奧氏體不銹鋼火焰調(diào)修的力學(xué)性能研究

袁海堃　郭　猛　黃成海

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師）

目前，在軌道交通車輛的不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際生產(chǎn)中，為控制車輛的整體尺寸精度，已廣泛應(yīng)用了火焰調(diào)修工藝?；鹧嬲{(diào)修工藝的溫度控制至關(guān)重要，其對(duì)奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能影響巨大。

文獻(xiàn)［1］以高速列車用典型國產(chǎn)4 mm厚SUS301L-HT不銹鋼為研究對(duì)象，通過不同溫度條件下的保溫處理并進(jìn)行噴水急冷，模擬火焰調(diào)修對(duì)材料強(qiáng)度及抗晶間腐蝕性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)修溫度不大于550℃，并采用水冷的調(diào)修工藝能保證SUS301L-HT不銹鋼的機(jī)械性能和抗晶間腐蝕性能。文獻(xiàn)［2］針對(duì)軌道車輛不銹鋼車體中常用的5種冷軋不銹鋼板，采用不同的火焰調(diào)修溫度及冷卻方式進(jìn)行試驗(yàn)，得到了加熱、冷卻后的不銹鋼材料力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著火焰加熱溫度的升高，冷作硬化不銹鋼材料強(qiáng)度相應(yīng)降低，強(qiáng)度級(jí)別越高的材料，強(qiáng)度損失越嚴(yán)重。

國內(nèi)外針對(duì)短時(shí)火焰調(diào)修中加熱溫度區(qū)間在700℃以下的相關(guān)研究較少。本文以SUS301LDLT/ST/MT/HT系列奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模擬調(diào)修加熱試驗(yàn)。研究在不同溫度下、不同強(qiáng)度等級(jí)材料的拉伸性能和彎曲性能變化規(guī)律，從而確定奧氏體不銹鋼火焰調(diào)修的合理溫度。研究結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)提供基礎(chǔ)調(diào)修數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用金屬母材為2 mm厚SUS301L-DLT/ST/MT/HT系列奧氏體不銹鋼板。

1.2　試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.2.1試件模擬調(diào)修加熱

試樣加熱前先按照金相、拉伸及彎曲的試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求進(jìn)行加工，如圖1所示。之后，對(duì)加工后的試樣進(jìn)行倒角、去毛刺等打磨處理，如圖2所示。再后，采用DRZ-8D型加熱爐（見圖3）對(duì)工件進(jìn)行加熱，加熱最高溫度分別為 200、300、400、500、550、600、700℃，保溫時(shí)間5 min，加熱結(jié)束后采用快速水冷，如圖4所示。

1.2.2拉伸和彎曲性能測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2201—1998《金屬材料拉伸試驗(yàn)試樣》和JIS Z 2241—1996《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》，在室溫下用萬能試驗(yàn)機(jī)（見圖5）進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，每組3個(gè)試樣。按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2204—1996《金屬材料彎曲試樣》和JIS Z 2248—2006《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》，在室溫下用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行正彎試驗(yàn)，每組3個(gè)試樣。

圖1　不銹鋼拉伸、彎曲試樣

圖2　不銹鋼試樣加熱前預(yù)處理

圖3　不銹鋼試樣加熱裝置

圖4　不銹鋼試樣加熱后快速水冷

2　力學(xué)性能測(cè)試

2.1　拉伸試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2201—1998準(zhǔn)備試樣，試樣尺寸見圖6。SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果分別如表1至表4所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼經(jīng)過不同溫度加熱后強(qiáng)度變化的曲線（見圖7）。從圖7中可以看出，當(dāng)加熱溫度不超過700℃時(shí)，除SUS301L-HT不銹鋼以外，其他3種不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均未發(fā)生明顯變化；當(dāng)加熱溫度達(dá)到700℃時(shí)，SUS301L-HT不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度開始明顯下降，其主要原因是馬氏體含量產(chǎn)生變化導(dǎo)致的。

圖6　不銹鋼拉伸試樣加工尺寸

表1　SUS301L-DLT不銹鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2　SUS301L-ST不銹鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3　SUS301L-MT不銹鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4　SUS301L-HT不銹鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

SUS301L不銹鋼中應(yīng)變馬氏體含量的不同，導(dǎo)致成分相同的不銹鋼材料表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度等級(jí)。馬氏體就其本質(zhì)來說是C元素在體心立方晶格α-Fe中的過飽和間隙固溶體，表現(xiàn)為含有大量高密度位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)。隨著加熱溫度的升高，馬氏體中的C元素因自由能的增大，會(huì)以化合物的形式不斷析出。馬氏體含量的降低會(huì)導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨之降低。

SUS301L-DLT/ST/MT不銹鋼中馬氏體含量較少，當(dāng)溫度低于700℃時(shí)，析出的馬氏體含量不足以影響材料的強(qiáng)度。SUS301L-HT不銹鋼中馬氏體含量高達(dá)13%，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，析出的馬氏體量達(dá)到了一定程度，致使力學(xué)性能產(chǎn)生了比較明顯的降低。

試樣斷裂后的宏觀形貌如圖8所示。大部分試樣從中間附近斷裂，個(gè)別試樣斷裂在靠近夾持端，其原因可能是試樣打磨不均勻所致。通過對(duì)所有試樣的斷口進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)（見圖9），經(jīng)加熱和未加熱的SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼均呈現(xiàn)明顯的塑形變形特征，斷口形貌均有較細(xì)小和均勻的韌窩，屬于典型的韌性斷裂。這說明當(dāng)調(diào)修溫度不超過700℃時(shí)，加熱溫度對(duì)SUS301L不銹鋼的韌性影響較小。

2.2　彎曲試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2204準(zhǔn)備試樣，試樣尺寸為10 mm×20 mm×2 mm。圖10為SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼經(jīng)過不同溫度加熱后彎曲試驗(yàn)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果表明，所有試樣均可以做180°彎曲，在彎曲后均不存在斷裂或表面微裂紋。這說明在不超過700℃的調(diào)修工藝下，SUS301L不銹鋼的塑性指標(biāo)不存在顯著變化。

3　結(jié)論

對(duì)SUS301L-DLT/ST/MT/HT不銹鋼模擬火焰調(diào)修加熱（200～700℃）后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于SUS301L-DLT/ST/MT不銹鋼變形強(qiáng)化程度稍低的材料，當(dāng)加熱溫度不超過700℃時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)、抗彎曲塑形指標(biāo)均沒有顯著變化，火焰調(diào)修的最高溫度可設(shè)為700℃。

圖7　加熱溫度對(duì)SUS301L不銹鋼強(qiáng)度的影響

圖8　SUS301L不銹鋼斷裂后宏觀形貌

圖9　SUS301L不銹鋼斷口微觀形貌

（2）對(duì)于SUS301L-HT不銹鋼，因其變形強(qiáng)化程度最高，產(chǎn)生的應(yīng)變馬氏體含量較高。當(dāng)加熱溫度達(dá)到700℃時(shí)，其抗彎曲塑形指標(biāo)沒有發(fā)生顯著變化，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度損失嚴(yán)重，火焰調(diào)修的最高溫度不應(yīng)超過550℃。

圖10　SUS301L不銹鋼試樣彎曲后宏觀形貌

［1］趙延強(qiáng)，劉學(xué)之，王素環(huán)，等.高速列車用國產(chǎn)不銹鋼材料火焰調(diào)修工藝［J］.電焊機(jī)，2015，45（8）：40.

［2］韓曉輝，史春元.火焰調(diào)修對(duì)軌道車輛用冷軋不銹鋼板力學(xué)性能的影響［J］.電焊機(jī)，2015，45（1）：98.

［3］徐嘉鵬，王東亞.奧氏體不銹鋼強(qiáng)化機(jī)理［C］∥第三屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.重慶：中國儀器儀表學(xué)會(huì)，1998.