熱輸入對(duì)苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼粗晶區(qū)組織與性能的影響

馬清波　黃顯鋒　韓景茹　黃君輝　李程

摘要：采用焊接熱模擬技術(shù)，模擬焊條電弧焊不同熱輸入對(duì)苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼粗晶區(qū)組織和性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同熱輸入粗晶區(qū)的熱模擬組織為先共析鐵素體沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)有粒狀貝氏體、針狀鐵素體和少量板條馬氏體，熱輸入越小，板條馬氏體越多，晶粒越細(xì);硬度隨著熱輸入增加而減小，不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件均具有良好的沖擊性能，尤其是低溫沖擊性能優(yōu)異，細(xì)晶強(qiáng)化是苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼不僅具有較高的強(qiáng)度，也具有良好韌性的主要原因。

關(guān)鍵詞：苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼;焊條電弧焊;熱模擬;組織性能

中圖分類號(hào)：TG444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.19

0 前言

為適應(yīng)鐵路貨車載重大、輕量化、可靠性的發(fā)展[1-2]，我國(guó)基于Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼，研制出了苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼。由于該鋼尚屬新鋼種，對(duì)其焊接性及其焊接接頭組織性能的研究較少。由于粗晶區(qū)是焊接接頭最薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的影響最為嚴(yán)重[3-6]。文中采用焊接熱模擬技術(shù)，研究了焊條電弧焊時(shí)焊接熱輸入對(duì)苛刻環(huán)境車體用鋼粗晶區(qū)組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。粗晶區(qū)焊接熱模擬試驗(yàn)在Glee-ble-3800 熱模擬機(jī)上進(jìn)行，熱模擬試件尺寸為11 mm×9 mm×100 mm，熱模擬規(guī)范參數(shù)如表3所示，焊接熱輸入范圍來(lái)自實(shí)際生產(chǎn)中的焊接工藝參數(shù)，苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼熱模擬試驗(yàn)的熱循環(huán)曲線如圖1所示。熱模擬試驗(yàn)后，試樣加工成金相試樣和沖擊試樣。金相試件經(jīng)加工、打磨、拋光，并用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在萊卡顯微鏡下觀察熱模擬試件粗晶區(qū)的組織形態(tài)。之后用FM-700型顯微硬度計(jì)測(cè)硬度，試驗(yàn)載荷100 gf，加載時(shí)間15 s，測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm，試件缺口位置如圖2所示[3]。沖擊試驗(yàn)按GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相試驗(yàn)

不同熱輸入熱模擬試件粗晶區(qū)的金相組織如圖3所示。

可以看出，熱輸入為21 kJ/cm時(shí)，粗晶區(qū)組織為少量的先共析鐵素體沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)有粒狀貝氏體、針狀鐵素體和少量板條馬氏體，晶粒較為粗大;熱輸入為15 kJ/cm時(shí)，粗晶區(qū)組織晶界不明顯，晶內(nèi)同樣由粒狀貝氏體和針狀鐵素體構(gòu)成，板條馬氏體增多，柱狀晶上分布著少量先共析鐵素體。隨著焊接熱輸入的增加，熱模擬試件t8/5時(shí)間增加，高溫停留時(shí)間增加，冷卻速度降低，因而晶粒有所長(zhǎng)大，板條馬氏體含量減少。總體來(lái)說(shuō)，苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件的金相組織晶粒度還是很細(xì)小的，這是其具有良好的室溫和低溫沖擊性能的主要原因。

2.2 硬度試驗(yàn)

不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件的顯微硬度如表4所示。可以看出，焊接熱輸入為21 kJ/cm時(shí)硬度約為335 HV，焊接熱輸入為18 kJ/cm時(shí)硬度約為341 HV，焊接熱輸入為15 kJ/cm時(shí)硬度約為350 HV。由此可見(jiàn)，熱輸入越小，硬度越高。由于增加了熱模擬試件高溫停留時(shí)間，冷卻速度降低，板條馬氏體含量減少，所以硬度降低。

2.3 沖擊試驗(yàn)

不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。沖擊韌性曲線如圖4所示?？梢钥闯?，焊接熱輸入為21 kJ/cm時(shí)，室溫沖擊功平均值為101.3 J，-40 ℃沖擊功平均值為85 J;焊接熱輸入為15 kJ/cm時(shí)，室溫沖擊功平均值為90.3 J，-40 ℃沖擊功平均值為122.6 J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件均具有良好的沖擊性能，尤其是低溫沖擊性能優(yōu)異，試樣室溫和-40 ℃的平均沖擊功分別大于90.3 J和85 J，均大于母材（56 J）?？梢?jiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，熱輸入對(duì)粗晶區(qū)熱模擬試件室溫沖擊性能的影響不大，小的熱輸入對(duì)于提高低溫沖擊性能有顯著效果，其原因是苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件的金相組織晶粒細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化使得苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼不僅具有較高的強(qiáng)度，也具有良好的韌性。

不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件室溫和-40 ℃沖擊斷口的微觀形貌如圖5所示?？梢钥闯觯簲嗫谶吘壓椭行木纱蟠笮⌒〉捻g窩構(gòu)成，其中以大韌窩為主，周邊參雜著小韌窩，均為韌性斷裂。

3 結(jié)論

（1）不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬組織為先共析鐵素體沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，晶內(nèi)有粒狀貝氏體、針狀鐵素體和少量板條馬氏體。熱輸入越小，板條馬氏體越多，晶粒越細(xì)。

（2）不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬件的硬度隨著熱輸入增加而減小。

（3）不同熱輸入粗晶區(qū)熱模擬試件均具有良好的沖擊性能，尤其是低溫沖擊性能優(yōu)異，細(xì)晶強(qiáng)化是苛刻環(huán)境鐵路貨車用鋼的強(qiáng)度和韌性較高的主要原因。

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收稿日期：2020-05-23;修回日期：2020-07-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（2017YFB0304605）

作者簡(jiǎn)介：馬清波（1978— ），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事鐵路貨車轉(zhuǎn)向架焊接技術(shù)的研究。E-mail：sityuan@126.com。

通訊作者：李 程（1994— ），男，在讀碩士，主要從事軌道交通關(guān)鍵材料的連接研究。E-mail：773255855@qq.com。