铁道车辆用高强高耐候钢焊接连续冷却转变规律分析

铁道车辆用高强高耐候钢焊接连续冷却转变规律分析

邵光涛王善广郭安飞

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111

摘要：铁道车辆的重量大，再多次碾压时，对铁道的材料造成了一次次压力。因此，本文将具体分析铁道车辆中钢焊接技术连续冷却的变化规律。在铁道车辆中，高强高耐候钢会应用铬元素和钒元素。并且会使用专业的热膨胀仪器对焊接进行冷却实验进行观察。不同情况下添加不同材料的钢组织的冷却反应和硬度情况皆不相同，结果呈现也并不一样。在实验中添加质量分数为3.7%的铬元素与添加质量分数为4.5%铬元素的实验钢的实验会发生不同的的反应。除了讨论铬元素，还会讨论不同温度下添加钒的变化情况。在实验中，任何影响因素最终都会导致实验钢的冷却和硬度结果不同。

关键词：铁道车辆；高强高耐候；钢焊接；连续冷却转变规律

引言：目前，我国的铁路长度位居世界前列，建设铁路的地点也多种多样。在一些自然环境恶劣，地形条件较差的地区，我国也建设了大量的铁路车辆。但是在这些地区，铁路车辆的用钢要求更高。再加之，目前我国的铁路车辆发展标准要求高，要求铁路车辆提高载重，提高速度，降低铁道车辆的本身重量。因此，这对铁路车辆中的用钢要求就更高了。使用在铁路车辆的钢不仅要具有强韧性，还要有极好的耐气候性和焊接性等等。简单来说，钢材料不仅需要硬度达标，还需要极强的适应能力和焊接能力。过去，我国传统的铁路车辆所建造的钢虽然硬度良好，但是耐候性差，使用寿命短。且钢的重量也较大，无法满足铁路车辆的轻量化。所以目前我国研制的钢材料必须要具备高强度高耐候性能。改变钢的性能，就需要添加其他的金属元素。例如铬、铜、镍、钒等等。这些合金元素的添加，能够较好地改变钢的性能，并且在焊接中也能发生很大的变化。因此，本文将会具体介绍实验钢在实验中的过程及转变规律，希望能够为相关读者提供一定的参考。

一、实验材料和实验方法

目前，我们国家在实验中得到的高强度高耐候钢是S450EW。因为这种钢的使用性能相较其他刚较好，且合金元素在反应中的转变也较为积极。例如镍，铜，铬这些元素在实验中发生的力学性能变化也十分明显。在实验中，会从实验室选取现场生产的热轧板卷的成品。主要会设置为两组，一组板卷的铬含量数值为3.4%，另一组铬含量的数值会比一组实验的含量高。然后会启动实验室中的热膨胀仪器对S4501EW的热扎板卷进行焊接。在焊接中会保持同样的热加速度，并且两组实验所采用热轧板卷的尺寸，厚度，形状皆是一模一样的。在热模拟实验中，会调整热膨胀仪的温度，并观察两组同一时间段的冷却速度。观察多个反应时间和温度，计算出冷却速度。除此之外，还要设置不同的条件进行实验，在临界点时进行焊接，所得出的数据后再制作成数据图。这是对S450EW冷却变化的实验。[1]此外，样品会进行切割，研磨，抛光等步骤，再用硝酸酒精等具有腐蚀性的溶液对实验钢进行涂抹处理。依次观察实验钢的耐腐蚀性。再用专门的显微镜进行观察来对比，不同时间段和不同位置钢的硬度和侵蚀状况。这是为了通过实验来测量钢的耐候性。

二、实验过程的相关分析

（一）不同材料的不同反应结果

为了详细的研究出实验钢高强度，高耐候性的焊接冷却规律，实验会不停更改影响因素进行探究。根据上段所提及的实验材料和实验方法，科研人员得出了以下结论。首先，当冷却速度较低时，第一实验组的钢组织内部发生了较多反应。钢组织主要变成了铁素体，珠光体，贝氏体。其中，钢素体的含量是最高的，而贝氏体的体积是最大的。当冷却速度在0.5摄氏度每秒时，刚组织主要成分为钢素体和贝氏体，珠光体含量较少。当冷却速度为1摄氏度每秒时，钢组织内主要就是贝氏体和马氏体的变化。在这个阶段需要注意的是，贝氏体的组成形态发生了变化，呈粒状分布。再次之后，冷却速度会持续提高。[2]当冷却速度大于10摄氏度每秒时，实验钢的组织主要就是马氏体。并且，马氏体在钢组织内分部致密。在这个变化中，需要注意的是5摄氏度每秒这个特殊点，因为在5摄氏度每秒后贝氏体就逐渐消失了。

（二）高强高耐候钢焊接连续冷却转变规律

两组实验中原始材料的最大差别就是铬元素的含量。铬元素具有较强的耐腐蚀性，添加铬元素的初心是为了提高实验钢的耐气候性。通过对实验钢焊接热实验的反应，观察两组实验钢内部组织的变化。在实验整体中，第一实验组内的影响变化较多。整体的两个实验组变化特点具有相似性。一实验钢的焊接热实验发生了铁素体，珠光体，贝氏体和马氏体的变化。并且加热速度的转变点在830度附近。通过实验钢焊接，可以获得特殊的光体组织。这种光体组织是由铁素体，珠光体，贝氏体形成的。它所呈现的特点是强韧性。在第二组的实验钢焊接中，并未发现铁素体和珠光体的出现变化。实验钢内部主要是贝氏体和马氏体的转变。并且在加热中加热速度的关键转变点，相较第一组而言，高了50摄氏度左右。[3]因为实验组一和实验组二所研制的原材料是不同含量铬元素的实验钢。所以能够得出结论，铬含量较高会对实验钢的冷却速度产生较大影响。并且在

热反应中，较高含量的铬元素带走碳元素，增加了贝氏体转化的温度。使得在较低的冷却速度下，就可以发生贝氏体和马氏体的转化。

三、结束语

通过实验，得出的结论是铬元素含量为3.7%的实验钢在十分钟和二十分钟之间的冷却速度较好。并在此期间的热反应中，材料会发生贝氏体和马氏体的转变。当钢的冷却速度大于10摄氏度时，在热实验中，材料只会发生贝氏体转化。当钢的冷却速度在1至2摄氏度时，热反应会同时发生在贝氏体和马氏体之间。当钢的冷却速度，在5至10摄氏度之间时，只会发生马氏体的力学转变。在实验中添加的合金元素变化最明显的就是铬，铬含量的增加会影响实验钢中的铁素体和珠光体，并且会加快冷却温度。出现这些变化后，发现铬元素含量较高的第二个实验组钢硬度会大于一实验组的钢硬度。但是值得注意的是，在10摄氏度每秒的冷却速度时，实验钢会出现一个波动。这是受到了钒元素的影响。在焊接的过程中，也发现了第一实验组具有较好的综合力学能力，第二实验组的钢虽然硬度较好，但是综合能力还需要进行后续处理。

参考文献：

[1]胡学文, 张建, 张海涛,等. 铁道车辆用高强高耐候钢焊接连续冷却转变规律[J]. 安徽工业大学学报：自然科学版, 2018, 35(2):5.

[2]胡学文, 张建, 张海涛,等. 铁道车辆用高强高耐候钢焊接连续冷却转变规律[J]. 安徽工业大学学报：自然科学版, 2018, 35(2):5.

[3]张春玲, 蔡大勇, 廖波,等. 09CuPCrNiMoNb耐候钢连续冷却转变及热轧双相化的研究[J]. 材料热处理学报, 2004.