奥氏体不锈钢火焰调修的力学性能研究

2018-03-24袁海堃黄成海

城市轨道交通研究 2018年2期

袁海堃　郭　猛　黄成海

（中车长春轨道客车股份有限公司工程技术部，130062，长春∥第一作者，高级工程师）

目前，在轨道交通车辆的不锈钢车体钢结构实际生产中，为控制车辆的整体尺寸精度，已广泛应用了火焰调修工艺。火焰调修工艺的温度控制至关重要，其对奥氏体不锈钢的力学性能影响巨大。

文献［1］以高速列车用典型国产4 mm厚SUS301L-HT不锈钢为研究对象，通过不同温度条件下的保温处理并进行喷水急冷，模拟火焰调修对材料强度及抗晶间腐蚀性能的影响。试验结果表明，调修温度不大于550℃，并采用水冷的调修工艺能保证SUS301L-HT不锈钢的机械性能和抗晶间腐蚀性能。文献［2］针对轨道车辆不锈钢车体中常用的5种冷轧不锈钢板，采用不同的火焰调修温度及冷却方式进行试验，得到了加热、冷却后的不锈钢材料力学性能。试验结果表明，随着火焰加热温度的升高，冷作硬化不锈钢材料强度相应降低，强度级别越高的材料，强度损失越严重。

国内外针对短时火焰调修中加热温度区间在700℃以下的相关研究较少。本文以SUS301LDLT/ST/MT/HT系列奥氏体不锈钢为研究对象，对其进行模拟调修加热试验。研究在不同温度下、不同强度等级材料的拉伸性能和弯曲性能变化规律，从而确定奥氏体不锈钢火焰调修的合理温度。研究结果为实际生产提供基础调修数据和技术支持。

1　试验材料、方法及设备

1.1　试验材料

试验用金属母材为2 mm厚SUS301L-DLT/ST/MT/HT系列奥氏体不锈钢板。

1.2　试验方法及设备

1.2.1试件模拟调修加热

试样加热前先按照金相、拉伸及弯曲的试样标准尺寸要求进行加工，如图1所示。之后，对加工后的试样进行倒角、去毛刺等打磨处理，如图2所示。再后，采用DRZ-8D型加热炉（见图3）对工件进行加热，加热最高温度分别为 200、300、400、500、550、600、700℃，保温时间5 min，加热结束后采用快速水冷，如图4所示。

1.2.2拉伸和弯曲性能测试

按照标准JIS Z 2201—1998《金属材料拉伸试验试样》和JIS Z 2241—1996《金属材料拉伸试验方法》，在室温下用万能试验机（见图5）进行横向拉伸试验，每组3个试样。按照标准JIS Z 2204—1996《金属材料弯曲试样》和JIS Z 2248—2006《金属材料弯曲试验方法》，在室温下用万能试验机进行正弯试验，每组3个试样。

图1　不锈钢拉伸、弯曲试样

图2　不锈钢试样加热前预处理

图3　不锈钢试样加热装置

图4　不锈钢试样加热后快速水冷

2　力学性能测试

2.1　拉伸试验

按照标准JIS Z 2201—1998准备试样，试样尺寸见图6。SUS301L-DLT/ST/MT/HT不锈钢拉伸试验结果分别如表1至表4所示。根据试验结果，分别绘制SUS301L-DLT/ST/MT/HT不锈钢经过不同温度加热后强度变化的曲线（见图7）。从图7中可以看出，当加热温度不超过700℃时，除SUS301L-HT不锈钢以外，其他3种不锈钢的抗拉强度和屈服强度均未发生明显变化；当加热温度达到700℃时，SUS301L-HT不锈钢的抗拉强度和屈服强度开始明显下降，其主要原因是马氏体含量产生变化导致的。

图6　不锈钢拉伸试样加工尺寸

表1　SUS301L-DLT不锈钢拉伸试验结果

表2　SUS301L-ST不锈钢拉伸试验结果

表3　SUS301L-MT不锈钢拉伸试验结果

表4　SUS301L-HT不锈钢拉伸试验结果

SUS301L不锈钢中应变马氏体含量的不同，导致成分相同的不锈钢材料表现出不同的强度等级。马氏体就其本质来说是C元素在体心立方晶格α-Fe中的过饱和间隙固溶体，表现为含有大量高密度位错的晶体结构。随着加热温度的升高，马氏体中的C元素因自由能的增大，会以化合物的形式不断析出。马氏体含量的降低会导致材料屈服强度和抗拉强度随之降低。

SUS301L-DLT/ST/MT不锈钢中马氏体含量较少，当温度低于700℃时，析出的马氏体含量不足以影响材料的强度。SUS301L-HT不锈钢中马氏体含量高达13%，当温度达到700℃时，析出的马氏体量达到了一定程度，致使力学性能产生了比较明显的降低。

试样断裂后的宏观形貌如图8所示。大部分试样从中间附近断裂，个别试样断裂在靠近夹持端，其原因可能是试样打磨不均匀所致。通过对所有试样的断口进行金相分析发现（见图9），经加热和未加热的SUS301L-DLT/ST/MT/HT不锈钢均呈现明显的塑形变形特征，断口形貌均有较细小和均匀的韧窝，属于典型的韧性断裂。这说明当调修温度不超过700℃时，加热温度对SUS301L不锈钢的韧性影响较小。

2.2　弯曲试验

按照标准JIS Z 2204准备试样，试样尺寸为10 mm×20 mm×2 mm。图10为SUS301L-DLT/ST/MT/HT不锈钢经过不同温度加热后弯曲试验结果。检测结果表明，所有试样均可以做180°弯曲，在弯曲后均不存在断裂或表面微裂纹。这说明在不超过700℃的调修工艺下，SUS301L不锈钢的塑性指标不存在显著变化。