（车辆工程专业论文）301ln不锈钢冷轧板及其电阻点焊性能研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：3 0 1 l n 奥氏体不锈钢是亚稳态合金，室温下的塑性变形就可以导致诱发马 氏体相变，引起其组织和性能发生一系列变化。本论文通过拉伸试验和微观分析 方法对国产和进口商用冷轧态3 0 1 l n 奥氏体不锈钢的组织、性能分别进行对比研 究，明确了各基本参数如塑性变形量、马氏体转变量和抗拉强度之间的变化关系。 国产和进口板材的屈服强度和抗拉强度随硬化程度的增大而提高，而塑性随 着硬化程度的增大而降低，其原因是随着预应变量增大，板材中形变诱发马氏体 转变量增多，而马氏体的强度比奥氏体高、塑性较奥氏体低。进口和国产4 4 h 板的强度基本相同，但国产板塑性较进口板具有显著优势。原因是国产板的氮含 量较进口板高，而氮可以提高奥氏体稳定性，使得进口板中有较多的马氏体相变 发生，而国产板中奥氏体较多。进口4 4 h 板材中较高的马氏体含量以及形变挛晶 的出现使板材的塑性变形困难。 将应变硬化程度不同、厚度相同的国产和进口商用3 0 l l n 不锈钢冷轧板采用 相同的焊接工艺分别制成标准电阻点焊试样，对它们进行了疲劳试验和微观结构 分析。结果表明：应变硬化程度较高的国产板点焊试样疲劳极限低于应变硬化程 度较低的进1 3 板点焊试样。国产板点焊试样焊点边缘产生了折叠变形；该部位同 时存在再结晶组织和应变硬化组织，所以不但有结构应力集中而且出现了组织性 能不均匀所造成的应力集中，折叠变形和应力集中是造成疲劳极限降低的主要原 因。 关键词：3 0 1 l n 冷轧不锈钢；应变硬化：马氏体；电阻点焊；疲劳强度 分类号：t g l 4 2 7 ；t g l l 3 2 5 北京交通大学硕士学位论文 a bs ，t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：3 0 1 l na u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e li sm e t a s t a b l es t a t ea l l o y , p l a s t i c d e f o r m a t i o nw i l li n d u c em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o na tr o o m t e m p e r a t u r e ，t h e nc a u s i n ga s e r i e so fv a r i a t i o no fs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f d o m e s t i ca n di m p o r t e dc o m m e r c i a lg r a d e so fc o l dr o l l i n g3 0 1 l ns t a i n l e s ss t e e lw e r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l yb ym e a n so ft e n s i l et e s ta n dm i c r o a n a l y s i sm e t h o d s ，c o n f i r m i n g t h er e l a t i o no fb a s i c p a r a m e t e r s ，e g p l a s t i c d e f o r m a t i o n d e l t a , m a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o na m o u n ta n dt e n s i l es t r e n g t h 1 1 l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho fd o m e s t i c s t a i n l e s ss t e e li m p r o v e da n dt h ep l a s t i c i t yr e d u c e dw i t hi n c r e a s i n go fs t r a i nh a r d e n i n g t h er e a s o nw a st l l a tt r a n s f o r m a t i o na m o u n to fi n d u c e dm a r t e n s i t ei n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n go fp r e s t r a i n ，a n dt h es t r e n g t ho fm a r t e n s i t ew a sh i g h e ra n dp l a s t i c i t yw a s l o w e rt h a na u s t e n i t e s t h es t r e n g t ho fd o m e s t i c4 4 hs h e e tw a sa l m o s te q u a lt ot h a to f i m p o r t e d s h e e tw i t ht h es a n l es t r a i nh a r d e n i n g , a n dt h ep l a s t i c i t yw a sh i g h e rt h a n i m p o r t e ds h e e t s t h em a i nr e a s o nw a st h a tn i t r o g e nc o n t e n to fd o m e s t i cs h e e tw a s h i g h e rt h a nt h a to f i m p o r t e ds h e e t , a n dn i t r o g e nc o u l di n c r e a s et h es t a b i l i t yo f a u s t e n i t e t h e nm o r em a r t e n s i t ea p p e a r e di ni m p o r t e ds h e e t a n dag r e a td e a lo fm a r t e n s i t e c o n t e n ta n dd e f o r m a t i o nt w i ni ni m p o r t e ds h e e tb l o c k e dp l a s t i cd e f o r m a t i o n t w ok i n d so fs t a n d a r dr e s i s t a n c e s p o tw e l d i n gf a t i g u es p e c i m e n sw e r e r e s p e c t i v e l yp r e p a r e dw i t ht h es a m et l l i c kd o m e s t i ca n di m p o r t e dc o m m e r c i a lg r a d e so f c o l dr o l l i n g3 0 1 l ns t a i n l e s ss t e e lw i t l ld i f f e r e n ts t r a i nh a r d e n i n g , b ya d o p t i n gt h es a m e r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e r s f a t i g u et e s ta n dm i c r o s t m c t u r ea n a l y s i s o nt h et w ok i n d so fs p o tw e l d i n gs p e c i m e n sh a v eb e e np e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ef a t i g u el i m i to ft r i g h e rs t r a i nh a r d e n i n gd o m e s t i cs p e c i m e nw a sl o w e r t h e r e w a sf o l d i n gd e f o r m a t i o no nt h ee d g eo fs p o tw e l d i n gj o i n to fd o m e s t i cs p e c i m e n r e e r y s t a l l i z e dm i c r o s t m c t u r ea n ds t r a i nh a r d e n i n gm i c r o s t m c t u r ew e r es i m u l t a n e o u s l y f o u n do nt h es a m ea r e a , w h i c hr e s u l t e di nn o to n l ys t r u c t u r a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o nb u t t h eo n er e s u l t i n gf r o mn o n - u n i f o r mt e x t u r e t h e r e f o r e ，f o l d i n gd e f o r m a t i o na n ds t r e s s c o n c e n t r a t i o na l et h em a i nr e a s o n so f f a t i g u el i m i td e c r e a s e k e y w o r d s ：3 0 1 l nc o l d r o l l i n g s t a i n l e s s s t e e l ；s t r a i nh a r d e n i n g ；m a r t e n s i t e ； r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gj o i n t ；f a t i g u es t r e n g t h c l a s s n o ：t g l 4 2 。7 ：t g l l 3 2 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阗和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：南往，导师签名 刮缫 签字日期：细年协月却日签字日期：厶m ( 本缸月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘伟副教授的悉心指导下完成的，刘伟副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘伟老师对我的关心和指导。 李强教授、王文静老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李强老师、王文静老师表示衷心的 谢意。 李卫京高工对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，周立涛等同学对我论文中的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 一、不锈钢铁道客车及其材料 1 国外不锈钢铁道客车 在2 0 世纪3 0 年代，美国和法国就开始用不锈钢制造铁道车辆。目前日本不 锈钢车体的制造技术已日臻成熟和完善，在此方面也居世界领先水平。日本首次 制造的不锈钢车辆为1 9 5 8 年问世的东急5 2 0 0 系。该车外墙板采用不锈钢板，而 底架等结构则采用普通碳钢，解决了外墙板腐蚀及无涂装化，基本可以免维修。 为了提高轻量化与免维修的效应，对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。 在5 0 年代使用s u s3 0 4 不锈钢加工成波纹状外装板，装配在普通钢制的车辆底 盘上，车厢内部配件和强度要求不高的部件，制成半不锈钢车辆。而后开发了 全不锈钢车辆，对于车体框架和其它结构件，采用强度较高的s u s 3 0 1 不锈钢。 这种不锈钢的特点蚀冷加工变形产生硬化，因此采用“硬化冷轧”这种比较经济 的加工处理方法可以获得强度较高的s u s 3 0 1 不锈钢。但是j i s 觌定s u s 3 0 1 不锈 钢的碳含量不高于o 1 5 。因为高碳含量的s u s 3 0 1 不锈钢会导致焊缝热影响区 的晶间腐蚀问题，所以后来低碳含量的s u s 3 0 i l 取代了高碳s u s 3 0 1 不锈钢的应 用。s u s3 0 1 l 不锈钢作为车辆专用材料改善了不锈钢的焊接性能，增强耐蚀性， 提高强度。不锈钢用于输送旅客的火车可以提高安全性，因为不锈钢具有非常好 的成型性能，而且在成型的同时得到硬化，在列车发生碰撞的时候，冲击能由一 节车厢传递给下一节车厢，这种冲击能是碳钢所能吸收能量的二倍半，从而导致 碳钢零件的损坏，而不锈钢在强烈的冲击下，通过自身的强化而吸收能量，较碳 钢的断裂风险小得多。 日本不锈钢客车的减重效果与铝合金车体相比己毫不逊色，而在经济性、安 全性和抗腐蚀性方面更具有优势。在多品种、小批量生产中逐渐标准化，并正在 努力向机械化和机器人化的工业产品化方向发展。8 0 年代初随着日本代山手线不 锈钢列车投入运行，其它铁路线也相继引入不锈钢列车，从而使火车车辆用不锈 钢的需求量增大。使用不锈钢做客车车辆不需要考虑腐蚀损耗，可以选用较薄的 钢板，不需要外装饰，因而达到了车辆的轻量化，此外，车辆容易保养，使用寿 命很长。 随着经济的发展，不锈钢的应用越来越广泛，由于奥氏体不锈钢具有无磁性， 良好的焊接性能及抗蚀性能，成为产量、用量最大，型号最多的一种不锈钢。随 着铁道客车的快速发展和奥氏体不锈钢的应用领域愈来愈广泛，对奥氏体不锈钢 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 强度、韧性、低磁性和耐蚀性均提出了越来越高的要求，这些要求成为高强度奥 氏体不锈钢( r p 0 2 一 4 0 0 m p a ) “1 发展的动力。奥氏体不锈钢不能利用热处理使晶粒 细化，也不能通过淬火提高其硬度，显微组织为奥氏体，所以普通的奥氏体不锈 钢强度都较低。获得高强高韧奥氏体不锈钢的一个重要途径为以氮代碳，在奥氏 体不锈钢中，氮和碳都能增加奥氏体稳定性，并有效提高钢的冷加工强度等。因 此，现在已经发展了含氮量较高而含碳量较低的s u s 3 0 1 l n 不锈钢，由于高含氮量 使它获得了高强高韧性，低含碳量使晶间腐蚀倾向减小。目前，s u s 3 0 l l n 不锈钢 已广泛应用于铁道客车的生产，进一步提高了车辆的轻量化和免维修。高氮含量 已经成为奥氏体不锈钢的发展方向。 2 国内不锈钢客车的发展及其材料 由于列车的不断提速，对车辆轻量化的要求也随之越来越强烈。对于轨道交 通车辆的车体结构而言，主要的要求是强度高、刚度好、车体轻量化和优良的抗 腐蚀能力以及减免维修，不锈钢客车适合速度在1 6 0 k m h - 2 0 0 k m h 情况下运行“1 。 我国繁忙干线运行的速度为1 6 0 k m h ，虽然高速代表了发展趋势，但考虑到我国 的国情，以及不锈钢车体的高抗腐蚀性，高安全性和使用寿命长、低维修量、成 产工艺易于简化、环境污染小等优点，我国铁路在很长一段时间内仍要以2 0 0 k m h 以下的旅客列车为主要运输手段。这些都表明不锈钢车辆在我国的使用将有广阔 的前景。 我国的不锈钢客车制造冈u 起步不久，技术尚不成熟，很多方面需要完善。长 春轨道客车股份有限公司在这方面走在国内的前列：早在1 9 8 7 年，长客厂就采用 太原钢铁公司的0 c r l 8 n i 9 材料，使用传统的电弧焊工艺生产了国内第一辆不锈钢 车，并配属给了铁路武昌车辆段；1 9 9 5 年，长客厂与韩进公司联合开发了轻量化 不锈钢车辆3 0 辆，运用于我国南方衡广铁路；在2 0 0 2 年又对不锈钢车体进行第 二阶段的研制，更透彻地消化吸收日本在不锈钢车辆方面的经验，聘请外国专家， 并于2 0 0 2 年初制造出了全新的点焊结构轻量化不锈钢车体，在此基础上，又生产 出4 辆北京城铁不锈钢车辆：2 0 0 3 年7 月，长春轨道客车股份有限公司为天津滨 海快速轨道交通发展有限公司设计的银白色不锈钢城轨客车下线，这是我国自行 研制的首例不锈钢城轨客车，也是我国第一个时速达到1 0 0 k i n 的城市轨道客车， 它标志着我国城轨车技术实现了由碳钢车体向不锈钢车体的成功跨越。 国内不锈钢板材方面，在1 9 9 2 年北方交通大学和太原钢厂就联合研究和开发 了经济型不锈钢0 c r l 7 n i 7 ( 相当于s u s 3 0 1 l ) ，并进行了腐蚀、冷冲和焊接方面 的试验，性能均达到0 c r l 8 n i 9 的指标，是比较有希望的国产不锈钢客车用材。目 前，太钢的车辆专用不锈钢板已经研制成功，各方面的性能基本达到日本进口钢板 的水平，准备投入批量生产，为我国发展国产不锈钢客车奠定了坚实的基础。 2 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 二、高氮奥氏体不锈钢的特征 奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性、成型性，以及在很宽温度范围内的强韧 性，从它开发成功以来一直受到人们的高度重视，成为2 0 世纪以来最具代表性的 金属材料之一。在2 0 世纪初英国、美国和德国几乎同时分别开发成功了现仍使用 的代表性钢种马氏体不锈钢、铁索体不锈钢和奥氏体不锈钢，并使之商业化。在 2 0 世纪7 0 年代开发了双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢等钢种。使不锈钢在石油化 工、化学工业、原子能工业、轻工食品、家用电器、医疗器械、建筑装潢等众多 行业中获得广泛的应用。 与铁素体、马氏体不锈钢及铁索体一奥氏体双相不锈钢相比，铬镍奥氏体不锈 钢在多种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性，并且综合力学性能良好，同时工艺性能 和可焊性等优良，因而在多种化工加工及轻工等领域获得了最广泛的应用。奥氏 体不锈钢的非铁磁性和良好的低温韧性也进一步扩大了其应用范围。但是铬镍奥 氏体不锈钢强度、硬度偏低，不宜用于承受较重负荷及对硬度和耐磨性有要求的 设备或部件。而高氮奥氏体不锈钢由于氮的固溶强化作用可以达到相当高的强度， 适宜用于承受较重负荷而耐蚀性要求不太高的设备构件”。 在奥氏体不锈钢中，n 和c 都能增加奥氏体稳定性，并有效提高钢的冷加工强 度等。可是提高c 含量会降低奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能，而在奥氏体钢中， 提高n 含量很少见至i j c r 2 n 的析出脚，因此加入适量的氮能在提高钢的强度和抗氧化 性的同时，不降低不锈钢的抗晶间腐蚀性能，这是在奥氏体不锈钢中应用氮作为 奥氏体稳定剂的原因之一。一般情况下，氮在钢中的溶解度小于0 1 5 ，可以通过 提高c r 和h 恤含量的方法来提高n 在钢中的溶解度。高氮合金的使用比其他合金更 为有利，这些优点包括：( 1 ) 屈服强度、拉伸强度高和延展性好；( 2 ) 同时具备 高强度与高断裂韧性；( 3 ) 高应变硬化潜力；( 4 ) 阻止形成变形诱导马氏体；( 5 ) 良好的耐蚀性能。性能得到改善的高氮合金钢在最近几年迅速发展。强度、断裂 韧性、耐磨性、磁性及耐腐蚀性等方面综合性能良好的高氮钢具有特别的优势， 从而为其在许多工业及工程领域应用提供了良好的前景。发展高氮钢的主要动力 在于能提高力学性能及不锈钢的耐蚀性，相比一般奥氏体不锈钢，高氮不锈钢可 以达到较高的屈服及拉伸强度，并且在不牺牲韧性的退火状态下，屈服和拉伸强 度超过一般a l s l 2 0 0 及a i s l 3 0 0 系列钢的2 0 0 , - 3 5 0 蚴。由于高氮钢有应变硬化潜 力，冷变形进一步改善了性能，使屈服强度得到极大提高。早在1 9 4 0 年就认识到 氮对耐蚀性的有利影响，但直至u 1 9 8 0 年才完全定量化这一性能。高氮合金钢极高 的屈服强度是其迅猛发展的主要原因之一。高屈服强度是各种基本硬化机理一起 发生作用实现的，这些机理包括固溶硬化、晶界硬化、加工硬化及析出硬化。虽 然氮可提高奥氏体不锈钢的屈服强度，但若氮含量或其它合金元素含量过高往往 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 导致奥氏体不锈钢的耐蚀性和加工性能的恶化。此时采用多种合金元素复合作用， 可以得到理想的性能。如采用c 、m n 、n 或n i 、m n 、n 的复合作用，发展高氮高 锰奥氏体不锈钢，可以获得屈服强度r p o 28 0 0 m p a 的高氮商锰奥氏体不锈钢。 新的冶炼技术，如氩氧精炼、加压电渣熔炼平衡压力浇铸等，能准确控制钢 中n 含量，达到利用n 来控制钢中组织的目的。近期研究结果表明，适当调整不锈 钢成分，特别是c r 与m n 的配比，能将钢中的n 含量稳定在0 5 左右。早在上个世 纪9 0 年代，瑞典的阿维斯塔钢铁有限公司就研制出来6 5 4 s m o ( u n s s 3 2 6 5 4 ) 钢o 】。 该钢是目前合金含量最高的奥氏体不锈钢之一，也是n 含量最高的奥氏体不锈钢之 一。6 5 4 钢中c 含量o 0 2 ，氮含量为0 5 左右。和普通的o c r l 8 n i 9 钢相比，c r 、 n i 含量都有所增加，c 含量由0 0 7 降到0 0 2 ，n 含量由无或极少量增加到o 5 。 以n 代c ，使该钢在保持耐蚀性的同时，大大地提高了强度，同时其塑性并不降低。 德国是高强度奥氏体不锈钢发展和应用水平较高的国家之一，该国生产的高 氮奥氏体不锈钢钢已经应用在海军建设和民用行业中。该钢的c 含量o 0 3 ，而 n 含量在0 2 一o 3 5 的范围内。该钢的屈服强度高于4 3 0 m p a ，抗拉强度大于 7 0 0 9 5 0 m p a 。俄罗斯科学院冶金和材料学研究所的专家利用以n 代c 的方法开发了 含n 量较高的h c 一5 t 钢，该钢中的n 含量可达0 2 5 一0 4 5 。由于钢中的n 可促使铁 的介电子稳定运转，不易与氧发生反应，因此该钢有很好的耐蚀性。对h g - 5 t 钢及 其焊缝金属进行了多项试验，结果显示，h c - 5 t 钢焊缝的力学性能与钢材本身的力 学性能相近，屈服强度大于4 0 0 - 7 0 0 m p a 。图1 1 为高氮奥氏体钢、奥氏体钢及铁素 体钢的强度和塑性对比脚。由图1 1 可见，高氮奥氏体钢比另两种钢有更好的强度 和塑性匹配，即屈服强度相同时，高氮奥氏体钢的伸长率最大；在相同的伸长率 条件下，高氮奥氏体钢的屈服强度最高。因此，高氮奥氏体钢在满足较高强度的 同时又达到了一定韧性及塑性的匹配。 图1 1 高氮奥氏体钢及铁素体钢的性能对比 f i g 1 1 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f l l j g l ln i t r o g e ns t e e la n df e r r i t es t e e l 4 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 三、3 0 1 l n 冷轧不锈钢 3 0 1 l n 奥氏体不锈钢以其良好的耐蚀性、塑性变形能力和韧性，较低的屈强 比，以及优良的高、低温机械性能成为车辆制造业首选的结构材料。目前，发达 国家如日本、德国等的铁路和城轨不锈钢车辆普遍使用3 0 1 l n 系奥氏体不锈钢。 3 0 1 l n 是一种亚稳定奥氏体不锈钢，在固溶状态下具有完全的奥氏体组织。 但是，经过冷变形加工，取决于变形量的大小，会有一部分乃至大部分奥氏体变 成马氏体，从而钢的强度和硬度显著提高。同时该钢种在大气条件下也有较好的 耐蚀性。因而此钢主要以冷加工状态应用于承受较高负荷、又希望减轻设备重量 和不生锈的设备或构件，比如铁道车辆的装饰板、传送带和紧固件等。 在固溶状态下，3 0 1 l n 和其他奥氏体不锈钢一样，强度较低而塑性很好。但 经过冷变形加工，强度明显提高，塑性相应降低。进行冷变形加工时，由于冷作 硬化倾向较强，要增加中间软化退火次数。该钢种适宜的固溶处理温度( 以及中 间软化退火温度) 为1 0 5 0 - 1 1 0 0 “) 。该钢种在固溶状态下焊接无困难，但冷轧态 材料进行焊接会在焊缝附近形成低强度区而影响使用，因而不推荐在焊接状态下 应用。若不可避免焊接时，应尽量减少热输入或采用电阻焊( 点焊、滚焊) 。 四、3 0 1 l n 冷轧不锈钢的点焊技术 由上节讨论可知，3 0 1 l n 冷轧奥氏体不锈钢在焊接时应采用电阻焊，本文所 研究的3 0 1 l n 不锈钢采用电阻点焊。铁道客车的性能一方面与不锈钢材料的使用 有关，另一方面主要取决于焊接接头的机械性能。目前国际上不锈钢客车制造多 采用s u s 3 0 1 l n 不锈钢，这种不锈钢的线膨胀系数大，导热系数小，容易发生热 影响带来的应交，而且薄板用弧焊方法焊接变形大、易焊穿，影响车的外观质量。 此外，不锈钢车体的整个结构和制造工艺与传统的碳钢车体有较大差异，以上这 些因素决定了不锈钢车的焊接主要采用电阻点焊工艺。 电阻点焊具有低能耗、低成本、高质量、高效率、且便于实现自动化、使用 方便、可在大气中直接进行等特点。无耗材，无需焊条，焊丝和焊药等，焊接过 程耗热小，无烟尘等有害物质，无刺眼的光污染，工作电压只有几个伏特，是一 种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。研究结果表明，点焊熔 核孕育处理可提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度”1 。为点焊质量监控技术 开辟了一条新路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。 保证电阻点焊接头质量，提高其可靠性的核心就是在生产过程中运用先进的技术 和设备实施质量控制。特别是由于点焊工艺运用的广泛性、重要性和具有代表性， 点焊质量控制技术始终是电阻焊领域研究的前沿和热点。点焊过程是一个高度非 线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，具有形核过程时间极短， 处于封闭状态无法观测，特征信号提取困难等特点。这就造成焊点质量参数( 熔核 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 直径、强度等) 无法直接测量，只能通过一些点焊过程参数( 焊接电流、电极闯电 压、动态电阻、能量、热膨胀电极位移、声发射、红外辐射和超声波等) 进行间接 的推断，极大影响了点焊质量监控的准确性和可靠性。经过较长时间的探索和实 践，发展多参量综合监测技术是提高点焊质量监控精度的有效途径。1 ，吴茂国：不 锈钢客车焊点组织结构及性能的研究，学位论文，北京，北京交通大学，2 0 0 5 即充分利用监测信息，采用合理的建模手段，建立合理的多元非线性监测模 型并使该模型能在较宽条件内提供准确、可靠的点焊质量信息，是质量控制技术 关键。研究表明，利用神经元网络理论、模糊逻辑理论、数值模拟技术及专家系 统等可望解决真正的点焊质量直接控制，将点焊质量控制技术的研究推向一个新 高度。 五、论文研究意义和内容 由于奥氏体不锈钢具有无磁性，良好的焊接性能及抗蚀性能，使得不锈钢的 应用越来越广泛。随着铁道客车的快速发展和奥氏体不锈钢的应用领域愈来愈广， 对奥氏体不锈钢强度、韧性、低磁性和耐蚀性均提出了越来越高的要求，这些要 求成为高强度奥氏体不锈钢发展的动力。获得高强高韧奥氏体不锈钢的一个重要 途径为以氮代碳，在奥氏体不锈钢中，氮和碳都能增加奥氏体稳定性，并有效提 高钢的冷加工强度等。而且氮的加入可以节省价格昂贵的镍元素，氮抑制铁素体 形成的能力为镍的3 0 倍，如之又有改善耐蚀性和提高强度的作用，因而用氮合金 化的奥氏体不锈钢的数量和氮合金化的程度均呈与日俱增之势。氮会减缓面心立 方结构向体心和密排六方结构马氏体的转变。碳形成奥氏体的能力约为镍的3 0 倍，通过固溶强化可显著提高奥氏体不锈钢的强度。现在已经发展的含氮量较高 的3 0 1 l n 不锈钢，由于高含氮量使它获得了高强韧性，低含碳量使晶间腐蚀倾向 减小。目前，3 0 1 l n 不锈钢己广泛应用于铁道客车和其他工业、工程领域的生产， 高氮含量已经成为奥氏体不锈钢的发展方向，因此研究含氮量较高的3 0 1 l n 不锈 钢各方面性能具有重要的意义。 目前，国外正将奥氏体不锈钢大量用于铁道客车的制造。与传统的碳钢车和 耐候钢车相比，不锈钢车可最大限度地降低构件壁厚，减轻车体质量，并可大大 降低维修和运营成本。国外不锈钢车体制造技术日臻成熟，已成为当前轻量化车 体的主流；而我国在不锈钢客车的研发和制造方面还有很多工作要做。3 0 1 l n 不 锈钢是制造不锈钢客车的主要材料，以前均需从国外进口，为降低成本目前我国 已经对3 0 1 l n 不锈钢进行了国产化，研制出自己的车辆用冷轧不锈钢板，并已部 分投入使用。本文是针对车体中用量较大的3 0 1 l n 不锈钢，选用进口和国产商用 奥氏体不锈钢板，分别对固溶态和冷轧态板材进行了拉伸试验，并对冷轧板的电 阻点焊试样进行疲劳试验，分析比较它们的微观组织结构和性能的差异。具体研 6 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 究内容如下： ( 1 ) 分别对进口4 4 h ( h 表示应变硬化) 冷轧态3 0 1 l n 不锈钢和硬化程度不 同的三种国产不锈钢：固溶态( s ) 板材、1 4 h 冷轧态板材和4 4 h 冷轧态 板材进行了拉伸试验。分析比较三种国产板随硬化程度变化它们的拉伸性 能差异，以及硬化程度相同的国产和进口冷轧板的拉伸性能。 ( 2 ) 利用金相分析、扫描电镜分析( s e m ) 、x 射线衍射等微观分析方法，分 别对硬化程度不同的三种国产板和进口4 4 h 冷轧板拉伸试验前后的微观 组织进行了对比研究，分析了随硬化程度增大国产不锈钢的显微结构变化 规律，以及相同硬化程度的国产和进口板的组织结构差异。 ( 3 ) 将厚度和宽度分别相等的国产和进口3 0 1 l n 商用奥氏体不锈钢板材制成 标准电阻点焊试样，两种板材均经过相同工艺的冷轧处理。对点焊试样进 行剪切拉伸疲劳试验，分析比较国产和进口板点焊接头的疲劳性能。 ( 4 ) 对疲劳试验前后的国产和进口板点焊接头进行微观组织结构分析，研究了 各种因素对点焊接头疲劳性能的影响，及其失效原因；比较两种板材点焊 接头佳能的差异。 六、小结 为了提高轻量化与免维修的效应，在5 0 年代使用s u s3 0 4 不锈钢加工成波 纹状外装扳，制成半不锈钢车辆。后来研制出强度较高的s u s 3 0 1 不锈钢，用于 车体框架和其它结构件，开发了全不锈钢车辆。为了改善不锈钢的焊接性能、增 强耐蚀性，产生了s u s3 0 1 l 不锈钢，其作为车辆专用材料大大地提高了车体构 件的强度。由于s u s3 0 1 l 不锈钢的韧性较低，现在已经发展了含氮量较高而含 碳量较低的s u s 3 0 1 l n 不锈钢，高含氮量使它获得了高强韧性，低含碳量使晶间 腐蚀倾向减小。目前，s u s 3 0 1 l n 不锈钢已广泛应用于铁道客车的生产，进一步 提高了车辆的轻量化和免维修。高氮含量已经成为奥氏体不锈钢的发展方向。虽 然国内对高氮不锈钢的研究已经取得一些成果，但跟世界先进水平的差距还较大， 本文正是对国产和进口3 0 1 l n 不锈钢板的拉伸性能和点焊疲劳性能进行宏观和 微观组织结构分析，为国内不锈钢的发展提供了一定的基础试验数据。 7 北京交通大学硕士学位论文 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 2 。1 引言 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 由于不锈钢具有许多碳钢和耐候钢无法比拟的优点，如机械性能好、耐腐蚀、 抗冲击、成型能力好等，所以自从2 0 世纪3 0 年代国外就开始发展不锈钢客车生 产技术，而国内在这方面的研究尚处于起步阶段，因此本章主要对三种应变硬化 程度不同的国产亚稳态奥氏体不锈钢及全硬化进口3 0 1 l n 商用亚稳态不锈钢的 拉伸性能进行分析研究，为不锈钢客车用亚稳态奥氏体不锈钢的国产化提供了一 定的数据和试验依据。 2 2 试验材料及方法 试验材料是厚4 0 m m 的进口4 4 h ( h 表示应变硬化) 冷轧态3 0 1 l n 亚稳态 不锈钢和厚度均为4 ，5 m m 的硬化程度不同的三种国产亚稳态不锈钢：固溶态( s ) 板材、l t 4 h 冷轧态板材和4 4 1 - i 冷轧态板材。固溶态( s ) 板材的热处理工艺为将 i 4 h 冷轧板材放入空气介质炉中，用铸铁屑覆盖试件表面，加热到1 0 5 0 c 左右保 温3 0 分钟，然后水淬快冷至室温帆。 采用火花源发射光谱法g b t11 1 7 0 1 9 8 9 ( n 元素采用热导法( n a c i s ，ch 0 0 7 ：2 0 0 5 ) ) 测定材料的化学成分。各种钢的化学成分见表2 1 。 表2 1 各种材料的化学成分( w l ) t a b l e 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( w t ) o f 3 0 1 l ns t a i n l e s ss t e e l 按照g b , r i 2 2 8 - 2 0 0 2 制取试样，如图2 1 所示，试样的各个尺寸列干表2 2 。 在m t s 材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度2 r a m r a i n ，拉伸方向与轧制 方向相同。 北京交通大学硕士学位论文 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 图2 i 拉伸试祥 f i g 2 1 t e n s i o ns p e c i m e n 表2 2 试样尺寸单位：n m t a b l e 2 2s p e c i m e nd i m e n s i o nu n i t ：n m 板材类型厚度h l ck宽b 国产板 4 55 34 21 2 5 进口板 4 o5 04 01 2 5 2 3 试验结果分析 1 0 0 0 8 0 0 至6 0 0 b 4 0 0 2 0 0 0 00 - 10 - 20 - 3 f 0 40 50 60 7 图2 2 工程应力应变曲线 f i g 2 2 e n g i n e e r i n gs 眈s sa n ds w a i nc u e 由拉伸试验可得到三种国产板材和进口板材的力一位移曲线，由公式 i 仃= p ，4( 2 - d i 艿= n ，厶( 2 2 ) ( 式中4 = b h 为试样原始截面积，厶为原始标长) 可得工程应力口应变万衄线， 如图2 2 所示。由图可知，三种国产板材的抗拉强度、屈服强度随着硬化程度的 增大而增大，变形量随着硬化程度的增大而减少，即板材的塑性随着硬化程度的 9 北京交通大学硕士学位论文 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 增大而降低。表2 3 示出了各参数的变化趋势，硬度也随着硬化程度的增大而增 大。由表可见，国产固溶态、1 4 h 冷轧态板材和进口4 4 h 冷轧板材各自的屈服 强度和抗拉强度差异较大，表明这三种板材在单一变形期间即静拉伸时发生了大 量的：j 口- r 硬化。国产4 4 h 冷轧态板材的屈服强度和抗拉强度的较小差异与其相对 低的交形量说孵它在冷轧过程中已经发生了较大的加工硬化“”，从而导致其在拉 伸试验中表现出较高的强度。 在力一位移曲线中国产4 4 h 板的最大拉力大于进口4 4 h 板，而在工程应力 应变曲线中国产4 4 h 板的抗拉强度却低于进口4 4 h 板，这是因为两种板材的厚 度不一致，在应力应变曲线中消除了试样尺寸的影响。 图2 2 中国产4 4 h 板的拉伸曲线具有较明显的屈服平台，对应的应变量约为 3 ，而进口4 4 h 板没有出现屈服。由表2 3 可知，进口4 4 h 板的抗拉强度比国 产4 4 h 板高6 5 ，但其变形量比国产板低将近3 3 ，也就是说国产4 4 h 板的强 度与硬化程度相同的进口板相差不大，塑性却比进口板具有显著优势，图2 2 也 可说明这一趋势。 表2 3 各种板材的力学性能 t a b l e 2 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 3 0 1 l ns t a i n l e s ss t e e l 墼型耋型红尘竺! 亟型翌旦堕! 塑! 塑 s2 6 56 2 81 2 2 27 7 96 6 9 1 4 h 4 4 h 进口4 4 h 2 9 2 8 5 6 s 9 0 6 8 5 9 2 7 9 8 7 1 3 3 7 3 7 4 8 3 9 0 8 7 1 4 5 0 4 3 3 9 6 8 2 6 3 3 5 0 6 2 4 不锈钢的应变硬化行为 描述硬化阶段的参量通常用硬化率a s a r 或硬化指数nd 1 o 硬化率定义为每 增加一微小应变a 占引起材料应力的增量s ，取极限为d s d t 。 由公式悯 f s = 仃( 1 + 万 1 占= 螂+ d ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 可求得图2 3 所示发生颈缩之前的真应力s 真应变占曲线。图2 4 是四种板材从 屈服到颈缩之闯的对数真应力i n b 与对数真应变l n s 的关系曲线，可以清楚地看 到，在均匀塑性应变范围内四种试样的i n s 与i n 8 都不是线性关系，经典的 h o l l o m o n 公式s = k z ”在整个均匀塑性变形阶段不适用，此时的应变硬化指数n 1 0 北京交通大学硕士学位论文 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 不是恒定值，应变硬化指数在不同应变量下具有多重性。应变硬化指数的多重性 已在许多面心金属材料中发现，特别是在奥氏体钢中更为常见“。 1 4 1 2 0 0 1 0 0 0 芒8 0 0 裹6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0n 1o 2 0 ；3 n40 506 图2 3 真应力应变曲线 f i g 2 3 t m es 仃e s $ a n ds t r a i nc u r y e 图2 4 i n s 和l n e 关系曲线 f i g 2 4 i n s 1 i l ec u r v e 关于应变硬化曲线拟合的方法和理论目前已有相当多的报道，l u d w i g o n 在早 期的研究中发现，锰和氮强化的奥氏体不锈钢以及银、铜、铝、镍等合金的拉伸 行为存在相似的特征( 即对数坐标下的非线性关系) ，并指出在均匀变形阶段的高 应变区，h o l l o m o n 关系式仍然成立“”。据此可以求得 s = 墨矿( 2 - 5 ) 其中k 和n j 的意义与h o l l o m o n 关系式中的相同。而在低应变区，采用此式描述 的应力应变关系与实测曲线间存在一偏差。 对于f e - m n - a 1 - x 系列低温钢，可以利用二次多项式拟合其真应力应变曲线， 且应变硬化指数与真应变之间有线性关系。也有用两个线性方程来拟合真应力 应变的对数曲线。本文用指数函数 i n s = a e x p ( b i n 占) + c( 2 - 6 ) 对硬化阶段的对数真应力应变曲线进行了拟合。四种板材各参量的值列于表2 4 ， 由误差分析结果可知其拟合的精度相当高。 表2 4 公式( 2 - 6 ) 中a 、6 、c 的值及误差结果分析 t a b l e 2 4v a l u eo f a ，b ，ca n de r r o ra n a l y s i sr e s u l to f e q u a t i o n ( 2 6 ) 对公式( 2 6 ) 以i n 占为变量求导，得到应变硬化指数n 与真应变s 之间的关系 ，l = d i n s d l n 占= a b e x p ( b i n s )( 2 - 7 ) 北京交通大学硕士学位论文 23 0 1 l n 不锈钢板的静拉伸性能 其中的参数a 、b 与式( 2 6 ) e e 的相同，由此可得四种板材的应变硬化指数与真应变 的关系曲线( 图2 5 ) 。再由式 _ d s ：力一s ( 2 - 8 ) d e占 可方便地得到应变硬化率d s d s 与真应变s 的关系( 图2 6 ) 。 图2 5 硬化指数与真应变的关系 f i g 2 5r e l a t i o nb e t w e e n s 扛a i nh a r d e n i n g 图2 6 应变硬化率与真应变的关系 f i g 2 6r e l a t i o nb e t w e e ns t r a i nh a r d e n i n g e x p o n e n ta n dt r u es t r a i n r a t e sa n dt r u es t r a i n 由图2 5 可见，几种板材的硬化指数n 都是随着真应变占的增大而增大，不 像常规稳定材料那样具有恒定的n 值。它们的硬化率也比一般稳定材料的要高， 三种国产板的硬化率均随真应变的增大先减小而后又有小幅度的增加，而进口板 的硬化率随着真应变的增加单调降低。为比较方便，我们用平均硬化率“”来说明： 箜：啦 ( 2 9 ) 占 毛 表2 5 给出了几种板材的平均硬化率，可知国产固溶态、1 4 h 冷轧态和进口4 4 h 冷轧态板材具有较高的平均硬化率，说明它们的硬化程度较大。 表2 5 平均硬化率 t a b l e2 5a v e r a g es t r a i nh a r d e n i n gr a t e s 2 5 小结 本章选用不锈钢客车用3 0 1 l n 奥氏体不锈钢材料，主要针对国产和进口固溶 态、冷轧态板材，测定其拉伸曲线，比较应变硬化程度相同的国产和进口板、应 变硬化程度不同的国产板的拉伸性能和应变硬化行为。可得出国产4 4 h 板的强度 与应变硬化