火焰調(diào)修工藝對轉(zhuǎn)向架用鋼SMA490BW性能的影響

韓永彬，張志毅，崔 明，李丹丹，茍國慶

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

火焰調(diào)修工藝對轉(zhuǎn)向架用鋼SMA490BW性能的影響

韓永彬1，張志毅1，崔 明1，李丹丹2，茍國慶3

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

采用火焰調(diào)修工藝對高速動車組轉(zhuǎn)向架用鋼SMA490BW材料進(jìn)行了變形調(diào)修，并對不同加熱溫度后進(jìn)行噴水冷卻的材料組織和性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：經(jīng)火焰調(diào)修后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率都滿足SMA490BW規(guī)定的要求，呈延性斷裂特征，未改變材料斷裂的特征屬性。隨著火焰加熱溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化不大，斷后伸長率有所降低。當(dāng)火焰加熱溫度為750℃～850℃時，處于Ac1與Ac3的雙相區(qū)，冷卻后的組織為細(xì)化的鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體以及少量的原始塊狀鐵素體。當(dāng)溫度達(dá)到900℃時，加熱溫度超過Ac3，由于奧氏體快速冷卻形成的貝氏體含量增加，導(dǎo)致材料沖擊韌性降低。退火工藝對金相組織結(jié)構(gòu)沒有影響，但可以消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，從而改善塑性和韌性。

火焰調(diào)修工藝；噴水冷卻；延性斷裂；Ac31；退火工藝

0 前言

焊接變形是指構(gòu)件在焊接過程中經(jīng)歷不均勻的加熱和冷卻后殘留在構(gòu)件中的宏觀塑性變形[1-2]。焊接變形不僅影響結(jié)構(gòu)尺寸和安裝精度，而且變形大時會顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至引發(fā)安全事故。盡管在焊接生產(chǎn)過程中已采取許多措施防止焊接變形，如剛性固定、反變形、優(yōu)化焊接順序等，但由于影響焊接變形的因素較多，焊接變形難以避免。因此，焊后需對焊件變形進(jìn)行矯正處理。在焊接構(gòu)件火焰矯正過程中，火焰加熱和冷卻會導(dǎo)致材料組織和性能發(fā)生變化。不同的調(diào)修工藝和冷卻方式對材料組織和性能的影響也不一樣，同時會對部件的內(nèi)應(yīng)力和殘余變形產(chǎn)生重要影響[3-5]。

在此對新一代高速動車組轉(zhuǎn)向架用鋼SMA490BW低合金結(jié)構(gòu)鋼板材進(jìn)行試驗，測試和對比分析調(diào)修后的材料性能，并對目前正在使用的調(diào)修工藝進(jìn)行評估、改進(jìn)，以減少火焰熱循環(huán)作用對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，減少結(jié)構(gòu)的殘余變形，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

構(gòu)架材料為SMA490BW板材，規(guī)格350 mm× 300mm×16mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 火焰加熱工藝

采用丙烷氣體火焰加熱方式，焊炬型號G01-100-05，丙烷壓力0.2 MPa，氧氣壓力0.8 MPa，燃燒比α＝1.1～1.2(中性焰)。沿試板長度方向在試板中心線上進(jìn)行火焰加熱，加熱區(qū)寬度30 mm。加熱至設(shè)定溫度后采用噴水冷卻方式。火焰調(diào)修工藝參數(shù)見表3。

表1 SMA490BW板材化學(xué)成分 %

表2 SMA490BW板材力學(xué)性能

表3 火焰調(diào)修工藝參數(shù)

1.2.2 機(jī)械性能試驗和金相檢驗方法

試板經(jīng)過火焰加熱和冷卻處理后進(jìn)行破壞性檢驗，包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度與微觀組織分析，所有試驗內(nèi)容參照ISO15614要求進(jìn)行。

硬度測定參照GB／T2654在HV-10型小負(fù)荷維氏硬度計上完成，測點(diǎn)分別位于火焰加熱區(qū)、熱影響區(qū)和母材。載荷10 kg，保荷時間15 s。

在OLYMPUS-X51顯微鏡和JSM6360LV掃描電鏡上觀察金相組織，在JSM6360LV掃描電鏡上完成沖擊斷口分析。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 火焰調(diào)修對材料機(jī)械性能的影響

2.1.1 拉伸試驗結(jié)果

經(jīng)不同火焰加熱溫度處理后再進(jìn)行噴水冷卻的拉伸試驗結(jié)果見表4，試件拉伸斷裂后的宏觀形貌如圖1所示。顯然，拉伸試件斷裂前都呈明顯的縮頸現(xiàn)象，為延性斷裂性質(zhì)。拉伸破斷位置大都位于母材區(qū)，只有個別退火試件在加熱區(qū)及附近破斷。

根據(jù)表4繪制的火焰加熱溫度、噴水冷卻后的處理狀態(tài)與拉伸性能之間的關(guān)系如圖2所示。

表4 不同溫度火焰調(diào)修后的拉伸試驗結(jié)果

圖1 試件拉伸斷裂后的宏觀形貌

由圖2可知，隨著火焰加熱溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大，斷后伸長率有所降低。比較非退火態(tài)和退火態(tài)可知，試板經(jīng)火焰調(diào)修后再進(jìn)行退火處理，其抗拉強(qiáng)度略有降低，屈服強(qiáng)度變化很小，斷后伸長率有所提高。

2.1.2 彎曲試驗結(jié)果

經(jīng)不同的火焰加熱溫度處理后再進(jìn)行水冷彎曲試驗，結(jié)果見表5，所有試件經(jīng)180°彎曲后完好。

2.1.3 沖擊試驗結(jié)果

圖2 火焰加熱溫度、水冷后處理狀態(tài)對材料強(qiáng)度與塑性的影響

表5 不同溫度火焰調(diào)修后的彎曲試驗結(jié)果

經(jīng)不同的火焰加熱溫度處理后再進(jìn)行風(fēng)冷沖擊試驗，結(jié)果如表6所示，其中編號11～13為非退火狀態(tài)，編號14～16為退火狀態(tài)。根據(jù)表6試驗數(shù)據(jù)繪制的火焰加熱溫度、噴水冷卻后的處理狀態(tài)與沖擊功之間的關(guān)系如圖3所示。

表6 火焰調(diào)修工藝參數(shù)

圖3 水冷狀態(tài)下加熱溫度與沖擊功的關(guān)系

由圖3可知：當(dāng)火焰加熱后采用水冷方式時，在非退火條件下，隨著火焰加熱溫度的升高，火焰加熱區(qū)的沖擊功呈明顯下降態(tài)勢。當(dāng)火焰加熱溫度超過850℃后，室溫、0℃和-40℃下的平均沖擊功均低于母材的沖擊功，尤其是當(dāng)加熱溫度達(dá)到900℃時，火焰加熱區(qū)的平均沖擊功僅為25 J(-40℃)，斷口形貌如圖4所示：在-40℃溫度下，火焰加熱區(qū)沖擊斷口為解理+準(zhǔn)解理并有極少量的韌窩形貌。隨著加熱溫度的升高，熱影響區(qū)的沖擊功沒有明顯變化，甚至高于母材的沖擊功。由此可見，SMA490BW鋼進(jìn)行火焰調(diào)修時，火焰加熱溫度應(yīng)不高于850℃為宜。

2.2 火焰調(diào)修對材料硬度的影響

通過測試發(fā)現(xiàn)，在試板的火焰加熱面一側(cè)，火焰直接加熱區(qū)的硬度最高(236 HV)，熱影響區(qū)次之，母材硬度最低。由于火焰加熱的深度有限，所以試板背面一側(cè)的硬度沒有變化，與母材硬度基本相同。

圖4 -40℃下沖擊斷口形貌

2.3 火焰調(diào)修對材料金相組織的影響

經(jīng)不同的火焰加熱溫度處理后再進(jìn)行水冷的加熱區(qū)金相組織如圖5、圖6所示，其中圖5為非退火狀態(tài)，圖6為退火狀態(tài)。

采用噴水方式冷卻時，不同加熱溫度經(jīng)噴水冷卻后的試樣金相組織如圖5所示。當(dāng)火焰加熱溫度為750℃時，其溫度剛過Ac1點(diǎn)，部分珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體。由于冷卻速度很快，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w，但數(shù)量不多。珠光體逐漸從條帶狀變?yōu)閺浬⒎植紶顟B(tài)，冷卻后的組織與母材相比差別不大，因此力學(xué)性能也與母材相似。當(dāng)加熱溫度為850℃時，組織為雙相區(qū)，接近Ac3點(diǎn)。珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著溫度的升高，大部分塊狀鐵素體逐步被奧氏體溶解，噴水冷卻時形成的粒狀貝氏體含量也逐漸增加，冷卻后組織為細(xì)小的多邊形鐵素體、珠光體和部分粒狀貝氏體，使材料塑性和韌性有所下降。當(dāng)火焰加熱溫度升為900℃時，超過Ac3點(diǎn)，珠光體和鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體，快速冷卻后組織中的粒狀貝氏體含量進(jìn)一步增加，使材料的沖擊韌性降低。

圖5 非退火狀態(tài)下的金相組織

在水冷條件下，不同溫度下火焰調(diào)修后的試件經(jīng)過600℃退火處理后的組織如圖6所示。與空冷條件下相同，退火后組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，但可以消除材料中的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，從而改善材料的塑性和韌性。

3 結(jié)論

(1)與SMA490BW母材拉伸性能相比，經(jīng)火焰調(diào)修后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率都滿足SMA490BW規(guī)定范圍的要求，呈延性斷裂特征。隨著火焰加熱溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不明顯，斷后伸長率有所降低。經(jīng)退火處理后，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低，延伸率增加。

(2)試件彎曲后無論是火焰加熱區(qū)的正面還是背面都為受拉面，試件經(jīng)180°彎曲后全部完好，沒有出現(xiàn)裂紋等宏觀損傷現(xiàn)象。

圖6 退火狀態(tài)下的金相組織

(3)隨著火焰加熱溫度的升高，熱影響區(qū)沖擊功變化不大，但火焰直接加熱區(qū)的沖擊功下降趨勢明顯。試驗表明火焰加熱溫度應(yīng)不高于850℃為宜，如果選擇水冷方式，則火焰調(diào)修后最好進(jìn)行退火處理。

(4)火焰加熱區(qū)的硬度最高(236 HV)，熱影響區(qū)次之，母材硬度最低。

(5)火焰調(diào)修后在水冷條件下，當(dāng)火焰加熱溫度為750℃～850℃時，處于Ac1與Ac3的雙相區(qū)，冷卻后的組織為細(xì)化的鐵素體、珠光體和少量粒狀貝氏體以及少量的原始塊狀鐵素體。當(dāng)溫度達(dá)到900℃時，加熱溫度超過Ac3，由于奧氏體快速冷卻形成的貝氏體含量增加，導(dǎo)致材料沖擊韌性降低。

(6)退火工藝對金相組織結(jié)構(gòu)沒有影響，但可以消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，從而改善塑性和韌性。

[1]拉達(dá)伊D.焊接熱效應(yīng)，溫度場、殘余應(yīng)力、變形[M].熊第京，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]邵永帥，劉少寬，關(guān) 川.鋼結(jié)構(gòu)變形的火焰矯正方法[J].石油化工設(shè)備，2010，39(4)：59-60.

[3]楊滌心，孫遠(yuǎn)方.火焰矯正溫度對低合金高強(qiáng)鋼焊件組織及性能的影響[J].金屬熱處理，2011，36(8)：29-33.

[4]隋紅心.鋁合金車體焊接變形火焰調(diào)修技術(shù)[J].長春大學(xué)學(xué)報，2005，15(6)：10-12.

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Research on the influence of SMA490BW properties by flame adjustment for bogies

HAN Yong-bin1，ZHANG Zhi-yi1，CU Ming1，LI Dan-dan2，GOU Guo-qing3
(1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Material Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China；3.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Flame adjustment technology was employed to rectify the welding distortion of SMA490BW for bogies，and the material＇s morphology and properties cooled by water spraying with different heating temperature were analyzed，too.The results showed that yield strength，tensile strength and elongation all meet the standard and show ductile fracture feature，which didn＇t change the material properties.The yield strength，tensile strength was almost the same as before.The elongation was decreased littile.When the heating temperature was about 750℃～850℃，the morphology was double phase at Ac1 and Ac3.The cooled morphology was refined ferrite，pearlite，a small amount granular bainite and original ferrite.When the temperature was higher than 900℃and Ac3 temperature，the content of bainite was increased by the austenite fast cooling，so the impact toughness decreased.The annealing process didn't influence the morphology，but can eliminate the inter stress and decreased hardness，then can improve the plastic and toughness properties.Key words：flame adjustion technology；water spraying；ductile fracture；Ac3；annealing process

TG457.11

A

1001-2303(2012)07-0055-06

2011-12-05；

2012-07-07

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A07)

韓永彬(1978—)，男，山東曹縣人，學(xué)士，主要從事轉(zhuǎn)向架焊接工藝研究工作。