热输入对苛刻环境铁路货车用钢粗晶区组织与性能的影响

马清波　黄显锋　韩景茹　黄君辉　李程

摘要：采用焊接热模拟技术，模拟焊条电弧焊不同热输入对苛刻环境铁路货车用钢粗晶区组织和性能的影响。试验结果表明：不同热输入粗晶区的热模拟组织为先共析铁素体沿晶界向晶内生长，晶内有粒状贝氏体、针状铁素体和少量板条马氏体，热输入越小，板条马氏体越多，晶粒越细;硬度随着热输入增加而减小，不同热输入粗晶区热模拟试件均具有良好的冲击性能，尤其是低温冲击性能优异，细晶强化是苛刻环境铁路货车用钢不仅具有较高的强度，也具有良好韧性的主要原因。

关键词：苛刻环境铁路货车用钢;焊条电弧焊;热模拟;组织性能

中图分类号：TG444 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.19

0 前言

为适应铁路货车载重大、轻量化、可靠性的发展[1-2]，我国基于Q450NQR1高强度耐候钢，研制出了苛刻环境铁路货车用钢。由于该钢尚属新钢种，对其焊接性及其焊接接头组织性能的研究较少。由于粗晶区是焊接接头最薄弱环节，对焊接热影响区冲击韧性的影响最为严重[3-6]。文中采用焊接热模拟技术，研究了焊条电弧焊时焊接热输入对苛刻环境车体用钢粗晶区组织和性能的影响。

1 试验材料及方法

试验材料为苛刻环境铁路货车用钢，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。粗晶区焊接热模拟试验在Glee-ble-3800 热模拟机上进行，热模拟试件尺寸为11 mm×9 mm×100 mm，热模拟规范参数如表3所示，焊接热输入范围来自实际生产中的焊接工艺参数，苛刻环境铁路货车用钢热模拟试验的热循环曲线如图1所示。热模拟试验后，试样加工成金相试样和冲击试样。金相试件经加工、打磨、抛光，并用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在莱卡显微镜下观察热模拟试件粗晶区的组织形态。之后用FM-700型显微硬度计测硬度，试验载荷100 gf，加载时间15 s，测5个点取平均值。冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm，试件缺口位置如图2所示[3]。冲击试验按GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行。

2 试验结果分析

2.1 金相试验

不同热输入热模拟试件粗晶区的金相组织如图3所示。

可以看出，热输入为21 kJ/cm时，粗晶区组织为少量的先共析铁素体沿晶界向晶内生长，晶内有粒状贝氏体、针状铁素体和少量板条马氏体，晶粒较为粗大;热输入为15 kJ/cm时，粗晶区组织晶界不明显，晶内同样由粒状贝氏体和针状铁素体构成，板条马氏体增多，柱状晶上分布着少量先共析铁素体。随着焊接热输入的增加，热模拟试件t8/5时间增加，高温停留时间增加，冷却速度降低，因而晶粒有所长大，板条马氏体含量减少。总体来说，苛刻环境铁路货车用钢不同热输入粗晶区热模拟试件的金相组织晶粒度还是很细小的，这是其具有良好的室温和低温冲击性能的主要原因。

2.2 硬度试验

不同热输入粗晶区热模拟试件的显微硬度如表4所示。可以看出，焊接热输入为21 kJ/cm时硬度约为335 HV，焊接热输入为18 kJ/cm时硬度约为341 HV，焊接热输入为15 kJ/cm时硬度约为350 HV。由此可见，热输入越小，硬度越高。由于增加了热模拟试件高温停留时间，冷却速度降低，板条马氏体含量减少，所以硬度降低。

2.3 冲击试验

不同热输入粗晶区热模拟试件冲击试验结果如表5所示。冲击韧性曲线如图4所示。可以看出，焊接热输入为21 kJ/cm时，室温冲击功平均值为101.3 J，-40 ℃冲击功平均值为85 J;焊接热输入为15 kJ/cm时，室温冲击功平均值为90.3 J，-40 ℃冲击功平均值为122.6 J。冲击试验结果表明：不同热输入粗晶区热模拟试件均具有良好的冲击性能，尤其是低温冲击性能优异，试样室温和-40 ℃的平均冲击功分别大于90.3 J和85 J，均大于母材（56 J）。可见，在实际生产的工艺参数范围内，热输入对粗晶区热模拟试件室温冲击性能的影响不大，小的热输入对于提高低温冲击性能有显著效果，其原因是苛刻环境铁路货车用钢不同热输入粗晶区热模拟试件的金相组织晶粒细小，细晶强化使得苛刻环境铁路货车用钢不仅具有较高的强度，也具有良好的韧性。

不同热输入粗晶区热模拟试件室温和-40 ℃冲击断口的微观形貌如图5所示。可以看出：断口边缘和中心均由大大小小的韧窝构成，其中以大韧窝为主，周边参杂着小韧窝，均为韧性断裂。

3 结论

（1）不同热输入粗晶区热模拟组织为先共析铁素体沿晶界向晶内生长，晶内有粒状贝氏体、针状铁素体和少量板条马氏体。热输入越小，板条马氏体越多，晶粒越细。

（2）不同热输入粗晶区热模拟件的硬度随着热输入增加而减小。

（3）不同热输入粗晶区热模拟试件均具有良好的冲击性能，尤其是低温冲击性能优异，细晶强化是苛刻环境铁路货车用钢的强度和韧性较高的主要原因。

参考文献：

[1] 张进德. 我国铁路货车技术发展趋势[J]. 铁道车辆，2003，41（4）：1-2.

[2] 罗杨. 武钢高强度耐候钢Q450NQR1达国际先进水平[J].上海金属，2011，33（4）：9.

[3] 崔冰，彭云，彭梦都，等. 热循环对Q890钢焊接热影响区组织和性能的影响[J]. 焊接学报，2017（7）：35-39.

[4] 王九清，羅应明，胡湘红. Q690CFD钢焊接热模拟试验分析研究[J]. 宽厚板，2017，23（1）：1-7.

[5] 欧阳文凯，陈冰泉，黄永溪. G3钢双丝埋弧焊粗晶区韧性的焊接热模拟研究[J]. 热加工工艺，2016，45（1）：202-203，208.

[6] 刘文月，任毅，王爽，等. 850 MPa级管线用钢板的焊接热模拟试验研究[J]. 金属热处理，2011，36（4）：54-57.

收稿日期：2020-05-23;修回日期：2020-07-29

基金项目：国家重点研发计划课题资助项目（2017YFB0304605）

作者简介：马清波（1978— ），男，学士，高级工程师，主要从事铁路货车转向架焊接技术的研究。E-mail：sityuan@126.com。

通讯作者：李 程（1994— ），男，在读硕士，主要从事轨道交通关键材料的连接研究。E-mail：773255855@qq.com。