调修温度对转向架焊接构架Q345E钢组织与性能的影响

李　晨　许鸿吉　谢　明　董　强

(大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)



调修温度对转向架焊接构架Q345E钢组织与性能的影响

李晨许鸿吉谢明董强

(大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

采用不同的火焰调修温度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)对构架材料Q345E钢进行火焰调修，分析了不同的火焰调修温度对其组织与性能的影响。研究结果表明：随着火焰调修温度的升高，Q345E钢拉伸及冲击性能均有所下降且冲击性能下降的较为明显；不同调修温度下，Q345E钢弯曲性能良好，硬度及疲劳性能变化不大；Q345E钢在700 ℃和800 ℃一次调修时其显微组织与未经调修的母材相当，为沿轧制方向呈带状分布的铁素体和珠光体，而在1 000 ℃和1 200 ℃调修时其显微组织为粗大的多边形块状铁素体和珠光体，已完全没有未经调修的母材呈带状分布的轧制特征且晶粒有所长大，故合适的热调修温度为700～800 ℃，不宜超过1 000 ℃。

火焰调修温度；Q345E钢；组织与性能

国内外客车转向架构架，尤其是高速列车转向架构架，其主流形式都是焊接构架。焊接构架的应用对于减轻列车的自重，提高列车的运行速度起到十分重要的作用。转向架焊接构架在焊接后会产生一定的变形，如果不予以矫正，不仅影响结构整体安装，还会降低设备的安全可靠性[1-2]。为此，高速列车转向架焊接构架制造中焊接变形受到国内外高速列车制造企业的高度重视。生产中除了通过采用相应的工艺控制焊接变形外，往往通过火焰调修来矫正焊接变形。其原理是根据金属热胀冷缩的物理性能,利用金属局部受火焰加热后的收缩所引起的新的变形去克服已经产生的焊接变形[3-4]。在一般情况下转向架构架材料的热调修温度推荐600 ℃，但现实情况中在此温度下的焊接变形很难被矫正,因此必须提高火焰矫正温度来矫正转向架焊接构架的变形[5]。为了提高高速列车转向架焊接构架制造质量，本文研究了不同火焰调修温度(700 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃)对转向架构架材料Q345E钢的组织与力学性能的影响规律，以确定其合理的热调修温度。

1　试验材料与方法

试验的构架材料选用板厚为14 mm的Q345E结构钢，其化学成分及力学性能如表1所示。

分别在不同调修温度下对构架材料进行热调修，调修时使用氧乙炔火焰加热试板，并用型号为LINI-T的红外线测温仪确定调修温度。试板尺寸为300 mm×300 mm×14 mm，试板上火焰调修温度区间为80 mm。

试板经火焰调修后分别机械加工成拉伸、弯曲、冲击、硬度和疲劳等力学性能及金相试验所需的试件对不同调修温度下火焰热调修区间处进行相关试验：室温拉伸试验按照GB-T 2651-2008标准；弯曲试验按照GB-T 2653-2008标准；冲击试验分别在室温和-40 ℃下进行，按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行；硬度试验按照GB-T4340.1-2009《金属显微维氏硬度标准》，利用FM-700型显微硬度仪测量不同调修温度下Q345E钢热调修区间的维氏硬度，并使用ORIGIN75软件绘制硬度图，硬度仪的参数设置为：载荷200 gf(1.96 N)，保持时间15 s，步长500 μm；金相试件在热调修区间中间处选取，腐蚀液为4%硝酒精酸溶液；疲劳试验参照 GB2656-8 《焊接金属和焊接接头的疲劳试验方法》进行。

2　试验结果与分析

2.1拉伸试验结果

不同调修温度火焰调修后Q345E结构钢拉伸试验结果如表2所示。

由表2可以看出，不同调修温度对构架材料Q345E钢抗拉强度和屈服强度、伸长率和断面收缩率略有影响，其拉伸性能与Q345E钢母材相当(见表1)。随着火焰调修温度升高，Q345E钢抗拉强度及塑性(伸长率和断面收缩率)均略有下降，其原因是火焰调修温度升高破坏了母材原有的带状组织，使调修区间处组织变得粗大降低强度(如后所述)，又由于火焰调修温度会影响材料的塑性，为使材料有足够的塑性储备，调修时应使用较低温度。

图1是不同调修温度构架材料Q345E钢拉伸断口微观形貌。由图1可以看出：不同调修温度一次调修构架材料拉伸试件所有断口的全貌均呈纤维状，无论是断口的边缘还是中心都由许多大小不一的浅韧窝组成，而且断口中心处的韧窝尺寸较大。

2.2弯曲试验结果

不同调修温度火焰调修后Q345E钢弯曲试验结果如表3所示。

表1Q345E钢的化学成分(质量分数，%)及力学性能

材质CMnSiPSTiAlNb屈服强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/(%)冲击吸收功Akv(-40℃)/JQ345E0.161.310.320.0150.0030.0170.0330.01741954329.5227

表2Q345E钢不同调修温度拉伸试验结果

构架材料调修温度/℃抗拉强度Rm/MPa平均值/MPa屈服强度Rp0.2/MPa平均值/MPa伸长率A/(﹪)平均值/(%)断面收缩率Z/(%)平均值/(%)Q345E70080010001200559562552557550554517553561555552535422438401411403394389389430406399389292930261920182029282019596061565555545260595553

表3Q345E钢不同调修温度弯曲试验结果

构架材料调修温度/℃试件尺寸/mm弯曲厚度/mm压头直径/mm弯曲角/(°)备注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，不同调修温度下构架材料弯曲试件弯曲角均达到180°时，试件仍无断裂或裂纹现象产生，弯曲性能良好。

2.3冲击试验结果

不同调修温度火焰调修后Q345E钢冲击试验结果如表4所示。

将表4中不同调修温度下室温与-40 ℃的冲击功平均值制成Q345E钢不同调修温度冲击功对比图，如图2所示。

表4Q345E钢不同调修温度冲击试验结果

试件号调修温度/℃试验温度/℃冲击功/J试验值平均值试件号调修温度/℃试验温度/℃冲击功/J试验值平均值Q1-3-1Q1-3-2Q1-3-3Q1-3-4Q1-3-5Q1-3-6Q1-3-7Q1-3-8Q1-3-9Q1-3-10700室温-40℃198204195205207152115108136116202125Q3-3-1Q3-3-2Q3-3-3Q3-3-4Q3-3-5Q3-3-6Q3-3-7Q3-3-8Q3-3-9Q3-3-101000室温-40℃124124127130106585862585012260Q2-3-1Q2-3-2Q2-3-3Q2-3-4Q2-3-5Q2-3-6Q2-3-7Q2-3-8Q2-3-9Q2-3-10800室温-40℃18519519720619710092821047219690Q4-3-1Q4-3-2Q4-3-3Q4-3-4Q4-3-5Q4-3-6Q4-3-7Q4-3-8Q4-3-9Q4-3-101200室温-40℃133118120119103533651486011950

注：冲击试件尺寸均为10 mm×10 mm×55 mm，试验部位均为热调修中心处。

由图2可见，当冲击试件的缺口开在热调修加热区时，材料冲击功随着加热温度的升高呈下降趋势，且在700 ℃和800 ℃一次调修冲击性能远高于1 000 ℃和1 200 ℃一次调修。1 000 ℃和1 200 ℃一次调修后冲击性能之所以明显降低，是由于加热温度过高，导致材料发生了相变且晶粒有所长大造成的(如后所述)。

800 ℃与1 000 ℃热调修在-40 ℃时冲击断口扫描如图3所示，可以看出图3a中800 ℃热调修时的冲击断口呈现大小不一的韧窝，而图3b中的1 000 ℃热调修时的冲击断口则呈现少量韧窝加准解理，由于韧窝不足导致冲击功严重下降。综上可见热调修温度过高Q345E钢冲击性能下降。

2.4显微硬度试验

不同调修温度火焰调修后Q345E钢显微硬度试验结果如表5所示。

表5Q345E钢不同调修温度显微硬度试验结果

构架材料调修温度/℃测试值/HV12345平均值Q345E70080010001200170170182180179178177181179175176180180178177178182178180179178176178180

由表5可见，不同调修温度下Q345E钢的硬度值变化并不大，均在175～180 HV之间。

2.5金相试验

不同调修温度火焰调修后Q345E钢金相试验结果如图5所示，放大倍数为500倍。

Q345E低合金钢在700 ℃和800 ℃调修时其显微组织为沿轧制方向呈带状分布的铁素体和珠光体，晶粒度约为8～9级，与未经调修的母材相当。当母材加热到700 ℃左右时，温度刚刚达到AC1(727 ℃)带状分布的珠光体开始向奥氏体转变，但由于温度作用时间短，仅仅有少量的珠光体转变成细小的奥氏体，冷却后得到少量的细小的铁素体和珠光体，而大部分保留原来块状的铁素体和珠光体，所以此温度下材料强度和韧性与母材相近(图4a)；当火焰温度加到800℃的时候，温度介于AC1与AC3之间，珠光体全部转化为奥氏体，部分块状铁素体向奥氏体中溶解。冷却后显微组织为不均匀的沿晶界析出的细小铁素体、原始的块状铁素体和生成的细小的铁素体和珠光体组织(图4b)，因此在这两种温度下，晶粒度较高组织仍较为细密且成带状的轧制特征；当火焰温度达到1 000 ℃和1 200 ℃的时候，温度超过AC3，珠光体和原始块状铁素体全部奥氏体化，形成晶粒粗大的单相奥氏体，冷却后得到较为粗大的多边形铁素体和珠光体，已完全没有母材的带状分布的轧制特征(图4c-d)，材料的韧性下降明显，温度越高晶粒长大越明显，晶粒度约为6-7级。

2.6疲劳试验结果

通过升降法确定在不同调修温度下Q345E钢指定寿命为5×106次循环的旋转弯曲疲劳极限，其结果如图5所示。疲劳极限升降图中“×”表示在该应力水平下试件未达到指定寿命时断裂，“○”表示在该应力水平下试件达到指定寿命时未断裂，所有升降图都是闭合的[6]，采用公式：σ-1=(1/n)∑niSri计算各组疲劳极限。

通过升降法确定的各温度下Q345E的疲劳极限分别为：

(a)700 ℃热调修极限疲劳强度为σ-1=(1/n)∑niSri=(257+263×4)/5=261.8 MPa

(b)800 ℃热调修极限疲劳强度为σ-1=(1/n)∑niSri=(266+260)/2=263 MPa

(c)1 000 ℃热调修极限疲劳强度为σ-1=(1/n)∑niSri=(269+263×3+257)/5=263 MPa

(d)1 200 ℃热调修极限疲劳强度为σ-1=(1/n)∑niSri=(257×2+263×3)/5=260.6 MPa

由上可见，不同调修温度下Q345E钢中值疲劳极限强度相差不大(最大值与最小值仅差2.4 MPa)，由此可知，不同调修温度对Q345E钢的疲劳极限影响不明显。

图6是不同调修温度构架材料Q345E钢疲劳断口微观形貌。由图6可以看出：试件启裂处均无夹杂等缺陷，启裂区和启裂扩展区具有典型的疲劳断裂特征，疲劳纹相对清晰，其辐射状标记指向疲劳裂纹源，扩展区的大小随疲劳循环次数的增加而增大，终断区断口形貌大部分显示为细小的韧窝结构，特征为空洞聚集。

3　结语

(1)随着火焰调修温度的升高，Q345E钢拉伸及冲击性能均有所下降且冲击性能下降的较为明显。

(2)不同调修温度下，Q345E钢弯曲性能良好，硬度及疲劳性能变化不大。

(3)Q345E钢在700 ℃和800 ℃一次调修时其显微组织为沿轧制方向呈带状分布的铁素体和珠光体，与未经调修的母材相当；而在1 000 ℃和1 200 ℃调修时其显微组织为粗大的多边形块状铁素体和珠光体，已完全没有未经调修的母材呈带状分布的轧制特征且晶粒有所长大。

(4)综合各方面结论推荐Q345E钢热调修温度为700～800 ℃。

[1]乔磊，张楠.钢结构焊接变形的火焰矫正[J].机械,2010(12)：116.

[2]张鑫鑫.对高速列车转向架焊接构架选材的探讨[J].机车车辆工艺,1994(1):96-97.

[3]朱兆华,黄菊花,张庭芳,等.火焰矫正方法在钢结构中的应用[J].焊接技术，2009(5)：63-64.

[4]周浩森.焊接结构设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1990.

[5]刘兵,梁延德,杨晶,等.火焰矫正工艺参数的选择[J]. 金属热处理,2008,33(6)：109-112.

[6]高镇同.疲劳应用统计学[M].北京:国防工业出版社,1986.

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·名词解释·

精密模锻在压力机上使用精密模具和模座进行模锻的工艺技术。适用于制造中、小尺寸的钛、不锈钢压气机叶片。型面尺寸精度可控制在0.13毫米以内，模锻后再经化学铣切、磨削和振动光饰、拉榫头等加工工序即可制成叶片。

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，研究方向为先进材料的连接。

(编辑汪艺)(2016-03-29)

160729