李　晨　許鴻吉　謝　明　董　強(qiáng)

(大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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調(diào)修溫度對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架Q345E鋼組織與性能的影響

李晨許鴻吉謝明董強(qiáng)

(大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

采用不同的火焰調(diào)修溫度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)對構(gòu)架材料Q345E鋼進(jìn)行火焰調(diào)修，分析了不同的火焰調(diào)修溫度對其組織與性能的影響。研究結(jié)果表明：隨著火焰調(diào)修溫度的升高，Q345E鋼拉伸及沖擊性能均有所下降且沖擊性能下降的較為明顯；不同調(diào)修溫度下，Q345E鋼彎曲性能良好，硬度及疲勞性能變化不大；Q345E鋼在700 ℃和800 ℃一次調(diào)修時(shí)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1 000 ℃和1 200 ℃調(diào)修時(shí)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700～800 ℃，不宜超過1 000 ℃。

火焰調(diào)修溫度；Q345E鋼；組織與性能

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，其主流形式都是焊接構(gòu)架。焊接構(gòu)架的應(yīng)用對于減輕列車的自重，提高列車的運(yùn)行速度起到十分重要的作用。轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架在焊接后會(huì)產(chǎn)生一定的變形，如果不予以矯正，不僅影響結(jié)構(gòu)整體安裝，還會(huì)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，往往通過火焰調(diào)修來矯正焊接變形。其原理是根據(jù)金屬熱脹冷縮的物理性能,利用金屬局部受火焰加熱后的收縮所引起的新的變形去克服已經(jīng)產(chǎn)生的焊接變形[3-4]。在一般情況下轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料的熱調(diào)修溫度推薦600 ℃，但現(xiàn)實(shí)情況中在此溫度下的焊接變形很難被矯正,因此必須提高火焰矯正溫度來矯正轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的變形[5]。為了提高高速列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架制造質(zhì)量，本文研究了不同火焰調(diào)修溫度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料Q345E鋼的組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律，以確定其合理的熱調(diào)修溫度。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)的構(gòu)架材料選用板厚為14 mm的Q345E結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

分別在不同調(diào)修溫度下對構(gòu)架材料進(jìn)行熱調(diào)修，調(diào)修時(shí)使用氧乙炔火焰加熱試板，并用型號(hào)為LINI-T的紅外線測溫儀確定調(diào)修溫度。試板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm，試板上火焰調(diào)修溫度區(qū)間為80 mm。

試板經(jīng)火焰調(diào)修后分別機(jī)械加工成拉伸、彎曲、沖擊、硬度和疲勞等力學(xué)性能及金相試驗(yàn)所需的試件對不同調(diào)修溫度下火焰熱調(diào)修區(qū)間處進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)：室溫拉伸試驗(yàn)按照GB-T 2651-2008標(biāo)準(zhǔn)；彎曲試驗(yàn)按照GB-T 2653-2008標(biāo)準(zhǔn)；沖擊試驗(yàn)分別在室溫和-40 ℃下進(jìn)行，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行；硬度試驗(yàn)按照GB-T4340.1-2009《金屬顯微維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)》，利用FM-700型顯微硬度儀測量不同調(diào)修溫度下Q345E鋼熱調(diào)修區(qū)間的維氏硬度，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf(1.96 N)，保持時(shí)間15 s，步長500 μm；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；疲勞試驗(yàn)參照 GB2656-8 《焊接金屬和焊接接頭的疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1拉伸試驗(yàn)結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后Q345E結(jié)構(gòu)鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，不同調(diào)修溫度對構(gòu)架材料Q345E鋼抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率略有影響，其拉伸性能與Q345E鋼母材相當(dāng)(見表1)。隨著火焰調(diào)修溫度升高，Q345E鋼抗拉強(qiáng)度及塑性(伸長率和斷面收縮率)均略有下降，其原因是火焰調(diào)修溫度升高破壞了母材原有的帶狀組織，使調(diào)修區(qū)間處組織變得粗大降低強(qiáng)度(如后所述)，又由于火焰調(diào)修溫度會(huì)影響材料的塑性，為使材料有足夠的塑性儲(chǔ)備，調(diào)修時(shí)應(yīng)使用較低溫度。

圖1是不同調(diào)修溫度構(gòu)架材料Q345E鋼拉伸斷口微觀形貌。由圖1可以看出：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。

2.2彎曲試驗(yàn)結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后Q345E鋼彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1Q345E鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及力學(xué)性能

材質(zhì)CMnSiPSTiAlNb屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa伸長率A/(%)沖擊吸收功Akv(-40℃)/JQ345E0.161.310.320.0150.0030.0170.0330.01741954329.5227

表2Q345E鋼不同調(diào)修溫度拉伸試驗(yàn)結(jié)果

構(gòu)架材料調(diào)修溫度/℃抗拉強(qiáng)度Rm/MPa平均值/MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa平均值/MPa伸長率A/(﹪)平均值/(%)斷面收縮率Z/(%)平均值/(%)Q345E70080010001200559562552557550554517553561555552535422438401411403394389389430406399389292930261920182029282019596061565555545260595553

表3Q345E鋼不同調(diào)修溫度彎曲試驗(yàn)結(jié)果

構(gòu)架材料調(diào)修溫度/℃試件尺寸/mm彎曲厚度/mm壓頭直徑/mm彎曲角/(°)備注Q345E70080010001200200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格200×15×101030180合格

由表3可以看出，不同調(diào)修溫度下構(gòu)架材料彎曲試件彎曲角均達(dá)到180°時(shí)，試件仍無斷裂或裂紋現(xiàn)象產(chǎn)生，彎曲性能良好。

2.3沖擊試驗(yàn)結(jié)果

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后Q345E鋼沖擊試驗(yàn)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Q345E鋼不同調(diào)修溫度沖擊功對比圖，如圖2所示。

表4Q345E鋼不同調(diào)修溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試件號(hào)調(diào)修溫度/℃試驗(yàn)溫度/℃沖擊功/J試驗(yàn)值平均值試件號(hào)調(diào)修溫度/℃試驗(yàn)溫度/℃沖擊功/J試驗(yàn)值平均值Q1-3-1Q1-3-2Q1-3-3Q1-3-4Q1-3-5Q1-3-6Q1-3-7Q1-3-8Q1-3-9Q1-3-10700室溫-40℃198204195205207152115108136116202125Q3-3-1Q3-3-2Q3-3-3Q3-3-4Q3-3-5Q3-3-6Q3-3-7Q3-3-8Q3-3-9Q3-3-101000室溫-40℃124124127130106585862585012260Q2-3-1Q2-3-2Q2-3-3Q2-3-4Q2-3-5Q2-3-6Q2-3-7Q2-3-8Q2-3-9Q2-3-10800室溫-40℃18519519720619710092821047219690Q4-3-1Q4-3-2Q4-3-3Q4-3-4Q4-3-5Q4-3-6Q4-3-7Q4-3-8Q4-3-9Q4-3-101200室溫-40℃133118120119103533651486011950

注：沖擊試件尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)部位均為熱調(diào)修中心處。

由圖2可見，當(dāng)沖擊試件的缺口開在熱調(diào)修加熱區(qū)時(shí)，材料沖擊功隨著加熱溫度的升高呈下降趨勢，且在700 ℃和800 ℃一次調(diào)修沖擊性能遠(yuǎn)高于1 000 ℃和1 200 ℃一次調(diào)修。1 000 ℃和1 200 ℃一次調(diào)修后沖擊性能之所以明顯降低，是由于加熱溫度過高，導(dǎo)致材料發(fā)生了相變且晶粒有所長大造成的(如后所述)。

800 ℃與1 000 ℃熱調(diào)修在-40 ℃時(shí)沖擊斷口掃描如圖3所示，可以看出圖3a中800 ℃熱調(diào)修時(shí)的沖擊斷口呈現(xiàn)大小不一的韌窩，而圖3b中的1 000 ℃熱調(diào)修時(shí)的沖擊斷口則呈現(xiàn)少量韌窩加準(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Q345E鋼沖擊性能下降。

2.4顯微硬度試驗(yàn)

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后Q345E鋼顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5Q345E鋼不同調(diào)修溫度顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果

構(gòu)架材料調(diào)修溫度/℃測試值/HV12345平均值Q345E70080010001200170170182180179178177181179175176180180178177178182178180179178176178180

由表5可見，不同調(diào)修溫度下Q345E鋼的硬度值變化并不大，均在175～180 HV之間。

2.5金相試驗(yàn)

不同調(diào)修溫度火焰調(diào)修后Q345E鋼金相試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，放大倍數(shù)為500倍。

Q345E低合金鋼在700 ℃和800 ℃調(diào)修時(shí)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(jí)，與未經(jīng)調(diào)修的母材相當(dāng)。當(dāng)母材加熱到700 ℃左右時(shí)，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(shí)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(圖4a)；當(dāng)火焰溫度加到800℃的時(shí)候，溫度介于AC1與AC3之間，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(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1 000 ℃和1 200 ℃的時(shí)候，溫度超過AC3，珠光體和原始?jí)K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，已完全沒有母材的帶狀分布的軋制特征(圖4c-d)，材料的韌性下降明顯，溫度越高晶粒長大越明顯，晶粒度約為6-7級(jí)。

2.6疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過升降法確定在不同調(diào)修溫度下Q345E鋼指定壽命為5×106次循環(huán)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限，其結(jié)果如圖5所示。疲勞極限升降圖中“×”表示在該應(yīng)力水平下試件未達(dá)到指定壽命時(shí)斷裂，“○”表示在該應(yīng)力水平下試件達(dá)到指定壽命時(shí)未斷裂，所有升降圖都是閉合的[6]，采用公式：σ-1=(1/n)∑niSri計(jì)算各組疲勞極限。

通過升降法確定的各溫度下Q345E的疲勞極限分別為：

(a)700 ℃熱調(diào)修極限疲勞強(qiáng)度為σ-1=(1/n)∑niSri=(257+263×4)/5=261.8 MPa

(b)800 ℃熱調(diào)修極限疲勞強(qiáng)度為σ-1=(1/n)∑niSri=(266+260)/2=263 MPa

(c)1 000 ℃熱調(diào)修極限疲勞強(qiáng)度為σ-1=(1/n)∑niSri=(269+263×3+257)/5=263 MPa

(d)1 200 ℃熱調(diào)修極限疲勞強(qiáng)度為σ-1=(1/n)∑niSri=(257×2+263×3)/5=260.6 MPa

由上可見，不同調(diào)修溫度下Q345E鋼中值疲勞極限強(qiáng)度相差不大(最大值與最小值僅差2.4 MPa)，由此可知，不同調(diào)修溫度對Q345E鋼的疲勞極限影響不明顯。

圖6是不同調(diào)修溫度構(gòu)架材料Q345E鋼疲勞斷口微觀形貌。由圖6可以看出：試件啟裂處均無夾雜等缺陷，啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋相對清晰，其輻射狀標(biāo)記指向疲勞裂紋源，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，終斷區(qū)斷口形貌大部分顯示為細(xì)小的韌窩結(jié)構(gòu)，特征為空洞聚集。

3　結(jié)語

(1)隨著火焰調(diào)修溫度的升高，Q345E鋼拉伸及沖擊性能均有所下降且沖擊性能下降的較為明顯。

(2)不同調(diào)修溫度下，Q345E鋼彎曲性能良好，硬度及疲勞性能變化不大。

(3)Q345E鋼在700 ℃和800 ℃一次調(diào)修時(shí)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1 000 ℃和1 200 ℃調(diào)修時(shí)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。

(4)綜合各方面結(jié)論推薦Q345E鋼熱調(diào)修溫度為700～800 ℃。

[1]喬磊，張楠.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的火焰矯正[J].機(jī)械,2010(12)：116.

[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(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.

[5]劉兵,梁延德,楊晶,等.火焰矯正工藝參數(shù)的選擇[J]. 金屬熱處理,2008,33(6)：109-112.

[6]高鎮(zhèn)同.疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1986.

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·名詞解釋·

精密模鍛在壓力機(jī)上使用精密模具和模座進(jìn)行模鍛的工藝技術(shù)。適用于制造中、小尺寸的鈦、不銹鋼壓氣機(jī)葉片。型面尺寸精度可控制在0.13毫米以內(nèi)，模鍛后再經(jīng)化學(xué)銑切、磨削和振動(dòng)光飾、拉榫頭等加工工序即可制成葉片。

Influence of rectification temperature on properties of Q345E steel for bogie welded frame

LI Chen, XU Hongji, XIE Ming, DONG Qiang

(College of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, CHN)

Adopt different flame adjusting temperature (700 ℃, 800 ℃ , 1 000 ℃ and 1 200 ℃) for Q345E steel frame material flame repairing, analyze the influence of different flame repairing temperature on its microstructure and properties, the results show that with the flame adjusting temperature rises, the tensile and impact properties of the Q345E steel has declined and the impact of performance degradation is more obvious; Q345E steel bending performance is good, hardness and fatigue performance changes little in different adjusting temperature, the microstructure of Q345E steel at 700 ℃ and 800 ℃ is similar to the base material without adjusting, along the rolling direction distribution of ferrite and pearlite, but its microstructure is bulky polygons blocky ferrite and pearlite at 1 000 ℃ and 1 200 ℃, which has no base material characteristics of the distribution of the parent metal strip rolling and grain grows up, so the appropriate heat adjusting temperature is 700～800 ℃ which should not exceed 1 000 ℃.

flame repairing temperature; Q345E steel; organization and mechanical properties

TG441.8

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.020

李晨，男，1989年生，研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料的連接。

(編輯汪藝)(2016-03-29)

160729