熱輸入對苛刻環境鐵路貨車用鋼粗晶區組織與性能的影響

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，模擬焊條電弧焊不同熱輸入對苛刻環境鐵路貨車用鋼粗晶區組織和性能的影響。試驗結果表明：不同熱輸入粗晶區的熱模擬組織為先共析鐵素體沿晶界向晶內生長，晶內有粒狀貝氏體、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;硬度隨著熱輸入增加而減小，不同熱輸入粗晶區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異，細晶強化是苛刻環境鐵路貨車用鋼不僅具有較高的強度，也具有良好韌性的主要原因。

關鍵詞：苛刻環境鐵路貨車用鋼;焊條電弧焊;熱模擬;組織性能

中圖分類號：TG444 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.19

0 前言

為適應鐵路貨車載重大、輕量化、可靠性的發展[1-2]，我國基于Q450NQR1高強度耐候鋼，研制出了苛刻環境鐵路貨車用鋼。由于該鋼尚屬新鋼種，對其焊接性及其焊接接頭組織性能的研究較少。由于粗晶區是焊接接頭最薄弱環節，對焊接熱影響區沖擊韌性的影響最為嚴重[3-6]。文中采用焊接熱模擬技術，研究了焊條電弧焊時焊接熱輸入對苛刻環境車體用鋼粗晶區組織和性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為苛刻環境鐵路貨車用鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。粗晶區焊接熱模擬試驗在Glee-ble-3800 熱模擬機上進行，熱模擬試件尺寸為11 mm×9 mm×100 mm，熱模擬規范參數如表3所示，焊接熱輸入范圍來自實際生產中的焊接工藝參數，苛刻環境鐵路貨車用鋼熱模擬試驗的熱循環曲線如圖1所示。熱模擬試驗后，試樣加工成金相試樣和沖擊試樣。金相試件經加工、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的組織形態。之后用FM-700型顯微硬度計測硬度，試驗載荷100 gf，加載時間15 s，測5個點取平均值。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]。沖擊試驗按GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行。

2 試驗結果分析

2.1 金相試驗

不同熱輸入熱模擬試件粗晶區的金相組織如圖3所示。

可以看出，熱輸入為21 kJ/cm時，粗晶區組織為少量的先共析鐵素體沿晶界向晶內生長，晶內有粒狀貝氏體、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，粗晶區組織晶界不明顯，晶內同樣由粒狀貝氏體和針狀鐵素體構成，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時間增加，高溫停留時間增加，冷卻速度降低，因而晶粒有所長大，板條馬氏體含量減少。總體來說，苛刻環境鐵路貨車用鋼不同熱輸入粗晶區熱模擬試件的金相組織晶粒度還是很細小的，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

不同熱輸入粗晶區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時硬度約為335 HV，焊接熱輸入為18 kJ/cm時硬度約為341 HV，焊接熱輸入為15 kJ/cm時硬度約為350 HV。由此可見，熱輸入越小，硬度越高。由于增加了熱模擬試件高溫停留時間，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

不同熱輸入粗晶區熱模擬試件沖擊試驗結果如表5所示。沖擊韌性曲線如圖4所示。可以看出，焊接熱輸入為21 kJ/cm時，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，室溫沖擊功平均值為90.3 J，-40 ℃沖擊功平均值為122.6 J。沖擊試驗結果表明：不同熱輸入粗晶區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）。可見，在實際生產的工藝參數范圍內，熱輸入對粗晶區熱模擬試件室溫沖擊性能的影響不大，小的熱輸入對于提高低溫沖擊性能有顯著效果，其原因是苛刻環境鐵路貨車用鋼不同熱輸入粗晶區熱模擬試件的金相組織晶粒細小，細晶強化使得苛刻環境鐵路貨車用鋼不僅具有較高的強度，也具有良好的韌性。

不同熱輸入粗晶區熱模擬試件室溫和-40 ℃沖擊斷口的微觀形貌如圖5所示。可以看出：斷口邊緣和中心均由大大小小的韌窩構成，其中以大韌窩為主，周邊參雜著小韌窩，均為韌性斷裂。

3 結論

（1）不同熱輸入粗晶區熱模擬組織為先共析鐵素體沿晶界向晶內生長，晶內有粒狀貝氏體、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。

（2）不同熱輸入粗晶區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異，細晶強化是苛刻環境鐵路貨車用鋼的強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

基金項目：國家重點研發計劃課題資助項目（2017YFB0304605）

作者簡介：馬清波（1978— ），男，學士，高級工程師，主要從事鐵路貨車轉向架焊接技術的研究。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鍵材料的連接研究。E-mail：773255855@qq.com。