調(diào)修溫度對S355J2W（H）鋼組織與性能的影響

盧峰華，姜 斌，宋學(xué)毅

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北唐山063035）

調(diào)修溫度對S355J2W（H）鋼組織與性能的影響

盧峰華，姜 斌，宋學(xué)毅

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北唐山063035）

采用不同的火焰調(diào)修溫度（700℃、800℃、1000℃和1200℃）對構(gòu)架材料S355J2W（H）鋼進(jìn)行火焰調(diào)修，研究不同火焰調(diào)修溫度對其組織和性能的影響。結(jié)果表明：隨著火焰調(diào)修溫度的升高，S355J2W（H）鋼沖擊性能下降較為明顯；但不同調(diào)修溫度對其彎曲、拉伸性能及顯微硬度影響不大；S355J2W（H）鋼在700℃、800℃和1000℃熱調(diào)修時，其顯微組織與未經(jīng)調(diào)修的母材相當(dāng)，為沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體和珠光體；而在1200℃調(diào)修時其顯微組織為粗大的多邊形塊狀鐵素體和珠光體，已完全沒有未經(jīng)調(diào)修的母材呈帶狀分布的軋制特征且晶粒有所長大，故合適的熱調(diào)修溫度為700℃～1000℃，不宜超過1000℃。

火焰調(diào)修溫度；S355J2W（H）鋼；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

0 前言

國內(nèi)外客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尤其是高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主流形式為焊接構(gòu)架。焊接構(gòu)架的應(yīng)用對減輕列車自重、提高列車運(yùn)行速度起到十分重要的作用，但焊接變形的存在對列車的安全可靠運(yùn)行會產(chǎn)生不利影響，如果不予以矯正，不僅影響結(jié)構(gòu)整體安裝，還會降低設(shè)備的安全可靠性[1-2]。為此，高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架制造中的焊接變形受到國內(nèi)外高速列車制造企業(yè)的高度重視。生產(chǎn)中除了通過采用相應(yīng)的工藝控制焊接變形外，還通過調(diào)修來矯正焊接變形。為了提高高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架制造質(zhì)量[3-4]，在此研究不同熱調(diào)修溫度（700℃、800℃、1 000℃和1 200℃）對構(gòu)架材料鞍鋼產(chǎn)S355J2W（H）低合金鋼組織與性能的影響規(guī)律，以確定其合理調(diào)修溫度，為高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架調(diào)修提供依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗構(gòu)架材料選用板厚14 mm的S355J2W（H）低合金鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

采用氧乙炔加熱在不同調(diào)修溫度下對構(gòu)架材料進(jìn)行熱調(diào)修，并用型號為LINI-T的紅外線測溫儀確定調(diào)修溫度，試板尺寸300 mm×300 mm×14 mm，調(diào)修區(qū)寬度80 mm。

表1 S355J2W（H）低合金鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1Chemical composition and mechanical properties of S355J2W（H）low alloy steel

試板經(jīng)火焰調(diào)修后分別進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊、硬度等力學(xué)性能試驗以及金相組織分析。室溫拉伸、彎曲、沖擊以及硬度試驗分別按照GB-T 2651-2008、GB-T 2653-2008、GB/T229-2007和GB-T4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，金相試件在熱調(diào)修區(qū)間中間處選取，腐蝕液為4％硝酒精酸溶液。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 拉伸試驗結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后S355J2W（H）低合金鋼拉伸試驗結(jié)果如表2所示。

表2 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度拉伸試驗結(jié)果Table 2Different heat repair temperature tensile test results of S355J2W（H）low alloy steel

由表2可知，不同調(diào)修溫度對構(gòu)架材料S355J2W（H）低合金鋼抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率影響不大，其拉伸性能與S355J2W（H）低合金鋼母材相當(dāng)。由此可見，在800℃～1 200℃試驗調(diào)修溫度下，調(diào)修溫度對其拉伸性能影響不明顯。

不同調(diào)修溫度構(gòu)架材料S355J2W（H）低合金鋼拉伸斷口微觀形貌如圖1所示。不同調(diào)修溫度一次調(diào)修構(gòu)架材料拉伸試件所有斷口的全貌均呈纖維狀，無論是斷口的邊緣還是中心都是由許多大小不一的淺韌窩組成，而且斷口中心處的韌窩尺寸較大。

圖1 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度拉伸斷口掃描Fig.1Different heat repair temperature tensile fracture scan of S355J2W（H）low alloy steel

2.2 彎曲試驗結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后S355J2W（H）低合金鋼彎曲試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，不同調(diào)修溫度下三種構(gòu)架材料彎曲試件彎曲角均達(dá)到180°時，試件無斷裂或裂紋現(xiàn)象產(chǎn)生，彎曲性能良好。

表3 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度彎曲試驗結(jié)果Table 3Different heat repair temperature bending test results of S355J2W（H）low alloy steel

2.3 沖擊試驗結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后S355J2W（H）低合金鋼沖擊試驗結(jié)果如表4所示。將表4中不同調(diào)修溫度下室溫與-40℃的沖擊功平均值制成S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度沖擊功對比圖，如圖2所示。

表4 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度沖擊試驗結(jié)果Table 4Different heat repair temperature impact test results of S355J2W（H）low alloy steel

由圖2可知，-40℃下沖擊功低于室溫時，在1200℃一次調(diào)修時尤為明顯；不論室溫還是-40℃，構(gòu)架材料S355J2W（H）在700℃、800℃和1 000℃一次調(diào)修后的沖擊功相近且均高于1 200℃一次調(diào)修后的沖擊功。1200℃一次調(diào)修后沖擊性能之所以明顯降低，是因為加熱溫度過高導(dǎo)致材料發(fā)生了相變，晶粒有所長大。

圖2 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度沖擊功對比Fig.2Different heat repair temperature impact energy of S355J2W（H）low alloy steel

1 000℃和1 200℃熱調(diào)修在-40℃時沖擊斷口掃描如圖3所示，可以看出圖3a中1 000℃熱調(diào)修時的沖擊斷口呈現(xiàn)大小不一的韌窩，而圖3b中的1 200℃熱調(diào)修時的沖擊斷口則為準(zhǔn)解理，由于韌窩不足導(dǎo)致沖擊功嚴(yán)重下降。綜上可見，熱調(diào)修溫度過高，S355J2W（H）低合金鋼沖擊性能下降。

圖3 S355J2W（H）低合金鋼沖擊斷口掃描Fig.3S355J2W（H）low alloy steel impact fracture scan

2.4 顯微硬度試驗

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后S355J2W（H）低合金鋼顯微硬度試驗結(jié)果如表5所示。不同調(diào)修溫度下S355J2W（H）低合金鋼的硬度值變化并不大，均在165～180 HV之間。

表5 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度硬度試驗結(jié)果Table 5Different heat repair temperature microhardness test results of S355J2W（H）low alloy steel

2.5 金相試驗

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后S355J2W（H）低合金鋼金相試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 S355J2W（H）低合金鋼不同調(diào)修溫度金相組織Fig.4Different heat repair temperature microstructure of S355J2W（H）low alloy steel

S355J2W（H）低合金鋼在700℃和800℃熱調(diào)修時其顯微組織為沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體和珠光體，晶粒度約為8～9級，與未經(jīng)調(diào)修的母材相當(dāng)。當(dāng)母材加熱到700℃時，溫度剛剛達(dá)到Ac1（727℃）帶狀分布的珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變，但由于溫度作用時間短，僅僅有少量的珠光體轉(zhuǎn)變成細(xì)小的奧氏體，冷卻后得到少量的細(xì)小的鐵素體和珠光體，而大部分保留原來塊狀的鐵素體和珠光體，所以此溫度下材料強(qiáng)度和韌性與母材相近（見圖4a）；當(dāng)火焰溫度加到800℃時，溫度介于Ac1與Ac3，珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，部分塊狀鐵素體向奧氏體中溶解。冷卻后顯微組織為不均勻的沿晶界析出的細(xì)小鐵素體、原始的塊狀鐵素體和生成的細(xì)小的鐵素體和珠光體組織（見圖4b），因此在這兩種溫度下，晶粒度較高組織仍較為細(xì)密且成帶狀的軋制特征；當(dāng)火焰溫度達(dá)到1000℃和1200℃時，溫度超過Ac3，珠光體和原始塊狀鐵素體全部奧氏體化，形成晶粒粗大的單相奧氏體，冷卻后得到較為粗大的多邊形鐵素體和珠光體，材料的韌性下降明顯，溫度越高晶粒長大越明顯，晶粒度6～7級。

3 結(jié)論

（1）隨著火焰調(diào)修溫度的升高，S355J2W（H）低合金鋼沖擊性能降低明顯。

（2）在700℃～1 200℃調(diào)修時，S355J2W（H）低合金鋼的彎曲、抗拉性能及硬度受調(diào)修溫度的影響不明顯。

（3）S355J2W（H）低合金鋼在700℃、800℃和1 000℃一次調(diào)修時，其顯微組織為沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體和珠光體，與未經(jīng)調(diào)修的母材相當(dāng)；而在1 200℃調(diào)修時其顯微組織為粗大的多邊形塊狀鐵素體和珠光體，完全沒有未經(jīng)調(diào)修的母材呈帶狀分布的軋制特征且晶粒有所長大。

（4）通過對不同熱調(diào)修溫度下的S355J2W（H）低合金鋼拉伸、彎曲、沖擊、硬度試驗以及顯微組織分析可知，熱調(diào)修溫度應(yīng)為700℃～1 000℃，不宜超過1 000℃。

[1]喬磊.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的火焰矯正[J].機(jī)械，2009（S1）：95.

[2]張鑫鑫.對高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架選材的探討[J].機(jī)車車輛工藝，1994（1）：96-97.

[3]朱兆華，黃菊花，張庭芳，等.火焰矯正方法在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2009（5）：63-64.

[4]周浩森.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

Page 67

變?yōu)檠鼐ф湢?，M-A組元為易開裂的脆性相，裂紋極易沿此擴(kuò)展，大大弱化了晶粒細(xì)化及鐵素體基體對韌性的有利作用，導(dǎo)致740℃亞溫正火焊接接頭韌性仍較低。

640℃高溫回火使得M-A組元大量分解，面積比例及每個尺寸均減小，彌散分布于貝氏體鐵素體中，基體組織改變?yōu)閷g性有利的回火索氏體與回火貝氏體。因此，沖擊韌度得到較大提高。

4 結(jié)論

（1）熱沖壓模擬及正火后焊接接頭的組織均為粒狀貝氏體，亞溫正火后改變?yōu)殍F素體與粒狀貝氏體的混合組織，高溫回火后M-A組元大量分解，組織為回火索氏體+回火貝氏體+M-A組元。

（2）980℃熱沖壓模擬后焊縫中的M-A組元尺寸最大，達(dá)到28.87 μm。920℃正火后焊縫中的MA組元面積比增大，尺寸有所減小。亞溫正火后，HAZ中的M-A組元面積比例最高，達(dá)到22.67％，形狀為粒狀，呈鏈狀分布?；鼗鸷驧-A組元的面積比例及最大尺寸均大量減小。

（3）980℃熱沖壓模擬、920℃正火及740℃亞溫正火后，焊接接頭的沖擊韌度均較低，640℃高溫回火后，焊接接頭的沖擊韌度得到較大提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]NB/T 47015-2011（JB/T 4709），壓力容器焊接規(guī)程[S].

[2]NB/T 47015-2011（JB/T 4744），承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗[S].

[3]張英喬，張漢謙，劉偉明.M-A組元對石油儲罐用鋼粗晶熱影響區(qū)韌性的影響[J].焊接學(xué)報，2009，30（1）：109-112.

[4]LePERA F S.Improved Etching Technique for the Determination of Percent Martensite in High-Strength Dual-Phase Steels[J].METALLOGRAPHY，1997（12）：263-268.

[5]趙琳，張旭東，陳武柱.800 MPa級低合金鋼焊接熱影響區(qū)韌性的研究[J].金屬學(xué)報，2005，41（4）：392-396.

[6]方鴻生，鄧海金.低碳Fe-Mn-B鋼粒狀貝氏體的組織及其強(qiáng)韌性[J].機(jī)械工程材料，1981，5（1）：5-14.

Influence of heat repair temperature on microstructure and properties of S355J2W low alloy steel

LU Fenghua，JIANG Bin，SONG Xueyi
（Bogie Technology Center of CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China）

Adopt different flame heat repair temperature（700℃，800℃，1 000℃and 1 200℃）for S355J2W(H)low alloy steel frame material flame repairing，analyzed the influence of different flame repairing temperature on its microstructure and properties，the results showed that with the flame heat repair temperature rises，the impact properties of the S355J2W(H)low alloy steel has declined obviously；bending performance is good，tensile performance and hardness performance changed little in different heat repair temperature，the microstructure of S355J2W(H)low alloy steel at 700℃、800℃and 1 000℃is similar to the base material without heat repair，along the rolling direction distribution of ferrite and pearlite，but its microstructure is bulky polygons blocky ferrite and pearlite at 1 200℃，which has no base material characteristics of the distribution of the parent metal strip rolling and grain grew up，so the appropriate heat repair temperature is 700℃～1 000℃which should not exceed 1000℃.

flame repairing temperature；S355J2W（H）low alloy steel；bogie structure

TG441.8

A

1001－2303（2017）01－0101-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.19

獻(xiàn)

盧峰華，姜斌，宋學(xué)毅.調(diào)修溫度對S355J2W（H）鋼組織與性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：101-105.

2016-06-01；

2016-10-25

盧峰華（1977—），男，山東黃縣人，教授級高級工程師，主要從事轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究及管理工作。