的样品和未处理样品的表面的硬度。一般来说，硬度没有大的变化，偶尔(样品F)，表面硬度显示减少了30%，表明表面可能已有张力。未经处理的平均硬度经测量为244 HV，而与此最接近的是样品C的数值，测量为252HV，仅增加了4%。话虽如此，但硬度不一定总是在表面上增加。通常情况下，冲击波会沿着一定的距离向下传播到次表层，并可能在次表层产生压应力，但不会以同样的方式反映在顶部-近表面层。在我们的案例中，这就是测量硬度的地方，所以强化可能发生在这里的钢的次表层，但在顶部的测量却不一样。对样品进行横断面检查可以得到一个清晰的图像。

由于时间和资源的限制，因此对选定的经过激光冲击处理的样品和未处理的样品进行了残余应力测量。因此，选择了两个样品进行残余应力分析：样品C和样品F。选择样品F是因为它测量的最低表面硬度为186 HV，而选择样品C是因为它包含最高的表面硬度。

首先对未处理的表面进行残余应力测量。在224µm深处获得的最大压缩残余应力为106MPa。未经处理的样品显示出约11Mpa的残余应力，并在640µm的深度开始减少到最高的-64兆帕(见图4)。未处理的材料曲线随后在块体内部约1mm深度内张力上升，而该体块是其原始制造过程中的残留物。

样品C在16µm深度获得的最大压缩残余应力为-238MPa。样品C是表面硬度最高的样品。此后，随着冲击波在160µm深度附近的次表层内进一步消散，压缩量开始减小，残余应力值一直保持在0MPa线附近至1mm深度。与未经处理的样品相比，利用烧蚀带对X80PSL2钢轨-轨道钢进行激光冲击强化后，产生了明显的压应力。

样品F包括无涂层的激光冲击强化，有1层。施加在样品F上的能量与样品C的能量有些相同，只是样品F重叠率为90%，而样品C的光斑重叠率为75%；然而，如前所述，样品F表面硬度明显偏低。样品F在表面区域(16µm)周围测得表面处的残余应力为14MPa，但随后曲线开始进一步下压，在224µm的深度达到最大值-637MPa。样品F在这一点之外的表面和次表面，残余应力在超过1mm的深度仍然处于压缩到-151MPa的状态。

这表明无涂层激光冲击强化显著改善了X80PSL2钢轨轨道钢内部的残余应力诱导。90%的重叠率对此显然至关重要，因为这使冲击波能够深入到金属内部。从视觉上看，样品F表面显然有些粗糙，但这是预料之中的，因为样品C的烧蚀带对其表面起到了保护作用，而样品F(LSPwC))的表面遭受了更多的粗糙化。

建立了一个有限元模型，以了解作用在轨道上的应力和变形的分布。结果发现，钢轨的头部和腹板似乎更容易出现表面缺陷或裂缝，因此在未来的研究中，激光冲击强化应针对钢轨的这些特定区域。对X80PSL2铁路用钢进行了不同激光冲击强化表面处理。然而，对于选定的样品，表面的硬度并没有明显的变化；测量的残余应力表明，使用两种选定的参数，激光冲击强化在材料内部引起了压应力。具有烧蚀涂层和75%的重叠的传统激光冲击强化处理的样品，在16µm处的最大压应力为-238MPa，而90%的重叠但没有涂层的激光冲击强化处理的样品，在224µm的深度处的最大压应力为-673MPa，并且在超过1mm的深度处仍处于压缩状态。

为了了解X80PSL2钢轨轨道钢激光材料交互作用的影响，进一步的研究应集中在微观结构评估以及横截面硬度和全表征。从这项研究中可以清楚地认识到，激光冲击强化诱发了有益的应力。激光冲击强化也有可能在延长使用寿命和避免铁轨维修方面大有作为；此外，还有助于提高铁轨安全系数。

1.Shukla, P.P., Swanson, T.P., Page J.C., (2014), 激光冲击强化和机械喷丸强化工艺适用于技术级陶瓷的表面处理：综述。机械工程师学会论文集B部分：工程制造杂志，228(5)，639 - 652。 

2.Fritz Pickhardt., Jan S.Hoppius, Evgeny L.Gurevich., (2018), 镀锌不锈钢的飞秒激光冲击强化，Procedia CIRP, 74, 320 - 323。 

3.Kishore Elango, Jan S. Hoppius, Lalit M.Kukreja, Andreas Ostendorf, Evgeny L.Gurevich, (2020),不锈钢在不同约束介质(表面与涂层技术)中的超短脉冲激光冲击强化研究。 

4.Sundar R, Ganesh P, Ram Kishor Gupta, Ragvendra G, B. K. Pant, Vivekanand Kain, Ranganathan K, Rakesh Kaul & K. S. Bindra, (2019)，激光冲击强化及其应用：综述，激光在制造和材料加工中的应用，6，424 - 463。

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