高速列车转向架用钢热物理性能

张志毅，武永寿，吴向阳

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

高速列车转向架用钢热物理性能

张志毅1，2，武永寿1，吴向阳1，2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

针对高速列车转向架材料Q345C和S355J2W（H）钢的导热系数、热膨胀系数、比热容、热扩散率热物理性能参数进行测试，建立高速列车转向架材料热物理性能基础数据库。结果表明，Q345C的Ac1为714℃，Ac3为850℃；S355J2W(H)的Ac1为732℃，Ac3为860℃。在常温～Ac1温度区间，随着温度的升高，热膨胀系数升高；在Ac1～Ac3温度区间，材料的热膨胀系数随温度的升高而降低；当温度高于Ac3时，材料的热膨胀系数又升高；温度低于Ac1时，比热容随温度升高而升高；当温度高于Ac1时，比热容随温度升高而降低，奥氏体转变完成后，比热容趋于定值。Q345C和S355J2W（H）两种材料的热扩散系数和导热系数随温度升高而降低。

高速列车；转向架；热物理性能；数据库

0 前言

近年来国民经济迅猛发展，推动我国高速铁路快速发展。耐候钢材料因其抗拉强度高、塑性好，已成为高速列车转向架的优选材料。目前国内常用的转向架材料为高强耐候钢材料Q345C、S355J2W（H）以及日系SMA490BW。

对于推动材料的国产化以及进行转向架结构设计和材料选择来说，建立材料的基础数据库十分必要。材料的热物性是最基本的性能之一，是对特定热过程进行基础研究、分析计算和过程设计的关键参数，也是掌握和调控生产中材料热变形规律的基础[1]。金属的熔点、导热系数、热膨胀系数、密度、比热容等热物性参数，对焊接时的热循环、熔化、结晶及相变等过程产生影响，从而影响金属的焊接性。如：金属线膨胀系数大时，焊接接头的变形及应力会更加严重；导热系数高的材料（如铜、铝等），熔池结晶快，容易产生气孔[2]。近20年来，随着纳米技术、低维材料等的迅速发展，许多研究对象已经进入纳米尺度，热物性测试也随之进入了新的发展阶段[3-5]。因此，材料的不同温度下的热物理性能作为材料选择、使用及结构设计的重要参数，其测试和分析具有重要的意义。

本研究针对高速列车转向架材料Q345C和S355J2W（H）钢在不同温度下的导热系数、热膨胀系数、比热容、热扩散率等参数进行测试，建立转向架材料Q345C和S355J2W（H）钢热物理性能参数基础数据库，为转向架结构设计和材料选择提供参考和依据，同时为焊接数值模拟及其他辅助设计提供基础数据支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为12 mm板厚的耐候钢Q345C和S355J2W（H），其化学成分如表1所示。

表1 材料化学成分％

1.2 热物理性能测试

1.2.1热膨胀系数

采用DIL 402C水平推杆卧式热膨胀仪进行热膨胀系数测试，从室温加热到1 200℃，在升温过程中连续采集温度—瞬时热膨胀数据，以100℃为间隔测量试样的平均线膨胀系数。

1.2.2比热容

采用STA 449 C同步热分析仪测试比热容，从室温加热到1000℃。升温过程中连续采集温度-DSC数据，通过分析软件，计算得到材料的比热容。

1.2.3导热系数和热扩散系数

采用非稳态法测试材料的热扩散系数，测试温度范围为常温～700℃，以每100℃为间隔，测量一组温度T下对应的热扩散系数αT的数值。导热系数为[6]

式中λ为导热系数；cp为比热容；ρ为物体密度。

2 试验结果及分析

2.1 热膨胀系数

钢的高温组织奥氏体及其转变产物铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等具有不同的比容，其在加热和冷却时，除了热胀冷缩引起体积变化外，还有因为相变而引起的体积变化。钢中各相的比容关系依次是：奥氏体＜铁素体＜珠光体＜贝氏体＜马氏体[7]。所以加热过程中，当发生铁素体和珠光体向奥氏体转变时，由于奥氏体的比容小于铁素体和珠光体，试样体积将减小，引起膨胀曲线收缩，待全部转变为奥氏体后，膨胀曲线上就出现了两个拐点，从这两个拐点就可以确定AC1和AC3。根据材料的瞬时膨胀量与温度的关系曲线，采用切线法对试验原始数据进行处理得到材料的相变点AC1和AC3，结果如表2所示。由表2可知，S355J2W（H）钢的AC1和AC3略高于Q345C钢。

表2 材料相变点

Q345C钢和S355J2W（H）钢在各个温度下的热膨胀系数与温度的关系曲线如图1所示。常温～ 200℃时，随温度的升高，热膨胀系数升高；在200℃～ 700℃温度区间，热膨胀系数在（13～15）×10-6/K的范围内。在相变点Ac1材料的热膨胀系数达到最大值，在Ac3时热膨胀系数减小，在相变开始到相变结束的温度范围内，发生了珠光体和铁素体向奥氏体的转变，试样尺寸缩短；随着温度的升高，奥氏体化的影响作用越来越大，随着温度的进一步升高，奥氏体转变趋于完全，试样的膨胀由奥氏体的热膨胀引起。

除了相变对热膨胀的影响之外，材料的化学成分对其热物理性能也有较大影响。一般来说，加入热膨胀系数大于基体的溶质时，合金的热膨胀系数增加；反之，则其热膨胀系数减小，但是不同的合金材料，其合金元素的影响程度也不同，且不同的合金元素在不同温度下影响程度也不同。在0～100℃内，铁元素的平均线膨胀系数为11.76，合金元素铬、镍、锰的平均线膨胀系数各自为6.2、13.4、37，可以看出除铬元素之外，铁基体的线膨胀系数较其他两种合金元素低，即铬元素的加入将降低铁基体的线膨胀系数，而镍、锰的加入将引起线膨胀系数的增大，尤其是锰元素的加入对铁基体线膨胀系数的增大效果较为明显[8]。由图1可知，在常温～100℃时，Q345C的热膨胀系数大于S355J2W（H），随着温度的进一步升高，两种材料的热膨胀系数相差较小。由表1可知，S355J2W（H）钢中Cr元素含量远远大于Q345C钢，Cr元素会降低材料的热膨胀系数，虽然S355J2W（H）钢中的Ni元素含量大于Q345C钢的，但是Cr元素和Fe元素之间线膨胀系数的差异要远大于Ni元素与Fe元素之间线膨胀系数的差异，因此Cr元素对这两种材料热膨胀系数的影响要大于Ni元素，在常温～100℃时，Q345C的热膨胀系数大于S355J2W（H）。

图1 热膨胀系数与温度的关系曲线

2.2 比热容

材料的比热容与温度之间的关系如图2所示。两种材料的比热容差异极小，0～100℃时随温度增大比热容上升较快，之后随温度升高材料比热容缓慢增加，在相变开始时，比热容随着温度的升高急剧增加，达到最大值后，在发生相变时总能量减小，随着温度的升高比热容又急剧减小，热容值降低。奥氏体转变完成后，比热容趋于定值。

比热容（cp）－温度曲线的波动变化与构成材料合金相的性质密切相关，组成合金相原子热振动能的变化将导致材料在发生晶形转变时总能量减小，比热容值降低；同时随着温度的升高，晶格振动幅度增大，材料吸热本领增强，比热容随之增加。两者的共同作用导致材料在高温发生晶型转变时cp曲线发生较大的波动。所以，当金属材料在温度变化的过程中产生晶型转变时，cp曲线将对应产生一定的波动[8]。由热膨胀的测试结果可得材料在发生相变时温度高于700℃，因此在比热测试温度并未达到相变温度时，其曲线未出现波动。

图2 比热容-温度曲线

2.3 导热系数和热扩散系数

热扩散系数与温度的关系曲线如图3所示，通过式（1）计算得到导热系数与温度的关系曲线如图4所示。两种材料的热扩散系数和导热系数随温度变化的趋势很相似，均随温度的升高缓慢下降，Q345C的热扩散系数偏大。

通常在热量传递过程中，自由电子不仅与原子和分子发生碰撞，同时也受到各种缺陷的阻碍，从而加剧对自由电子的散射作用，形成了热阻。因此，金属内部缺陷越少对自由电子的散射作用越弱，形成的热阻越小，金属的导热性能越好。

图3 热扩散系数-温度曲线

3 结论

（1）通过实验获得了Q345C和S355J2W（H）材料的热膨胀系数、比热容、热扩散系数和导热系数。

（2）Q345C的Ac1为714℃，Ac3为850℃；S355J2W（H）的Ac1为732℃，Ac3为860℃。

图4 导热系数-温度曲线

（3）在常温～Ac1区间，随温度的升高，热膨胀系数升高；在Ac1～Ac3区间，材料的热膨胀系数随温度的升高而降低；当温度高于Ac3时，材料的热膨胀系数又升高。

（4）当温度低于Ac1时，比热容随温度升高而升高；当温度高于Ac1时，比热容随温度升高而降低，奥氏体转变完成后，比热容趋于定值。

（5）Q345C和S355J2W（H）两种材料的热扩散系数和导热系数随温度升高而降低。

[1]陈桂生，廖艳，曾亚光，等.材料热物性测试的研究现状及发展需求[J].中国测试，2010（36）：5-8.

[2]周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版社，2003：3-57.

[3]AKIRA N.20 years of japan symposium on thermo physical properties[J].Japan Journal of Thermo physical Properties，2000，14（1）：6-8.

[4]黄素逸，周怀春.现代热物理测试技术[M].北京：清华大学出版社，2008：283-305.

[5]赵庆国，陈永昌，夏国栋.热能与动力工程测试技术[M].北京：化学工业出版社，2006：145-185.

[6]谭真，郭广文.工程合金热物性[M].北京：冶金工业出版社，1994：14-20．

[7]徐光，王巍，张鑫强，等.金属材料CCT曲线测定及绘制[M].北京：机械工业出版社，2009：142-145.

[8]郄俊懋.3304不锈钢高温力学性能及热物理性能研究[D].包头：内蒙古科技大学，2014.

Thermal physics properties of bogies steel for high speed trains

ZHANG Zhiyi1，2，WU Yongshou1，WU Xiangyang1，2
（1.CSR SIFANG Co.，Ltd，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Aimingatthehigh-speedtrainbogiematerialsQ345CandS355J2W（H），thermalconductivity，thermalexpansioncoefficient，specific heatcapacityandthermaldiffusivityweremeasured.Athermalphysicalpropertiesdatabaseofhigh-speedtrainbogiewasestablished.Theresults showthat the Ac1 and Ac3 ofQ345C is 714℃and 846℃respectively.Ac1 and Ac3 ofS355J2W（H）is 717℃and 866℃respectively. Atthetemperature range of room temperature to Ac1，the thermal expansion coefficient increases with the increase of temperature.At the temperature range of Ac1 to Ac3，the thermal expansion coefficient decreases with the increase of temperature.When the temperature is higher than Ac3，the thermal expansion coefficient increases.The specific heatincreases with increasingtemperature when the temperature is lower thanAc1，whilethe specific heat capacitydecreases with the temperature increasingwhen the temperature is higher than Ac1.The heat capacity reaches a certain value untiltheaustenitetransformation iscompleted.Thethermaldiffusivityand the thermalconductivitydecrease withtheincreaseoftemperature.

high speed train；bogie；thermal physical properties；database

TG457.2

A

1001－2303（2016）06－0115-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.24

2015-12-23；

2016-04-21

张志毅（1980—），男，浙江金华人，高级工程师，硕士，主要从事高速列车转向架工艺开发、设计及仿真技术方面的科研工作。