S355J2W耐候钢火焰矫正区组织与性能

Abstract：In high dynamic car bogie frame S355J2W weathering resistant steel as the research object， heating furnace simulate fire heating experiment conducted at different temperature to analysis microstructure by metallographic microscope and scanning electron microscopy， through the tensile， bending， impact， micro-hardness experiment to carry out mechanical performance research. The results show that： simulation temperature control in 700 ℃， S355J2W has the best mechanical properties， hardness value and the tensile performance is minimal decline than the mother material ， impact performance is far higher than the minimum impact of the weathering resistant steel. The microstructure of the simulation heating areas is mainly for the ferrite， group of the floe pearlite and a small amount of retained austenite， and all the grains have been refined.

Keywords： S355J2W weathering resistant steel， bogie frame， simulation， microstructure， mechanical properties

以高速动车转向架构架用耐候钢S355J2W为研究对象，在不同温度炉内加热来模拟火焰加热实验，采用扫描电镜进行微观组织分析，通过拉伸、弯曲、冲击、显微硬度进行力学性能分析研究。结果表明：热模拟炉温控制在700℃时，S355J2W有最优的力学性能，硬度值和拉伸性能较母材下降幅度最小，冲击性能远高于此耐候钢钢材本身要求的最低冲击值。模拟加热区微观组织主要为铁素体、团絮状的珠光体和少量的残余奥氏体，晶粒有所细化。

用于高速列车转向架构架是复杂动负荷的主要承载构件，该动负荷又随速度的提高而明显增强。因此，要求该焊接构架有足够的强度和疲劳性能，以便减轻自重，实现低动力作用和确保运行安全可靠。由于我国铁路运行环境要经受南方大气腐蚀和北方的低温环境（-40℃）的考验，因此构架材质需要有抗腐蚀和耐低温的性能。S355J2W钢根据使用标准EN10025-5-2004，属于耐候结构钢，广泛用于铁路客车转向架构架结构。国内长春轨道客车厂在制造时速380 km/h 动车组、香港地铁和北京地铁十五号线转向架焊接构架时即采用了这种钢材[1-4]。由于构架在加工和焊接过程中不可避免会发生变形，沿用机械矫正变形的方法费时费力，而且不能保证质量。采用火焰（氧—乙炔）矫正金属变形法，在国内外生产中早已显示出不可忽视的重要性。本文通过在4种温度控制下炉内加热模拟火焰加热来对S355J2W耐候钢进行微观组织和力学性能分析，探讨最适合的火焰矫正温度，用于指导工厂加工实践。

一、试验材料及方法

1.试验材料

实验材料选用厚度为12mm的S355J2W耐候钢，其化学成分见表1，机械性能见表2：

表1 S355J2W钢板化学成分（质量分数，%）

2.试验方案

为了选出合适的火焰矫正温度参数，实验过程中将式样分为四组，加热炉控制温度分别为800℃、750℃、700℃、650℃。加热炉温达到指定温度后保温10分钟，以确保试件充分热透并加热均匀。保温后将试件取出在室温下空冷。在此加热过程中通过加热炉的电子显示屏和红外温度测量仪同时跟踪加热过程，以确保加热温度的准确。在冷却过程中用红外温度测量仪跟踪冷却过程。将四组不同温度下加热的试件分别标记为W1、W2、W3、W4。为了便于与原始材料比较，将为加热的S355J2W试件标记为W0，通过显微组织分析和力学性能研究来找出最优的火焰矫正温度参数。

二、试验结果及分析

1.拉伸试验

拉伸试验依据BS EN10002—1—2001金属材料拉伸试验标准按照室温下的测试方法进行，试验过程中为确保数据的科学性将不同模拟温度下的试件各取2件取平均值，试验中加热组织的拉伸性能详见表3。

由试验结果比较我们可以看出W1经过800℃加热后的屈服强度已经明显降低，且远低于母材。抗拉强度虽然处于S355J2W所要求的区间，但其强度值也明显低于S355J2W，其它加热试件与未加热的材质比较在拉伸性能方面无明显差别。延伸率都略高于未加热的S355J2W。W3经过700℃加热后有最大的延伸率，其屈服强度也与未加热的W0接近，表现出较好的综合拉伸性能。

2.显微硬度试验

显微硬度试验按照BS EN ISO 6507-1：2005金属材料硬度试验方法进行，在每个试样不同位置进行显微硬度测量取平均值，各试样的显微硬度值见表4。有试验结果我们可以看成相比较于W0，其它试样的硬度值不同程度上已经下降。W1的硬度下降幅度最大，达到43%，W2的硬度下降幅度次之为30%，W3的下降幅度为10%，W4的下降幅度为20%。这说明在模拟火焰矫正过程中温度过高已经导致材料明显的软化，因此在火焰矫正过程中必须严格控制加热温度，避免因温度过高导致材料的软化。但并不是说加热温度越低越好，在W3和W4的硬度数据中可以看成，W4的硬度比W3低，W3的硬度下降幅度较小，与W0比较接近，因此加热温度应该控制在一定的温度范围内不能过高也不能过低。

3.冲击试验

冲击试验按照 EN 10 045-1： 1990 E金属材料冲击试验方法进行，试样开“V”型破口后在冲击试验机上进行，每种加热规范的试样分别在-40℃、-20℃、0℃、20℃下进行，各试验温度下分别取三个试样，试验结果取平均值。试验结果见表5。由数据我们可以看出在-40℃时W3的冲击功达到199.3J，远远高于其他三组试样的冲击功，这说明经过700℃加热处理后的试样表现出优异的低温冲击性能，也远远高于材料本身所要求的最低冲击值。其他三组试样的冲击值虽然也较材料本身要求的冲击值高，但相对于试样W3也相差较大。在-20℃时，各组的冲击功相对较高，除W2的冲击值较低外，其他三组比较接近。在0℃和20℃时，各组的冲击功都很高且比较接近。综合以上，我们可以得出：W3在低温时有最高的冲击数值，在高温时冲击性能也很好，因而表现出最佳的冲击性能。

4.显微组织

图2分别是各个试样在扫描电镜下放大2000倍的显微组织，从图中可以看成组织的主要成分仍然是铁素体和珠光体。图2（a）中，珠光体的成分明显减少，且组织内部已经破碎，被部分残余奥氏体填充。图2（b）中，珠光体的成分仍然不多，但组织相对紧实，且内部没有明显的残余奥氏体的存在，晶界清晰，铁素体组织的成分仍然占较大比重。从中图2（c）可以见到大块紧实的珠光体组织，且内部没有参杂其他的成分，晶粒也有所细化，晶界出有明显呈弥散分布的粒状组织，晶界清晰。图2（d）中粒状分别的弥散组织不再明显。

三、结论

（1）热模拟炉温控制在700℃时，S355J2W有最优的力学性能，硬度值和拉伸性能较母材下降幅度最小，弯曲性能完全复合要求，冲击性能远高于此耐候钢钢材本身要求的最低冲击值。

（2）热模拟炉温控制在700℃时，模拟加热区微观组织主要为铁素体、团絮状的珠光体和少量的残余奥氏体，晶粒有所细化，晶界出有明显呈弥散分布的粒状组织，晶界清晰。

参考文献：

[1]刘学. S355J2W耐候钢火焰矫正区组织与性能[D].吉林大学，2013.

[2]王永兵. Y25转向架制作关键技术与质量控制研究[D].山东大学，2011.

[3]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，1994，01：41-45.

[4]臧传宝.热变形工艺对S355钢板相变行为的影响[J].物理测试，2005，23（3）：38-40.