調修溫度對轉向架焊接構架Q345E鋼組織與性能的影響

李　晨　許鴻吉　謝　明　董　強

(大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

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調修溫度對轉向架焊接構架Q345E鋼組織與性能的影響

李晨許鴻吉謝明董強

(大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

采用不同的火焰調修溫度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)對構架材料Q345E鋼進行火焰調修，分析了不同的火焰調修溫度對其組織與性能的影響。研究結果表明：隨著火焰調修溫度的升高，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 ℃一次調修時其顯微組織與未經調修的母材相當，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 ℃調修時其顯微組織為粗大的多邊形塊狀鐵素體和珠光體，已完全沒有未經調修的母材呈帶狀分布的軋制特征且晶粒有所長大，故合適的熱調修溫度為700～800 ℃，不宜超過1 000 ℃。

火焰調修溫度；Q345E鋼；組織與性能

國內外客車轉向架構架，尤其是高速列車轉向架構架，其主流形式都是焊接構架。焊接構架的應用對于減輕列車的自重，提高列車的運行速度起到十分重要的作用。轉向架焊接構架在焊接后會產生一定的變形，如果不予以矯正，不僅影響結構整體安裝，還會降低設備的安全可靠性[1-2]。為此，高速列車轉向架焊接構架制造中焊接變形受到國內外高速列車制造企業的高度重視。生產中除了通過采用相應的工藝控制焊接變形外，往往通過火焰調修來矯正焊接變形。其原理是根據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產生的焊接變形[3-4]。在一般情況下轉向架構架材料的熱調修溫度推薦600 ℃，但現實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向架焊接構架的變形[5]。為了提高高速列車轉向架焊接構架制造質量，本文研究了不同火焰調修溫度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)對轉向架構架材料Q345E鋼的組織與力學性能的影響規律，以確定其合理的熱調修溫度。

1　試驗材料與方法

試驗的構架材料選用板厚為14 mm的Q345E結構鋼，其化學成分及力學性能如表1所示。

分別在不同調修溫度下對構架材料進行熱調修，調修時使用氧乙炔火焰加熱試板，并用型號為LINI-T的紅外線測溫儀確定調修溫度。試板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm，試板上火焰調修溫度區間為80 mm。

試板經火焰調修后分別機械加工成拉伸、彎曲、沖擊、硬度和疲勞等力學性能及金相試驗所需的試件對不同調修溫度下火焰熱調修區間處進行相關試驗：室溫拉伸試驗按照GB-T 2651-2008標準；彎曲試驗按照GB-T 2653-2008標準；沖擊試驗分別在室溫和-40 ℃下進行，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行；硬度試驗按照GB-T4340.1-2009《金屬顯微維氏硬度標準》，利用FM-700型顯微硬度儀測量不同調修溫度下Q345E鋼熱調修區間的維氏硬度，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，硬度儀的參數設置為：載荷200 gf(1.96 N)，保持時間15 s，步長500 μm；金相試件在熱調修區間中間處選取，腐蝕液為4%硝酒精酸溶液；疲勞試驗參照 GB2656-8 《焊接金屬和焊接接頭的疲勞試驗方法》進行。

2　試驗結果與分析

2.1拉伸試驗結果

不同調修溫度火焰調修后Q345E結構鋼拉伸試驗結果如表2所示。

由表2可以看出，不同調修溫度對構架材料Q345E鋼抗拉強度和屈服強度、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(見表1)。隨著火焰調修溫度升高，Q345E鋼抗拉強度及塑性(伸長率和斷面收縮率)均略有下降，其原因是火焰調修溫度升高破壞了母材原有的帶狀組織，使調修區間處組織變得粗大降低強度(如后所述)，又由于火焰調修溫度會影響材料的塑性，為使材料有足夠的塑性儲備，調修時應使用較低溫度。

圖1是不同調修溫度構架材料Q345E鋼拉伸斷口微觀形貌。由圖1可以看出：不同調修溫度一次調修構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彎曲試驗結果

不同調修溫度火焰調修后Q345E鋼彎曲試驗結果如表3所示。

表1Q345E鋼的化學成分(質量分數，%)及力學性能

材質CMnSiPSTiAlNb屈服強度Rp0.2/MPa抗拉強度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鋼不同調修溫度拉伸試驗結果

構架材料調修溫度/℃抗拉強度Rm/MPa平均值/MPa屈服強度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鋼不同調修溫度彎曲試驗結果

構架材料調修溫度/℃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，不同調修溫度下構架材料彎曲試件彎曲角均達到180°時，試件仍無斷裂或裂紋現象產生，彎曲性能良好。

2.3沖擊試驗結果

不同調修溫度火焰調修后Q345E鋼沖擊試驗結果如表4所示。

將表4中不同調修溫度下室溫與-40 ℃的沖擊功平均值制成Q345E鋼不同調修溫度沖擊功對比圖，如圖2所示。

表4Q345E鋼不同調修溫度沖擊試驗結果

試件號調修溫度/℃試驗溫度/℃沖擊功/J試驗值平均值試件號調修溫度/℃試驗溫度/℃沖擊功/J試驗值平均值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，試驗部位均為熱調修中心處。

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

800 ℃與1 000 ℃熱調修在-40 ℃時沖擊斷口掃描如圖3所示，可以看出圖3a中800 ℃熱調修時的沖擊斷口呈現大小不一的韌窩，而圖3b中的1 000 ℃熱調修時的沖擊斷口則呈現少量韌窩加準解理，由于韌窩不足導致沖擊功嚴重下降。綜上可見熱調修溫度過高Q345E鋼沖擊性能下降。

2.4顯微硬度試驗

不同調修溫度火焰調修后Q345E鋼顯微硬度試驗結果如表5所示。

表5Q345E鋼不同調修溫度顯微硬度試驗結果

構架材料調修溫度/℃測試值/HV12345平均值Q345E70080010001200170170182180179178177181179175176180180178177178182178180179178176178180

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

2.5金相試驗

不同調修溫度火焰調修后Q345E鋼金相試驗結果如圖5所示，放大倍數為500倍。

Q345E低合金鋼在700 ℃和800 ℃調修時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，與未經調修的母材相當。當母材加熱到700 ℃左右時，溫度剛剛達到AC1(727 ℃)帶狀分布的珠光體開始向奧氏體轉變，但由于溫度作用時間短，僅僅有少量的珠光體轉變成細小的奧氏體，冷卻后得到少量的細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度和韌性與母材相近(圖4a)；當火焰溫度加到800℃的時候，溫度介于AC1與AC3之間，珠光體全部轉化為奧氏體，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小鐵素體、原始的塊狀鐵素體和生成的細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密且成帶狀的軋制特征；當火焰溫度達到1 000 ℃和1 200 ℃的時候，溫度超過AC3，珠光體和原始塊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。

2.6疲勞試驗結果

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

通過升降法確定的各溫度下Q345E的疲勞極限分別為：

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

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

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

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

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

圖6是不同調修溫度構架材料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，啟裂區和啟裂擴展區具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞紋相對清晰，其輻射狀標記指向疲勞裂紋源，擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大，終斷區斷口形貌大部分顯示為細小的韌窩結構，特征為空洞聚集。

3　結語

(1)隨著火焰調修溫度的升高，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 ℃一次調修時其顯微組織為沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體和珠光體，與未經調修的母材相當；而在1 000 ℃和1 200 ℃調修時其顯微組織為粗大的多邊形塊狀鐵素體和珠光體，已完全沒有未經調修的母材呈帶狀分布的軋制特征且晶粒有所長大。

(4)綜合各方面結論推薦Q345E鋼熱調修溫度為700～800 ℃。

[1]喬磊，張楠.鋼結構焊接變形的火焰矯正[J].機械,2010(12)：116.

[2]張鑫鑫.對高速列車轉向架焊接構架選材的探討[J].機車車輛工藝,1994(1):96-97.

[3]朱兆華,黃菊花,張庭芳,等.火焰矯正方法在鋼結構中的應用[J].焊接技術，2009(5)：63-64.

[4]周浩森.焊接結構設計手冊[M].北京:機械工業出版社, 1990.

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

[6]高鎮同.疲勞應用統計學[M].北京:國防工業出版社,1986.

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·名詞解釋·

精密模鍛在壓力機上使用精密模具和模座進行模鍛的工藝技術。適用于制造中、小尺寸的鈦、不銹鋼壓氣機葉片。型面尺寸精度可控制在0.13毫米以內，模鍛后再經化學銑切、磨削和振動光飾、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，研究方向為先進材料的連接。

(編輯汪藝)(2016-03-29)

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