奧氏體不銹鋼火焰調修的力學性能研究

袁海堃　郭　猛　黃成海

（中車長春軌道客車股份有限公司工程技術部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

目前，在軌道交通車輛的不銹鋼車體鋼結構實際生產中，為控制車輛的整體尺寸精度，已廣泛應用了火焰調修工藝。火焰調修工藝的溫度控制至關重要，其對奧氏體不銹鋼的力學性能影響巨大。

文獻［1］以高速列車用典型國產4 mm厚SUS301L-HT不銹鋼為研究對象，通過不同溫度條件下的保溫處理并進行噴水急冷，模擬火焰調修對材料強度及抗晶間腐蝕性能的影響。試驗結果表明，調修溫度不大于550℃，并采用水冷的調修工藝能保證SUS301L-HT不銹鋼的機械性能和抗晶間腐蝕性能。文獻［2］針對軌道車輛不銹鋼車體中常用的5種冷軋不銹鋼板，采用不同的火焰調修溫度及冷卻方式進行試驗，得到了加熱、冷卻后的不銹鋼材料力學性能。試驗結果表明，隨著火焰加熱溫度的升高，冷作硬化不銹鋼材料強度相應降低，強度級別越高的材料，強度損失越嚴重。

國內外針對短時火焰調修中加熱溫度區間在700℃以下的相關研究較少。本文以SUS301LDLT/ST/MT/HT系列奧氏體不銹鋼為研究對象，對其進行模擬調修加熱試驗。研究在不同溫度下、不同強度等級材料的拉伸性能和彎曲性能變化規律，從而確定奧氏體不銹鋼火焰調修的合理溫度。研究結果為實際生產提供基礎調修數據和技術支持。

1　試驗材料、方法及設備

1.1　試驗材料

試驗用金屬母材為2 mm厚SUS301L-DLT/ST/MT/HT系列奧氏體不銹鋼板。

1.2　試驗方法及設備

1.2.1試件模擬調修加熱

試樣加熱前先按照金相、拉伸及彎曲的試樣標準尺寸要求進行加工，如圖1所示。之后，對加工后的試樣進行倒角、去毛刺等打磨處理，如圖2所示。再后，采用DRZ-8D型加熱爐（見圖3）對工件進行加熱，加熱最高溫度分別為 200、300、400、500、550、600、700℃，保溫時間5 min，加熱結束后采用快速水冷，如圖4所示。

1.2.2拉伸和彎曲性能測試

按照標準JIS Z 2201—1998《金屬材料拉伸試驗試樣》和JIS Z 2241—1996《金屬材料拉伸試驗方法》，在室溫下用萬能試驗機（見圖5）進行橫向拉伸試驗，每組3個試樣。按照標準JIS Z 2204—1996《金屬材料彎曲試樣》和JIS Z 2248—2006《金屬材料彎曲試驗方法》，在室溫下用萬能試驗機進行正彎試驗，每組3個試樣。

圖1　不銹鋼拉伸、彎曲試樣

圖2　不銹鋼試樣加熱前預處理

圖3　不銹鋼試樣加熱裝置

圖4　不銹鋼試樣加熱后快速水冷

2　力學性能測試

2.1　拉伸試驗

按照標準JIS Z 2201—1998準備試樣，試樣尺寸見圖6。SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼拉伸試驗結果分別如表1至表4所示。根據試驗結果，分別繪制SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼經過不同溫度加熱后強度變化的曲線（見圖7）。從圖7中可以看出，當加熱溫度不超過700℃時，除SUS301L-HT不銹鋼以外，其他3種不銹鋼的抗拉強度和屈服強度均未發生明顯變化；當加熱溫度達到700℃時，SUS301L-HT不銹鋼的抗拉強度和屈服強度開始明顯下降，其主要原因是馬氏體含量產生變化導致的。

圖6　不銹鋼拉伸試樣加工尺寸

表1　SUS301L-DLT不銹鋼拉伸試驗結果

表2　SUS301L-ST不銹鋼拉伸試驗結果

表3　SUS301L-MT不銹鋼拉伸試驗結果

表4　SUS301L-HT不銹鋼拉伸試驗結果

SUS301L不銹鋼中應變馬氏體含量的不同，導致成分相同的不銹鋼材料表現出不同的強度等級。馬氏體就其本質來說是C元素在體心立方晶格α-Fe中的過飽和間隙固溶體，表現為含有大量高密度位錯的晶體結構。隨著加熱溫度的升高，馬氏體中的C元素因自由能的增大，會以化合物的形式不斷析出。馬氏體含量的降低會導致材料屈服強度和抗拉強度隨之降低。

SUS301L-DLT/ST/MT不銹鋼中馬氏體含量較少，當溫度低于700℃時，析出的馬氏體含量不足以影響材料的強度。SUS301L-HT不銹鋼中馬氏體含量高達13%，當溫度達到700℃時，析出的馬氏體量達到了一定程度，致使力學性能產生了比較明顯的降低。

試樣斷裂后的宏觀形貌如圖8所示。大部分試樣從中間附近斷裂，個別試樣斷裂在靠近夾持端，其原因可能是試樣打磨不均勻所致。通過對所有試樣的斷口進行金相分析發現（見圖9），經加熱和未加熱的SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼均呈現明顯的塑形變形特征，斷口形貌均有較細小和均勻的韌窩，屬于典型的韌性斷裂。這說明當調修溫度不超過700℃時，加熱溫度對SUS301L不銹鋼的韌性影響較小。

2.2　彎曲試驗

按照標準JIS Z 2204準備試樣，試樣尺寸為10 mm×20 mm×2 mm。圖10為SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼經過不同溫度加熱后彎曲試驗結果。檢測結果表明，所有試樣均可以做180°彎曲，在彎曲后均不存在斷裂或表面微裂紋。這說明在不超過700℃的調修工藝下，SUS301L不銹鋼的塑性指標不存在顯著變化。

3　結論

對SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼模擬火焰調修加熱（200～700℃）后的力學性能進行測試和分析，主要結論如下：

（1）對于SUS301L-DLT/ST/MT不銹鋼變形強化程度稍低的材料，當加熱溫度不超過700℃時，其強度指標、抗彎曲塑形指標均沒有顯著變化，火焰調修的最高溫度可設為700℃。

圖7　加熱溫度對SUS301L不銹鋼強度的影響

圖8　SUS301L不銹鋼斷裂后宏觀形貌

圖9　SUS301L不銹鋼斷口微觀形貌

（2）對于SUS301L-HT不銹鋼，因其變形強化程度最高，產生的應變馬氏體含量較高。當加熱溫度達到700℃時，其抗彎曲塑形指標沒有發生顯著變化，但抗拉強度和屈服強度損失嚴重，火焰調修的最高溫度不應超過550℃。

圖10　SUS301L不銹鋼試樣彎曲后宏觀形貌

［1］趙延強，劉學之，王素環，等.高速列車用國產不銹鋼材料火焰調修工藝［J］.電焊機，2015，45（8）：40.

［2］韓曉輝，史春元.火焰調修對軌道車輛用冷軋不銹鋼板力學性能的影響［J］.電焊機，2015，45（1）：98.

［3］徐嘉鵬，王東亞.奧氏體不銹鋼強化機理［C］∥第三屆中國功能材料及其應用學術會議論文集.重慶：中國儀器儀表學會，1998.