S355J2W耐候鋼火焰矯正區組織與性能

Abstract：In high dynamic car bogie frame S355J2W weathering resistant steel as the research object， heating furnace simulate fire heating experiment conducted at different temperature to analysis microstructure by metallographic microscope and scanning electron microscopy， through the tensile， bending， impact， micro-hardness experiment to carry out mechanical performance research. The results show that： simulation temperature control in 700 ℃， S355J2W has the best mechanical properties， hardness value and the tensile performance is minimal decline than the mother material ， impact performance is far higher than the minimum impact of the weathering resistant steel. The microstructure of the simulation heating areas is mainly for the ferrite， group of the floe pearlite and a small amount of retained austenite， and all the grains have been refined.

Keywords： S355J2W weathering resistant steel， bogie frame， simulation， microstructure， mechanical properties

以高速動車轉向架構架用耐候鋼S355J2W為研究對象，在不同溫度爐內加熱來模擬火焰加熱實驗，采用掃描電鏡進行微觀組織分析，通過拉伸、彎曲、沖擊、顯微硬度進行力學性能分析研究。結果表明：熱模擬爐溫控制在700℃時，S355J2W有最優的力學性能，硬度值和拉伸性能較母材下降幅度最小，沖擊性能遠高于此耐候鋼鋼材本身要求的最低沖擊值。模擬加熱區微觀組織主要為鐵素體、團絮狀的珠光體和少量的殘余奧氏體，晶粒有所細化。

用于高速列車轉向架構架是復雜動負荷的主要承載構件，該動負荷又隨速度的提高而明顯增強。因此，要求該焊接構架有足夠的強度和疲勞性能，以便減輕自重，實現低動力作用和確保運行安全可靠。由于我國鐵路運行環境要經受南方大氣腐蝕和北方的低溫環境（-40℃）的考驗，因此構架材質需要有抗腐蝕和耐低溫的性能。S355J2W鋼根據使用標準EN10025-5-2004，屬于耐候結構鋼，廣泛用于鐵路客車轉向架構架結構。國內長春軌道客車廠在制造時速380 km/h 動車組、香港地鐵和北京地鐵十五號線轉向架焊接構架時即采用了這種鋼材[1-4]。由于構架在加工和焊接過程中不可避免會發生變形，沿用機械矯正變形的方法費時費力，而且不能保證質量。采用火焰（氧—乙炔）矯正金屬變形法，在國內外生產中早已顯示出不可忽視的重要性。本文通過在4種溫度控制下爐內加熱模擬火焰加熱來對S355J2W耐候鋼進行微觀組織和力學性能分析，探討最適合的火焰矯正溫度，用于指導工廠加工實踐。

一、試驗材料及方法

1.試驗材料

實驗材料選用厚度為12mm的S355J2W耐候鋼，其化學成分見表1，機械性能見表2：

表1 S355J2W鋼板化學成分（質量分數，%）

2.試驗方案

為了選出合適的火焰矯正溫度參數，實驗過程中將式樣分為四組，加熱爐控制溫度分別為800℃、750℃、700℃、650℃。加熱爐溫達到指定溫度后保溫10分鐘，以確保試件充分熱透并加熱均勻。保溫后將試件取出在室溫下空冷。在此加熱過程中通過加熱爐的電子顯示屏和紅外溫度測量儀同時跟蹤加熱過程，以確保加熱溫度的準確。在冷卻過程中用紅外溫度測量儀跟蹤冷卻過程。將四組不同溫度下加熱的試件分別標記為W1、W2、W3、W4。為了便于與原始材料比較，將為加熱的S355J2W試件標記為W0，通過顯微組織分析和力學性能研究來找出最優的火焰矯正溫度參數。

二、試驗結果及分析

1.拉伸試驗

拉伸試驗依據BS EN10002—1—2001金屬材料拉伸試驗標準按照室溫下的測試方法進行，試驗過程中為確保數據的科學性將不同模擬溫度下的試件各取2件取平均值，試驗中加熱組織的拉伸性能詳見表3。

由試驗結果比較我們可以看出W1經過800℃加熱后的屈服強度已經明顯降低，且遠低于母材。抗拉強度雖然處于S355J2W所要求的區間，但其強度值也明顯低于S355J2W，其它加熱試件與未加熱的材質比較在拉伸性能方面無明顯差別。延伸率都略高于未加熱的S355J2W。W3經過700℃加熱后有最大的延伸率，其屈服強度也與未加熱的W0接近，表現出較好的綜合拉伸性能。

2.顯微硬度試驗

顯微硬度試驗按照BS EN ISO 6507-1：2005金屬材料硬度試驗方法進行，在每個試樣不同位置進行顯微硬度測量取平均值，各試樣的顯微硬度值見表4。有試驗結果我們可以看成相比較于W0，其它試樣的硬度值不同程度上已經下降。W1的硬度下降幅度最大，達到43%，W2的硬度下降幅度次之為30%，W3的下降幅度為10%，W4的下降幅度為20%。這說明在模擬火焰矯正過程中溫度過高已經導致材料明顯的軟化，因此在火焰矯正過程中必須嚴格控制加熱溫度，避免因溫度過高導致材料的軟化。但并不是說加熱溫度越低越好，在W3和W4的硬度數據中可以看成，W4的硬度比W3低，W3的硬度下降幅度較小，與W0比較接近，因此加熱溫度應該控制在一定的溫度范圍內不能過高也不能過低。

3.沖擊試驗

沖擊試驗按照 EN 10 045-1： 1990 E金屬材料沖擊試驗方法進行，試樣開“V”型破口后在沖擊試驗機上進行，每種加熱規范的試樣分別在-40℃、-20℃、0℃、20℃下進行，各試驗溫度下分別取三個試樣，試驗結果取平均值。試驗結果見表5。由數據我們可以看出在-40℃時W3的沖擊功達到199.3J，遠遠高于其他三組試樣的沖擊功，這說明經過700℃加熱處理后的試樣表現出優異的低溫沖擊性能，也遠遠高于材料本身所要求的最低沖擊值。其他三組試樣的沖擊值雖然也較材料本身要求的沖擊值高，但相對于試樣W3也相差較大。在-20℃時，各組的沖擊功相對較高，除W2的沖擊值較低外，其他三組比較接近。在0℃和20℃時，各組的沖擊功都很高且比較接近。綜合以上，我們可以得出：W3在低溫時有最高的沖擊數值，在高溫時沖擊性能也很好，因而表現出最佳的沖擊性能。

4.顯微組織

圖2分別是各個試樣在掃描電鏡下放大2000倍的顯微組織，從圖中可以看成組織的主要成分仍然是鐵素體和珠光體。圖2（a）中，珠光體的成分明顯減少，且組織內部已經破碎，被部分殘余奧氏體填充。圖2（b）中，珠光體的成分仍然不多，但組織相對緊實，且內部沒有明顯的殘余奧氏體的存在，晶界清晰，鐵素體組織的成分仍然占較大比重。從中圖2（c）可以見到大塊緊實的珠光體組織，且內部沒有參雜其他的成分，晶粒也有所細化，晶界出有明顯呈彌散分布的粒狀組織，晶界清晰。圖2（d）中粒狀分別的彌散組織不再明顯。

三、結論

（1）熱模擬爐溫控制在700℃時，S355J2W有最優的力學性能，硬度值和拉伸性能較母材下降幅度最小，彎曲性能完全復合要求，沖擊性能遠高于此耐候鋼鋼材本身要求的最低沖擊值。

（2）熱模擬爐溫控制在700℃時，模擬加熱區微觀組織主要為鐵素體、團絮狀的珠光體和少量的殘余奧氏體，晶粒有所細化，晶界出有明顯呈彌散分布的粒狀組織，晶界清晰。

參考文獻：

[1]劉學. S355J2W耐候鋼火焰矯正區組織與性能[D].吉林大學，2013.

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[4]臧傳寶.熱變形工藝對S355鋼板相變行為的影響[J].物理測試，2005，23（3）：38-40.