高速列車轉(zhuǎn)向架用鋼熱物理性能

張志毅，武永壽，吳向陽

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

高速列車轉(zhuǎn)向架用鋼熱物理性能

張志毅1，2，武永壽1，吳向陽1，2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

針對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架材料Q345C和S355J2W（H）鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散率熱物理性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，建立高速列車轉(zhuǎn)向架材料熱物理性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)果表明，Q345C的Ac1為714℃，Ac3為850℃；S355J2W(H)的Ac1為732℃，Ac3為860℃。在常溫～Ac1溫度區(qū)間，隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)升高；在Ac1～Ac3溫度區(qū)間，材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而降低；當(dāng)溫度高于Ac3時(shí)，材料的熱膨脹系數(shù)又升高；溫度低于Ac1時(shí)，比熱容隨溫度升高而升高；當(dāng)溫度高于Ac1時(shí)，比熱容隨溫度升高而降低，奧氏體轉(zhuǎn)變完成后，比熱容趨于定值。Q345C和S355J2W（H）兩種材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。

高速列車；轉(zhuǎn)向架；熱物理性能；數(shù)據(jù)庫(kù)

0 前言

近年來國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展。耐候鋼材料因其抗拉強(qiáng)度高、塑性好，已成為高速列車轉(zhuǎn)向架的優(yōu)選材料。目前國(guó)內(nèi)常用的轉(zhuǎn)向架材料為高強(qiáng)耐候鋼材料Q345C、S355J2W（H）以及日系SMA490BW。

對(duì)于推動(dòng)材料的國(guó)產(chǎn)化以及進(jìn)行轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇來說，建立材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)十分必要。材料的熱物性是最基本的性能之一，是對(duì)特定熱過程進(jìn)行基礎(chǔ)研究、分析計(jì)算和過程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也是掌握和調(diào)控生產(chǎn)中材料熱變形規(guī)律的基礎(chǔ)[1]。金屬的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、密度、比熱容等熱物性參數(shù)，對(duì)焊接時(shí)的熱循環(huán)、熔化、結(jié)晶及相變等過程產(chǎn)生影響，從而影響金屬的焊接性。如：金屬線膨脹系數(shù)大時(shí)，焊接接頭的變形及應(yīng)力會(huì)更加嚴(yán)重；導(dǎo)熱系數(shù)高的材料（如銅、鋁等），熔池結(jié)晶快，容易產(chǎn)生氣孔[2]。近20年來，隨著納米技術(shù)、低維材料等的迅速發(fā)展，許多研究對(duì)象已經(jīng)進(jìn)入納米尺度，熱物性測(cè)試也隨之進(jìn)入了新的發(fā)展階段[3-5]。因此，材料的不同溫度下的熱物理性能作為材料選擇、使用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其測(cè)試和分析具有重要的意義。

本研究針對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架材料Q345C和S355J2W（H）鋼在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，建立轉(zhuǎn)向架材料Q345C和S355J2W（H）鋼熱物理性能參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供參考和依據(jù)，同時(shí)為焊接數(shù)值模擬及其他輔助設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為12 mm板厚的耐候鋼Q345C和S355J2W（H），其化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料化學(xué)成分％

1.2 熱物理性能測(cè)試

1.2.1熱膨脹系數(shù)

采用DIL 402C水平推桿臥式熱膨脹儀進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)試，從室溫加熱到1 200℃，在升溫過程中連續(xù)采集溫度—瞬時(shí)熱膨脹數(shù)據(jù)，以100℃為間隔測(cè)量試樣的平均線膨脹系數(shù)。

1.2.2比熱容

采用STA 449 C同步熱分析儀測(cè)試比熱容，從室溫加熱到1000℃。升溫過程中連續(xù)采集溫度-DSC數(shù)據(jù)，通過分析軟件，計(jì)算得到材料的比熱容。

1.2.3導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)

采用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)試溫度范圍為常溫～700℃，以每100℃為間隔，測(cè)量一組溫度T下對(duì)應(yīng)的熱擴(kuò)散系數(shù)αT的數(shù)值。導(dǎo)熱系數(shù)為[6]

式中λ為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為比熱容；ρ為物體密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱膨脹系數(shù)

鋼的高溫組織奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體等具有不同的比容，其在加熱和冷卻時(shí)，除了熱脹冷縮引起體積變化外，還有因?yàn)橄嘧兌鸬捏w積變化。鋼中各相的比容關(guān)系依次是：奧氏體＜鐵素體＜珠光體＜貝氏體＜馬氏體[7]。所以加熱過程中，當(dāng)發(fā)生鐵素體和珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于奧氏體的比容小于鐵素體和珠光體，試樣體積將減小，引起膨脹曲線收縮，待全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，膨脹曲線上就出現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn)，從這兩個(gè)拐點(diǎn)就可以確定AC1和AC3。根據(jù)材料的瞬時(shí)膨脹量與溫度的關(guān)系曲線，采用切線法對(duì)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到材料的相變點(diǎn)AC1和AC3，結(jié)果如表2所示。由表2可知，S355J2W（H）鋼的AC1和AC3略高于Q345C鋼。

表2 材料相變點(diǎn)

Q345C鋼和S355J2W（H）鋼在各個(gè)溫度下的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。常溫～ 200℃時(shí)，隨溫度的升高，熱膨脹系數(shù)升高；在200℃～ 700℃溫度區(qū)間，熱膨脹系數(shù)在（13～15）×10-6/K的范圍內(nèi)。在相變點(diǎn)Ac1材料的熱膨脹系數(shù)達(dá)到最大值，在Ac3時(shí)熱膨脹系數(shù)減小，在相變開始到相變結(jié)束的溫度范圍內(nèi)，發(fā)生了珠光體和鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，試樣尺寸縮短；隨著溫度的升高，奧氏體化的影響作用越來越大，隨著溫度的進(jìn)一步升高，奧氏體轉(zhuǎn)變趨于完全，試樣的膨脹由奧氏體的熱膨脹引起。

除了相變對(duì)熱膨脹的影響之外，材料的化學(xué)成分對(duì)其熱物理性能也有較大影響。一般來說，加入熱膨脹系數(shù)大于基體的溶質(zhì)時(shí)，合金的熱膨脹系數(shù)增加；反之，則其熱膨脹系數(shù)減小，但是不同的合金材料，其合金元素的影響程度也不同，且不同的合金元素在不同溫度下影響程度也不同。在0～100℃內(nèi)，鐵元素的平均線膨脹系數(shù)為11.76，合金元素鉻、鎳、錳的平均線膨脹系數(shù)各自為6.2、13.4、37，可以看出除鉻元素之外，鐵基體的線膨脹系數(shù)較其他兩種合金元素低，即鉻元素的加入將降低鐵基體的線膨脹系數(shù)，而鎳、錳的加入將引起線膨脹系數(shù)的增大，尤其是錳元素的加入對(duì)鐵基體線膨脹系數(shù)的增大效果較為明顯[8]。由圖1可知，在常溫～100℃時(shí)，Q345C的熱膨脹系數(shù)大于S355J2W（H），隨著溫度的進(jìn)一步升高，兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差較小。由表1可知，S355J2W（H）鋼中Cr元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Q345C鋼，Cr元素會(huì)降低材料的熱膨脹系數(shù)，雖然S355J2W（H）鋼中的Ni元素含量大于Q345C鋼的，但是Cr元素和Fe元素之間線膨脹系數(shù)的差異要遠(yuǎn)大于Ni元素與Fe元素之間線膨脹系數(shù)的差異，因此Cr元素對(duì)這兩種材料熱膨脹系數(shù)的影響要大于Ni元素，在常溫～100℃時(shí)，Q345C的熱膨脹系數(shù)大于S355J2W（H）。

圖1 熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

2.2 比熱容

材料的比熱容與溫度之間的關(guān)系如圖2所示。兩種材料的比熱容差異極小，0～100℃時(shí)隨溫度增大比熱容上升較快，之后隨溫度升高材料比熱容緩慢增加，在相變開始時(shí)，比熱容隨著溫度的升高急劇增加，達(dá)到最大值后，在發(fā)生相變時(shí)總能量減小，隨著溫度的升高比熱容又急劇減小，熱容值降低。奧氏體轉(zhuǎn)變完成后，比熱容趨于定值。

比熱容（cp）－溫度曲線的波動(dòng)變化與構(gòu)成材料合金相的性質(zhì)密切相關(guān)，組成合金相原子熱振動(dòng)能的變化將導(dǎo)致材料在發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變時(shí)總能量減小，比熱容值降低；同時(shí)隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)幅度增大，材料吸熱本領(lǐng)增強(qiáng)，比熱容隨之增加。兩者的共同作用導(dǎo)致材料在高溫發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變時(shí)cp曲線發(fā)生較大的波動(dòng)。所以，當(dāng)金屬材料在溫度變化的過程中產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，cp曲線將對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一定的波動(dòng)[8]。由熱膨脹的測(cè)試結(jié)果可得材料在發(fā)生相變時(shí)溫度高于700℃，因此在比熱測(cè)試溫度并未達(dá)到相變溫度時(shí)，其曲線未出現(xiàn)波動(dòng)。

圖2 比熱容-溫度曲線

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)

熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖3所示，通過式（1）計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。兩種材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)很相似，均隨溫度的升高緩慢下降，Q345C的熱擴(kuò)散系數(shù)偏大。

通常在熱量傳遞過程中，自由電子不僅與原子和分子發(fā)生碰撞，同時(shí)也受到各種缺陷的阻礙，從而加劇對(duì)自由電子的散射作用，形成了熱阻。因此，金屬內(nèi)部缺陷越少對(duì)自由電子的散射作用越弱，形成的熱阻越小，金屬的導(dǎo)熱性能越好。

圖3 熱擴(kuò)散系數(shù)-溫度曲線

3 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)獲得了Q345C和S355J2W（H）材料的熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

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

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線

（3）在常溫～Ac1區(qū)間，隨溫度的升高，熱膨脹系數(shù)升高；在Ac1～Ac3區(qū)間，材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而降低；當(dāng)溫度高于Ac3時(shí)，材料的熱膨脹系數(shù)又升高。

（4）當(dāng)溫度低于Ac1時(shí)，比熱容隨溫度升高而升高；當(dāng)溫度高于Ac1時(shí)，比熱容隨溫度升高而降低，奧氏體轉(zhuǎn)變完成后，比熱容趨于定值。

（5）Q345C和S355J2W（H）兩種材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。

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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

張志毅（1980—），男，浙江金華人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事高速列車轉(zhuǎn)向架工藝開發(fā)、設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)方面的科研工作。