火焰调修工艺对转向架用钢SMA490BW性能的影响

韩永彬，张志毅，崔 明，李丹丹，苟国庆

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028；3.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

火焰调修工艺对转向架用钢SMA490BW性能的影响

韩永彬1，张志毅1，崔 明1，李丹丹2，苟国庆3

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028；3.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

采用火焰调修工艺对高速动车组转向架用钢SMA490BW材料进行了变形调修，并对不同加热温度后进行喷水冷却的材料组织和性能进行研究。结果表明：经火焰调修后，屈服强度、抗拉强度和延伸率都满足SMA490BW规定的要求，呈延性断裂特征，未改变材料断裂的特征属性。随着火焰加热温度的升高，材料的屈服强度、抗拉强度变化不大，断后伸长率有所降低。当火焰加热温度为750℃～850℃时，处于Ac1与Ac3的双相区，冷却后的组织为细化的铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体以及少量的原始块状铁素体。当温度达到900℃时，加热温度超过Ac3，由于奥氏体快速冷却形成的贝氏体含量增加，导致材料冲击韧性降低。退火工艺对金相组织结构没有影响，但可以消除内应力，降低硬度，从而改善塑性和韧性。

火焰调修工艺；喷水冷却；延性断裂；Ac31；退火工艺

0 前言

焊接变形是指构件在焊接过程中经历不均匀的加热和冷却后残留在构件中的宏观塑性变形[1-2]。焊接变形不仅影响结构尺寸和安装精度，而且变形大时会显著降低结构的承载能力，甚至引发安全事故。尽管在焊接生产过程中已采取许多措施防止焊接变形，如刚性固定、反变形、优化焊接顺序等，但由于影响焊接变形的因素较多，焊接变形难以避免。因此，焊后需对焊件变形进行矫正处理。在焊接构件火焰矫正过程中，火焰加热和冷却会导致材料组织和性能发生变化。不同的调修工艺和冷却方式对材料组织和性能的影响也不一样，同时会对部件的内应力和残余变形产生重要影响[3-5]。

在此对新一代高速动车组转向架用钢SMA490BW低合金结构钢板材进行试验，测试和对比分析调修后的材料性能，并对目前正在使用的调修工艺进行评估、改进，以减少火焰热循环作用对结构整体性能的影响，减少结构的残余变形，确保结构强度。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

构架材料为SMA490BW板材，规格350 mm× 300mm×16mm，其化学成分和力学性能见表1、表2。

1.2 试验方法

1.2.1 火焰加热工艺

采用丙烷气体火焰加热方式，焊炬型号G01-100-05，丙烷压力0.2 MPa，氧气压力0.8 MPa，燃烧比α＝1.1～1.2(中性焰)。沿试板长度方向在试板中心线上进行火焰加热，加热区宽度30 mm。加热至设定温度后采用喷水冷却方式。火焰调修工艺参数见表3。

表1 SMA490BW板材化学成分 %

表2 SMA490BW板材力学性能

表3 火焰调修工艺参数

1.2.2 机械性能试验和金相检验方法

试板经过火焰加热和冷却处理后进行破坏性检验，包括拉伸、弯曲、冲击、硬度与微观组织分析，所有试验内容参照ISO15614要求进行。

硬度测定参照GB／T2654在HV-10型小负荷维氏硬度计上完成，测点分别位于火焰加热区、热影响区和母材。载荷10 kg，保荷时间15 s。

在OLYMPUS-X51显微镜和JSM6360LV扫描电镜上观察金相组织，在JSM6360LV扫描电镜上完成冲击断口分析。

2 试验结果和分析

2.1 火焰调修对材料机械性能的影响

2.1.1 拉伸试验结果

经不同火焰加热温度处理后再进行喷水冷却的拉伸试验结果见表4，试件拉伸断裂后的宏观形貌如图1所示。显然，拉伸试件断裂前都呈明显的缩颈现象，为延性断裂性质。拉伸破断位置大都位于母材区，只有个别退火试件在加热区及附近破断。

根据表4绘制的火焰加热温度、喷水冷却后的处理状态与拉伸性能之间的关系如图2所示。

表4 不同温度火焰调修后的拉伸试验结果

图1 试件拉伸断裂后的宏观形貌

由图2可知，随着火焰加热温度的升高，材料的屈服强度和抗拉强度变化不大，断后伸长率有所降低。比较非退火态和退火态可知，试板经火焰调修后再进行退火处理，其抗拉强度略有降低，屈服强度变化很小，断后伸长率有所提高。

2.1.2 弯曲试验结果

经不同的火焰加热温度处理后再进行水冷弯曲试验，结果见表5，所有试件经180°弯曲后完好。

2.1.3 冲击试验结果

图2 火焰加热温度、水冷后处理状态对材料强度与塑性的影响

表5 不同温度火焰调修后的弯曲试验结果

经不同的火焰加热温度处理后再进行风冷冲击试验，结果如表6所示，其中编号11～13为非退火状态，编号14～16为退火状态。根据表6试验数据绘制的火焰加热温度、喷水冷却后的处理状态与冲击功之间的关系如图3所示。

表6 火焰调修工艺参数

图3 水冷状态下加热温度与冲击功的关系

由图3可知：当火焰加热后采用水冷方式时，在非退火条件下，随着火焰加热温度的升高，火焰加热区的冲击功呈明显下降态势。当火焰加热温度超过850℃后，室温、0℃和-40℃下的平均冲击功均低于母材的冲击功，尤其是当加热温度达到900℃时，火焰加热区的平均冲击功仅为25 J(-40℃)，断口形貌如图4所示：在-40℃温度下，火焰加热区冲击断口为解理+准解理并有极少量的韧窝形貌。随着加热温度的升高，热影响区的冲击功没有明显变化，甚至高于母材的冲击功。由此可见，SMA490BW钢进行火焰调修时，火焰加热温度应不高于850℃为宜。

2.2 火焰调修对材料硬度的影响

通过测试发现，在试板的火焰加热面一侧，火焰直接加热区的硬度最高(236 HV)，热影响区次之，母材硬度最低。由于火焰加热的深度有限，所以试板背面一侧的硬度没有变化，与母材硬度基本相同。

图4 -40℃下冲击断口形貌

2.3 火焰调修对材料金相组织的影响

经不同的火焰加热温度处理后再进行水冷的加热区金相组织如图5、图6所示，其中图5为非退火状态，图6为退火状态。

采用喷水方式冷却时，不同加热温度经喷水冷却后的试样金相组织如图5所示。当火焰加热温度为750℃时，其温度刚过Ac1点，部分珠光体转变成奥氏体。由于冷却速度很快，部分奥氏体转变为粒状贝氏体，但数量不多。珠光体逐渐从条带状变为弥散分布状态，冷却后的组织与母材相比差别不大，因此力学性能也与母材相似。当加热温度为850℃时，组织为双相区，接近Ac3点。珠光体完全转变为奥氏体，随着温度的升高，大部分块状铁素体逐步被奥氏体溶解，喷水冷却时形成的粒状贝氏体含量也逐渐增加，冷却后组织为细小的多边形铁素体、珠光体和部分粒状贝氏体，使材料塑性和韧性有所下降。当火焰加热温度升为900℃时，超过Ac3点，珠光体和铁素体完全转变为单相奥氏体，快速冷却后组织中的粒状贝氏体含量进一步增加，使材料的冲击韧性降低。

图5 非退火状态下的金相组织

在水冷条件下，不同温度下火焰调修后的试件经过600℃退火处理后的组织如图6所示。与空冷条件下相同，退火后组织结构不发生变化，但可以消除材料中的内应力，降低硬度，从而改善材料的塑性和韧性。

3 结论

(1)与SMA490BW母材拉伸性能相比，经火焰调修后，屈服强度、抗拉强度和延伸率都满足SMA490BW规定范围的要求，呈延性断裂特征。随着火焰加热温度的升高，材料的屈服强度和抗拉强度变化不明显，断后伸长率有所降低。经退火处理后，其抗拉强度和屈服强度有所降低，延伸率增加。

(2)试件弯曲后无论是火焰加热区的正面还是背面都为受拉面，试件经180°弯曲后全部完好，没有出现裂纹等宏观损伤现象。

图6 退火状态下的金相组织

(3)随着火焰加热温度的升高，热影响区冲击功变化不大，但火焰直接加热区的冲击功下降趋势明显。试验表明火焰加热温度应不高于850℃为宜，如果选择水冷方式，则火焰调修后最好进行退火处理。

(4)火焰加热区的硬度最高(236 HV)，热影响区次之，母材硬度最低。

(5)火焰调修后在水冷条件下，当火焰加热温度为750℃～850℃时，处于Ac1与Ac3的双相区，冷却后的组织为细化的铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体以及少量的原始块状铁素体。当温度达到900℃时，加热温度超过Ac3，由于奥氏体快速冷却形成的贝氏体含量增加，导致材料冲击韧性降低。

(6)退火工艺对金相组织结构没有影响，但可以消除内应力，降低硬度，从而改善塑性和韧性。

[1]拉达伊D.焊接热效应，温度场、残余应力、变形[M].熊第京，译.北京：机械工业出版社，1997.

[2]邵永帅，刘少宽，关 川.钢结构变形的火焰矫正方法[J].石油化工设备，2010，39(4)：59-60.

[3]杨涤心，孙远方.火焰矫正温度对低合金高强钢焊件组织及性能的影响[J].金属热处理，2011，36(8)：29-33.

[4]隋红心.铝合金车体焊接变形火焰调修技术[J].长春大学学报，2005，15(6)：10-12.

[5]姜 澜，王炎金，刘爱军，等.火焰矫形对高速列车用铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2003，24(2)：59-61.

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

国家科技支撑计划资助项目(2009BAG12A07)

韩永彬(1978—)，男，山东曹县人，学士，主要从事转向架焊接工艺研究工作。