（材料加工工程专业论文）s355j2w耐候钢焊接接头组织及性能研究.pdf

中文摘要 摘要： 随着我国铁路运输业的发展，对制造铁道车辆的材料的性能要求越来越高。 耐候钢由于其优异的耐蚀性和力学性能，已广泛用于铁道车辆。s 3 5 5 j 2 w 耐候钢 主要应用于c r h 3 转向架构架的侧梁及侧梁与横梁的连接处。国内此种钢材完全 依靠进口，对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的研究主要是集中在仿制方面，而对s 3 5 5 j 2 w 耐候 钢性能研究相对较少，尚无s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头的相关文献资料，c r h 3 转 向架构架也时常遇到s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的焊接性问题，均因相关文献资料的短缺而 无法更好更准确的指导焊接工艺。 为研究s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的力学性能，通过比较选用混合二氧化碳保护焊对材 料进行焊接，对空冷状态和退火状态焊接接头各微区进行显微组织研究、显微硬 度研究、拉伸性能研究、冲击性能研究、疲劳性能研究及显微断口形貌研究等， 最终得出不同状态下焊接接头组织及性能变化规律。 研究结果表明，空冷状态焊接接头和退火状态焊接接头各微区组织相似，空 冷状态的焊接接头显微组织的晶界比较清晰。与空冷状态焊接接头相比，退火状 态焊接接头每个区域的晶粒都有明显的细化和均匀化。各微区的显微硬度和冲击 韧性分布是不均匀的，其中过热区成为整个焊接接头中力学性能差异最大、最薄 弱环节，使焊接接头在服役过程中存在安全隐患。退火工艺虽然使焊接接头的硬 度、强度和疲劳寿命略有降低，但其消除焊接接头的残余应力，焊接接头的每个 区域的晶粒得到明显细化，使焊接接头的组织分布更加均匀，提高焊接接头各微 区的韧性。 空冷状态焊接接头和退火状态焊接接头的性能均满足技术要求，并且退火状 态焊接接头的韧性优于空冷状态焊接接头，更适合在列车运行中使用。 关键词：s 3 5 5 j 2 w 钢；焊接接头；显微组织；力学性能 分类号：t g 4 0 7 ；t g l l 5 2 1 a b s 哝a c t a b s i i r a c l l w i t ht h ed e v e l o p m e n tof c h i n e s er a i l w a yi n d u s t r y , t h ep e r f o r m a n c er e q u k e m e n t so f m a t e r i a l su s e di n m a n u f a c t u r i n gr a i l v e h i c l ei n c r e a s en q o r ea n di t i o r e si n c et h e e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a t h e r i n gs t e e lh a sb e e n w i d e l yu s e di nr a i l w a yv e h i c l e s w e a t h e r i n gs t e e ls 3 5 5 j 2 wm a i n l yu s e di nt h es i d e p a n e l so f c r h 3t y p eb o g i e s ，h o w e v e rt h i ss t e e li sc o m p l e t e l yd e p e n d e n to ni m p o r t t h e r e s e a r c ho nw e a t h e r i n gs t e e ls 3 5 5 j 2 wi s m a i n l yc o n c e n t r a t e do ni m i t a t i o n w h e ni t c o m e st oi t sp r o p e r t y , w ec a nh a r d l yf i n da n yr e l a t e dl i t e r a t u r e t h es h o r to fa c c u r a t e b o n d i n gt e c h n o l o g yl e a d st om o r ew e l da b i l i t yp r o b l e m sd u r i n gt h ec r i bt r u c kf r a m e p r o j e c t t or e s e a r c ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fw e a t h e r i n gs t e e ls 3 5 5 j 2 w , w eu s em i x e d c a r b o n - d i o x i d ea r cw e l d i n gt ow e l d t h ed e v e l o p m e n to f w e l d i n gt e c h n o l o g ya n dt h e a n n e a l i n gp r o c e s s ；s t u d yt h em i c r o - a r e am i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h r o u g hc o m p a r i s o no na i r - c o o l e ds t a t ea n da n n e a l e ds t a t eo fw e a t h e r i n gs t e e ls 3 5 5 j 2 w w e l d e dj o i n tb ym e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，m i c r o - h a r d n e s st e s t i n gt e n s i l et e s t i n g ，f a t i g u e t e s t i n g ，i m p a c tt e s t i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h ef r a c t u r em o r p h o l o g ya n a l y s i s f i n a n y , w er e a c ht ot h ew e l d e dj o i n t so r g a n i z a t i o na n dp r o p e r t yt r a n s f o r m a t i o nl a wo f d i f f e r e n ts t a t e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ea i r - c o o b ds t a t ea n dt h ea n n e a l i n gs t a t eo f w e l d e dj o i n t s a r es i m i l a ri ne a c hm i c r od i s t r i c to r g a n i z a t i o n ；h o w e v e r , t h ea i r - c o o l e ds t a t ew e l d e d j o i n t sa l er a t h e rd i s t i n c tt h eg r a i no ft h ea n n e a l i n gs t a t eo fw e l d e dj o i n t si sm o r e t h i n n i n ga n dh o m o g e n i z a t i o nw h e ni tc o m p a r e dt ot h o s eo ft h ea i r c o o l e ds t a t e t h e m i c r oh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s so fe a c hm i c r od i s t r j c ti su n e v e n , o v e r h e a t e dz o n e i st h ew e a k e s tp o i n ti nt h ew h o l ew e l d e dj o i n t , a n di ta l s oh a st h eb i g g e s td i f f e r e n c e b e t w e e nm e c h a n i c a lp r o p e r t m s ，w h i c hl e a dt op o t e n t i a ls a f e t yh a z a r dd u r i n gt h ea r m y t h eh a r d n e s s ，s t r e n g t ha n df a t i g u el i f eo fw e l d e dj o i n t sd e c r e a s e d s l i g h t l y a f t e r a n n e a l i n gp r o c e s s h o w e v e r , t h er e s i d u a ls t r e s so f w e l d e dj o i n t sw a se l i m i n a t e d ，a n dt h e g r a i no fw e l d e dj o i n t sh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yr e f i n e d ，s ot h a tt h em i c r o s t r u c t u r e d i s t r i b u t i o no fw e l d e dj o i n t sb e c o m e si l o r eu n i f o r ma n dt h e p l a s t i cp r o p e r t yw a s i m p r o v e d t h ep e r f o r m a n c eo f a i r c o o l e ds t a t ea n dt h ea n n e a l i n gs t a t eo f w e l d e d j o i n t sm e e tt h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n n e a l i n gs t a t ew e l d e dj o i n t si s b e t t e rt h a na i r - c o o l e ds t a t e ，r e s u l tt h a tt h ea n n e a l i n gs t a t ew e l d e dj o i n t sa l em o r e s u i t a b l ef o ru s ei nt r a i no p e r a t i o n k e y w o r d s ：s 3 5 5 j 2 ws t e e l ；w e l d e dj o i n t s ；m i c r os l r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c l a s s n o ：t g 4 0 7 ；t g l l 5 2 1 v 致谢 本论文的工作是在导师张励忠副教授的悉心指导下完成的。论文工作每个阶 段的开展和完成，都凝聚着张老师无尽的辛勤劳动和智慧。张老师严谨的治学态 度、勤勉的工作作风和正直谦虚的品德等，是自己今后人生道路上永远学习的榜 样。对张老师两年来对自己在学业上的谆谆教诲、工作上的大力支持、生活上的 无尽关怀和无私帮助等，表示深深敬意和衷心的感谢! 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的帮助。在此感谢中国北 车长春轨道客车股份有限公司提供的试验材料和对焊接工艺设计的帮助。特别感 谢工程素质中心布世华老师，王传恭老师，以及李卫京老师在试验过程中的大力 协助。 在实验室工作及撰写论文期间，林基安、张俊、赵宁等同学对我的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 s 3 5 5 j 2 w 耐候钢是按照欧洲标准e n1 0 0 2 5 生产的一种低合金耐候结构钢。目 前，中国北车长春轨道客车股份有限公司长春轨道客车厂制造的动车组等高速列 车c r h 3 转向架构架侧梁及侧梁与横梁的连接处焊接构架即采用了此种钢材。目 前，高速列车应用的此种钢材全部需要进口。国内对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的研究主要 集中在仿制方面，而对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢研究相对较少，尚无s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接 接头的相关文献资料。因材料在加工及焊接后存在残余应力，影响其韧性，为了 在不明显降低其他力学性能的基础上，消除残余应力，提高材料韧性。所以设计 合理的退火工艺，对空冷状态焊接接头进行退火处理显得十分必要。 本课题为北京交通大学与中国北车长春轨道客车股份有限公司合作项目的一 部分。主要研究s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头的力学性能，首先设计合理的焊接工艺 和退火工艺，通过对其各微区进行金相组织研究、显微硬度研究、拉伸性能研究、 疲劳性能研究和冲击性能研究，比较退火前和退火后性能的差异，分析性能影响 因素，并总结规律，为优化合理的焊接工艺和退火工艺提供可靠依据。 3 1 1 1 绪论 1 1研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着我国铁路运输业的迅速发展，列车速度不断提高，转向架焊接构架所承 受的动载荷明显增加，这对转向架构架焊接性能提出了更高的要求，当前铁道车 辆大量采用高强度耐候钢，对钢材的力学性能要求十分严格。同时，也对钢材的 焊接性能和焊接接头的性能提出了更高要求，因为这直接影响到车辆使用安全性 和使用寿命。选用耐候钢作为制造铁道车辆的材料，可以明显减轻车辆在大气中 的严重腐蚀，提高车辆的使用寿命。使用耐候钢制造铁道车辆，实现了制造铁道 车辆钢材的更新换代，敝车的厂修期由4 年延长到1 8 年，段修期由1 年延长到2 年，耐候钢车体的修补工作量也可减少6 0 左右 1 1 。 2 0 0 8 年4 月1 1 日，我国第一列速度达3 5 0 k m h 的c r h 3 “和谐号”动车组在 中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司投入生产，标志着我国铁路技术装备现 代化走向一个新的征程，因此，我国也迈向世界上仅有的几个能制造速度达 3 5 0 k m h 高速铁路移动装备的国家行列。2 0 0 8 年6 月2 4 日，中国铁路第一速度在 c r h 3 型动车组诞生，速度为3 9 4 3 k m h ，2 0 0 8 年8 月1 日该动车组正式投入运营。 2 0 0 9 年年底，又有5 7 列陆续下线投入运营。随着我国铁路运输业的迅速发展，对 用于制造铁道车辆材料的性能要求越来越高。用耐候钢制造铁道车辆，能明显提 高车辆的使用寿命。 对于制造铁道车辆，焊接是其主要连接工斟2 1 。焊接结构由于其连接性能好， 连接方式可行而大量应用于高速列车车体的制造上，如侧墙板、梁及与底架连接 处都通过焊接方式来完成。车辆的焊接结构在运行中，一般都是工作在复杂的大 气环境下，金属材料暴露在空气中，由于空气中的水汽和氧等的化学或电化学作 用而受到腐蚀。而焊接结构中，随着腐蚀程度的加深，最脆弱的地方一般是在应 力集中现象较严重、缺陷比较多的焊接接头部位，这使得焊接接头成为最可能产 生断裂破坏的位置。 钢材的焊接性能和焊接接头的力学性能直接影响着车辆在服役过程中的的性 能。随着c r h 3 转向架项目引入国内，s 3 5 5 j 2 w 耐候钢逐渐广泛使用于铁道车辆 的生产中，但是，s 3 5 5 j 2 w 耐候钢力学性能的相关文献资料还未见报道，c r h 3 转向架构架在使用中也时常遇到s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的力学性能问题，但均因相关文 献资料的不足而无法更好更准确的改善其力学性能。 本课题为北京交通大学与中国北车长春轨道客车股份有限公司合作项目的一 部分。主要研究s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头的力学性能，首先设计合理的焊接工艺 和退火工艺，通过对其各微区进行金相组织研究、显微硬度研究、拉伸性能研究、 疲劳性能研究和冲击性能研究，比较退火前和退火后性能的差异，分析性能影响 因素，并总结规律，为优化合理的焊接工艺和退火工艺提供可靠依据。 1 1 2 研究意义 转向架是铁道车辆的主要构件，在车辆运行过程中承受安装部件的工作载荷 以及牵引、制动和惯性力。转向架构架是转向架的骨架，是其他零部件的安装基 础【3 】。用来联系转向架各组成部分和传递各方向的力，并用来保持车轴在转向架内 的位置 4 。转向架构架通常包括左右两个梁，一个或几个横梁。转向架构架是结构 复杂、联系众多的部件，它的结构形状、受力状态与转向架总体布置有关。为了 保证构架运用后不发生裂纹、安全可靠，它必须具有足够的强度和刚度，还要重 量轻、结构紧凑，同时有好的转向架总体布置 5 】。同时，构架焊后要进行整体退火 和整体加工，以消除焊接内应力和保证构架精度。 目前我国正致力于铁道客车的高速化发展，随着车辆速度的不断提高，转向 架焊接构架所承受的动载荷明显增加，各种纵向、垂向、横向载荷和疲劳问题比 较复杂，导致疲劳断裂等事故非常突出，研制与开发高速列车转向架构架己成为 铁路提速的关键技术之一。进一步改善转向架构架的力学性能对列车安全行驶有 着至关重要的作用。 为了实现列车安全、可靠、高速运行，实现我国铁道车辆高速化的发展战略， 研究与分析转向架构架焊接接头的组织和力学性能，对于改善转向架构架力学性 能，优化焊接工艺，提高构架焊接接头使用寿命具有极为重要的现实意义【6 j 。 含碳量很低的轧制s 3 5 5 j 2 w 耐候钢具有良好的焊接性和耐蚀性，但目前我国 2 在高速铁路中使用的此种钢材全部需要进口。国内对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的研究主要 是集中在仿制方面，而对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢力学性能的研究相对较少，尤其是焊接 方法和热处理对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢的组织和性能有哪些影响还没有充分的掌握。这 种状况严重影响了新材料在铁道车辆方面的应用和发展。因此，本文重点研究 s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头组织和力学性能。 研究的难点也是s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头组织和力学性能。因为影响焊接接 头组织和性能的因素很多，比如热处理工艺、焊接方法和工艺参数等，这就需要 使用分组对比研究方法对焊接接头进行研究。此外由于焊接缺陷的存在，实验数 据可能存在较大离散性，这就要求尽量多的采集数据，并对实验结果深入研究， 总结规律。国内目前还没有对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头组织和力学性能的研究， 本课题通过对s 3 5 5 j 2 w 耐候钢焊接接头力学性能的研究，揭示其性能影响因素， 为其推广使用提供支持。 1 2耐候钢国内外研究进展 耐候钢，又称耐大气腐蚀钢，是通过在低碳钢中加入一定量的c u 、p 、c r 、 s i 、n i 等合金元素。通过钢表面微量元素富集，形成一层致密的非晶态锈层组织， 以改善锈层结构，提高致密度。这层稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中有 害离子及水气的侵入，防止基体金属进一步腐蚀。在上述元素中铜的作用最大， 铜能促使低合金钢表面生成致密的非晶态腐蚀产物保护膜，减弱钢的阳极活性， 从而降低腐蚀速度，其含量为0 2 5 0 5 5 ：磷也起到重要作用，磷在促使钢铁表 面锈层具有非晶态性质方面具备独特的效应。铜与磷复合，效果更明显。磷的加 入量为0 0 7 0 1 5 ，含磷的钢又称为高耐候性钢。但磷的加入会降低钢的韧性， 恶化焊接性能，只有要求高耐蚀性时才采用含磷钢种。一般焊接结构用耐候钢中 含p 量不超过0 0 3 5 ，这类钢以c u - c r 和c u - c r - v 系为主，具有优良的焊接性能 和低温韧性。焊接含磷的钢种时，可以采用含磷的焊接材料，也可以采用不含磷 的焊接材料，而用适量的铬、镍元素来替代磷元素。 耐候钢的特点是能够抵御自然条件下的大气腐蚀。钢铁的锈蚀是钢结构破坏 的主要原因之一，每年的钢铁腐蚀损耗也是相当可观的，据报导北美每年因腐蚀 损耗的钢占钢年产量的2 0 ，在加拿大每年由于腐蚀造成的损失达到6 亿美元。 通常解决大型钢结构的防腐蚀问题的方法是加大腐蚀余量，和涂防锈油漆。前者 会造成材料的浪费，后者由于需要定期进行维护性重涂，造成维护成本增加，有 时还会影响正常使用。还有一种方法是在结构中使用金属涂覆层保护，主要是喷 涂锌或铝或热浸镀，利用镀层金属的阴极保护作用延长钢结构的使用寿命。但应 用金属涂覆层存在着污染环境、成本较高、大型构件应用困难、不易焊接等问题。 而耐候钢在使用时，可以裸用、涂装或进行稳定化处理，这也是耐候钢最突 出的优点。在大气污染不是特别严重或气候不是特别潮湿的地区，耐候钢可以直 接裸露于大气中，一般经过一段时间后，锈层逐渐稳定，腐蚀不再发展，外观呈 巧克力色。这种钢结构由于没有油漆老化等问题，所以无需涂装维护，大大降低 了维护成本，当然也避免了因涂漆影响正常使用等问题造成的损失。 我国耐候钢的研制开始于6 0 年代初，当时，铁道部向冶金部提出仿制c o r t e n 牌号的耐候钢，1 9 6 5 年试制出0 9 m n 2 c u 薄钢板。1 9 6 7 年用武钢生产的0 9 m n c u p t i 等两种牌号的耐候钢制造了两辆p 6 1 型试验棚车，经过1 8 年的运行，在1 9 8 5 年 厂修时检查发现，两种耐候钢的防腐能力均比普通碳素钢高2 3 倍【_ 7 1 。从1 9 9 0 年 起铁道部决定新造车辆全部采用耐候钢，这使耐候钢成为铁道车辆制造的主要材 料。由于这种材料的使用使车辆维修周期延长，截换率下降，在一定程度上缓和 了目前铁路运力紧张、车辆不足的矛盾。耐候钢的发展历程见表l 一1 。 4 表l 一1 耐候钢的发展历程 t a b l e1 - 1t h ed e v e l o p m e n tg o l 丑 s eo f w e a t h e r i n gs t e e l 年记述 1 9 0 0 1 9 3 3 1 9 5 5 1 9 5 9 1 9 6 1 1 9 6 5 1 9 6 7 美国开始了含铜钢早期耐候钢的研究和开发 美国u s s t e l l 公司推出c o x t e n r a 型低合金耐候钢 日本开发耐候钢 美国开始使用裸耐候钢 中国开始试制1 6 m n c u 钢 中国试制出0 9 c u p t i 薄钢板 日本建成第一座耐候钢大桥 中国首次用于试验车辆 日本建成第一座裸耐候钢桥( 知多2 号桥) 日本制定j - i s6 311 4 “焊接构造用耐候性熟扎钢材”即s m a 钢材标准化 德国开始使用裸耐候钢 英国开始使用裸耐候钢 日本建成第三大川桥( 最初用于桥梁的桁架) 日本制定出将s m a o o p 作为涂装用耐候钢 中国制定高耐候性结构钢国家标准 中国初步试制出n h 3 5 q 桥用耐候钢 中国建成国内第一座裸耐候钢桥 中国试制出j t 系列塔栀高耐候性结构钢 1 2 1耐候钢国外研究进展 1 9 3 3 年，美国u s s t e e l 公司生产出世界上最早的耐候钢o r t e n 钢，它的屈 服强度在3 4 5 m p a 以上，其耐候性通常是碳素钢( c u 含量0 0 2 呦的4 倍，含铜钢 的2 倍，并在6 0 年代裸用于桥梁和建筑【8 删。 在美国早期应用的最普遍的耐候钢主要以高p 、c u 加c r 、n i 的c o r t e n a 系列 和以c r 、m n 、c u 合金的c o r t e nb 系列为主。1 9 6 3 年美国成功推出了i - i p s 1 0 0 w 钢，并于1 9 6 4 年列入美国试验与材料协会( a s i m ) 标准，在美国桥梁建设中沿用至 8 9 2 o 3 4 8 o 9 卯 粥 鳃 鳃 鳄 鳄 今【1 0 】。1 9 7 4 年，7 0 w 和1 0 w 等高强度耐候桥梁钢出现在a s i m a 7 0 9 中，可是这 些钢中碳含量较高( 0 1 2 呦，其对焊接工艺要求非常高。为了改善它的焊接性能， 在1 9 9 7 年h p s7 0 w 钢出现在a s t ma 7 0 9 中，它的屈服强度为4 8 3 m p a ，而且于 1 9 9 6 年应用于美国田纳西州克逊县的一座桥梁上。目前h p s1 0 0 w 钢也已列入该 标准，这些钢中的碳含量比7 0 w 和1 0 0 w 明显降低，焊接性能方面得到一定的改 善。1 9 5 5 年前后，日本首次引入耐候钢，在日本得到高速发展和广泛应用。1 9 6 5 年日本建成第一座涂漆耐候钢大桥。1 9 6 7 年建成第一座耐候钢裸钢桥。1 9 6 8 年日 本将低磷系焊接用钢作为 j i sg 31 1 4 焊接结构用耐候性热轧钢材”。1 9 7 1 年将高磷 系焊接用钢作为 j i sg 3 1 2 5 高耐候性轧制钢材”，实现了j i s 标准化，其中含有抗 拉强度高达5 6 9 m p a 级的高强度钢。德国和英国分别是从1 9 6 9 年和1 9 7 0 年开始建 造耐候钢桥。加拿大新建的钢桥中有9 0 是用耐候钢建造的【1 1 12 。 从上世纪初到6 0 年代，人们对耐候性的研究只注重合金元素对钢材耐大气侵 蚀能力的影响。6 0 年代以后，人们开始注重环境等因素对耐候钢表面腐蚀产物的 影响。但直至现在，人们仍很少重视钢的微观组织及均匀性对钢的耐候性能的影 响。随着研究的不断深入，这些问题需要进一步研究和探讨 1 3 。 随着产品在材料性能方面需求的不断提高，新型耐候钢不断涌现，其性能也 随之不断提高。化学成分上，钢材的含碳量逐渐降低，促使焊接冷裂纹敏感性系 数和碳当量降低，使焊接性能得到改善；生产工艺由原来的淬火加回火工艺逐步 向t m c p 发展，从使生产成本降低，生产周期缩短；组织也由马氏体转变为贝氏 体、针状铁素体，使得钢的强韧性、耐候性、焊接性和加工制作性都在不同程度 上得到了提高。 高强度耐候钢的研制有三种研制路线。第一种研制路线是传统的调质生产工 艺路线，这种工艺路线需要焊前预热，并且对焊接工艺要求也高，导致生产成本 高，生产周期较长。第二种研制路线是低碳t m c p 工艺路线，钢材中的含碳量一 般在0 0 7 - 0 1 1 ，虽然这种钢材需要进行调质处理，但是由于含碳量仍然相对较 高，在应用中一些性能还是不能很好的满足要求。第三种研制路线是超低碳贝氏 体钢路线。超低碳贝氏体钢的含碳量严格控制在很低的范围内( 0 0 5 ) ，超低碳贝 氏体钢在具有高强度高韧性的同时，也具有极佳的焊接性。贝氏体组织均匀性较 好，微区间电极电位差较小，增强了耐蚀能力。由于其不用调质处理，降低了生 产成本，缩短了生产周期，代表了当前高强耐候钢的发展趋势【1 和坷。 1 2 2耐候钢国内研究进展 我国从2 0 世纪6 0 年代起开始研制耐候钢 1 7 ，8 0 年代着手耐候钢的攻关并投入 批量生产，9 0 年代初期，已开发出一批耐候钢，其中有c u 、p 、c r 、n 漂列和c u 、 p 系列，0 9 c u p c r n 琊0 9 c 皿t 浓e 已成为造车用材的主要材料。目前，我国新造车 用耐候钢大约每年用量为2 0 万吨，主要用于旧铁路的维修和改造、机车及车辆的 制造与维修。车体用钢要重点解决轻量化、高焊接性、高耐蚀性、高强度等问题。 武钢是我国开发铁路用耐候钢的最早企业之一，长期以来致力于开发铁道车 辆用钢，有一整套生产耐候钢的工艺措施和规程，其产品在品种齐全、质量稳定、 板宽方面具有优势，占据大部分铁道车辆市场。2 0 世纪8 0 年代以来，以0 9 c u p y i r e 耐候钢为代表，在耐腐蚀性、成型性、韧性、强度等性能表现尤为明显。特别是 耐腐性。经恒温恒湿试验，盐雾试验以及室外挂片试验证明c u - p r e 系列钢具有较 好的耐大气腐蚀性能，铁道车辆的主体钢材多选用此种钢材。为适应铁道车辆轻 量化发展的需要，武钢加快了高强度、高耐候钢种的开发进度，最近已研制出强 度级别达至1 4 0 0i v i p a 以上的耐候钢，正在研制更高强度级别的耐候钢，强势进入国 内巨大的耐候钢市场【1 8 】。 鞍钢是制造耐候钢的老牌企业，地处东北，距离国内最大的铁路货车车辆厂 齐齐哈尔车辆厂非常近，具有地域优势。鞍钢一直以来非常重视耐候钢的开 发研制工作，开发的耐候钢钢种有1 0 m n c u p y i 、0 8 c u p v r e 。1 9 8 0 年后，鞍钢优化 了生产工艺，改进了生产品种，产品质量有了明显提高，企业更加重视耐候钢的 研制工作。从1 9 9 8 年开始研制并生产0 9 c u p y i r e 热连轧板卷，经株州车辆厂和齐齐 哈尔车辆厂复验，认为0 9 c u p y i r e 热轧钢板的化学成分和性能符合铁道车辆用耐候 钢的供货技术标准。并且该钢材具有优良的冲压性能，可以满足制造铁道车辆冲 压工艺的要求【1 9 j 。 攀钢也是我国最早生产耐候钢的企业之一，成功开发铁道车辆专用槽型耐候 钢和帽型耐候钢0 9 c u p r e ，结合铁道制车工艺的特殊要求和自身工艺身背特点， 1 9 9 5 年决定转产焊接性能和成型性能均优于国内同类产品的热轧耐候板，钢号为 0 9 c u p r e ，为攀钢带来了巨大的经济效益。根据客户的需要，攀钢又开发出 0 9 c u p t i r e 热轧耐候钢板等新品种，并把传统的耐候钢板从西南市场拓展到东北市 场 2 0 1 。 宝钢是从上个世纪9 0 年才开始研制耐候钢的，起步相对较晚。但是宝钢的研 制是在其他几大钢铁集团的基础之上进行研究的，起点比较高，而且，宝钢通过 引进海外先进技术，使得其产品以新和质量优著称。它生产出了具有良好表面量 和外型尺寸而且力学性能均匀的耐候钢。宝钢生产的耐候钢具有自己的特色，在 许多方面都有自己的优势。在铁道部对铁道车辆使用的耐候钢的力学性能等方面 提出新的需求后，宝钢凭借着精湛的工艺和先进的设备率先做出回应。宝钢通过 对新钢材的性能等方面分析后，主要通过调整钢材的化学成品，改进生产工艺， 开发出了比其他钢种力学性能和耐候性能更好的0 9 c 曲c r n 深列产品，此种钢材不 但在很大程度上提高了钢材的强度，而且在钢材的耐候性、冷弯曲性、抗冲击性、 延伸性和焊接性方面均有不同程度的提高 2 1 。 目前我国生产的耐候钢品种主要有 2 2 】：0 9 c u p c r n i 、0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p r e 、 0 9 c u p v r e 、0 8 c u p v r e 、0 8 c u p 、0 5 c u p c r n i 、1 0 m n c u p t i 、1 0 c r n i c u p 等。 1 2 3耐候钢的经济地位 大气腐蚀是金属材料失效的一个主要原因，每年由于大气腐蚀的直接或间接 损失量约占钢材总量的1 0 。因此研究耐候钢的性能，扩大它的使用范围，从而 减少因大气腐蚀带来的损失问题，意味着巨大的社会效益和经济效益。 大气给铁提供了足够的氧气和二氧化碳，铁在大气环境下非常容易生锈。铁 以氧化物( 铁矿石) 的状态存在时才稳定，并且铁矿石_ 铁一铁矿石是一个循环过 程，符合“材料链”的自然规律。自古以来，人们为了改善钢铁材料的性能，提 高钢铁材料的使用寿命，表现出了绝佳的智慧和思维。多年来，逐渐创造了多种 防腐蚀材料和防腐蚀技术。其中包括除锈防腐剂、锈层处理、表面稳定化处理、 镀( 涂) 层和复合材料等。通过使用这些防腐技术和防腐材料，都在不同程度上抑制 了腐蚀，增加了材料的使用寿命。但是这些防腐材料和防腐技术的成本都比较高。 例如，镀锌材的价格是普通材的1 3 1 5 倍，不锈钢的价格更是相当与普通钢材价 格的4 5 倍。在实际生产使用过程中，和其他裸用材料相比，不仅价格非常高，而 且使用方便性方面也都存在一些局限性。镀层( 涂层) 材料或不锈钢都存在焊接问 题，焊接过程中容易产生裂纹、气泡等缺陷，使生产出的材料在使用过程中存在 潜在危险性。随着工程中的材料越来越倾向于高强度轻量化，生产的材料越来越 薄，所以腐蚀引起的孔裂时间越来越早。普通的结构钢，在大气中使用过程中非 常容易锈蚀，严重限制了材料的使用寿命。由此看来，研究自身具有防腐蚀性能 钢材的问题不仅是个经济问题，更重要的是个社会问题。所以，迫切需要研制开 发并掌握其性能特点和规律的既能防大气腐蚀，又经济好用( 甚至直接裸露使用) 的结构钢种。耐候钢就是这种既能防大气腐蚀，又可以直接裸用，并且价格上有 一定优势的材料。它的市场非常广阔，如建筑、锅炉、汽车、船舶、桥梁和铁道 车辆等，几乎遍及各行各业。 我国铁路现有车辆约为5 9 8 万辆，其中客车约3 8 万辆，货车约5 6 万辆，每 年货车新增约2 5 0 0 0 辆，客车新增约2 0 0 0 辆。铁道车辆采用武钢开发研制的 0 9 c u p t i r e 钢后，车辆使用寿命提高两倍，达到3 6 年。检修时间也由原来5 年增 加到1 2 年，假如全国铁路货车都使用此种耐候钢制造，每年少修车4 5 万辆，可 节省钢材将近8 万余吨，这些钢材可以新造近万辆新车。以铁道部每年新造车辆 2 5 万辆计算，在3 6 年使用期内，可节省修理费2 5 亿多元【2 3 冽。 我国耐候钢诞生至今有五十多年历史，经过科研工作者的不断研制创新，已 经在防止或减缓钢材受大气腐蚀方面取得明显成绩，给人类的贡献是无法计算的。 据统计，自从8 0 年代以来，武钢己经提供2 2 6 7 万吨0 9 c u p t i r e 耐候钢用于制造 铁路货车，制造货车近1 7 万辆，直接获利约2 亿元，社会效益约8 亿元。 从长远观点看，掌握耐候钢的性能规律及影响因素，生产性能稳定、高质量 和产量的耐候钢是解决铁道车辆短缺的主要途径，从而也是提高企业经济效益的 好办法。由于耐候钢延长了钢材的使用寿命，减少了钢材的用量，可以为世界节 约能源，所以耐候钢的研制不仅给企业带来了巨大的经济效益，也给整个人类社 会带来不可估量的社会效益。 1 2 4耐候钢在铁路机车上应用的发展趋势 为了寻找性能更好的钢材取代普通碳素钢，三十年代，美国钢铁公司经过长 期的试验研究后，大量生产c o r t e n 牌号的低合金高强度耐大气腐蚀钢，简称耐 候钢。到了五十、六十年代世界各国普遍根据自己的资源条件，研制了各种类型 的耐候钢。这种钢的合金元素含量少( 一般不超过3 ) ，成本低，强度高，综合性 能好，加工工艺性能好，耐腐蚀性比普通碳素钢高。所以在机车车辆、桥梁、建 筑等各种钢结构中广泛使用。我国从1 9 6 5 年开始在新造客车和货车中使用过耐候 钢。例如1 9 6 5 年采用0 9 m n 2 c u 薄板，试制了棚车和一列2 5 5 m 轻快稳客车( 1 9 6 6 年完成1 。1 9 6 7 年采用0 9 m n c u p t i 薄钢板，中等厚度钢板和0 8 m n p x t 薄钢板，制 造过棚车。7 0 年代末以来，冶金部门为我国铁道车辆用钢更新换代提供了配套耐 候钢材，先后研制了0 9 c u p t i x t 、0 8c u p v x t 、0 9 c u p x t 、0 8 c u p 、w s p a ( 0 9 c u p c r n o 、 1 0 c r n i c u p 等耐候钢。对钢材的化学成分、机械性能、物理性能以及加工性能做 了大量的试验研究。先后试制了2 2 0 辆客车和1 0 0 辆货车。从1 9 8 7 年起，我国开 始成批生产耐候钢车辆，到1 9 9 0 年新造车辆要求全部使用耐候钢。科学试验和运 用试验都证明，国产耐候钢比普通碳素钢有较高的耐腐蚀性能。铜磷系耐候钢的 耐腐蚀性，一般相当于普通碳素钢的2 倍左右，在恶劣环境中相当于2 3 倍：铜磷 铬镍系耐候钢的耐腐蚀性相当于普通碳素钢2 3 倍，在恶劣环境中相当于3 倍以上。 耐候钢之所以能提高耐腐蚀性能，主要是改善了锈层的结构，提高了锈层的 致密程度和对钢的附着力，增加了钢与空气的隔绝作用。在耐候钢中，有效合金 元素主要是铜、磷、镍、铬等，这些元素在钢的表面富集，并形成非晶态层，提 高了钢在大气环境中的耐腐蚀能力。钢中含o 2 0 5 c u ，无论在乡村大气、工业 大气或海洋大气中，都具有较普通碳素钢优越的耐腐蚀性能。一般含铜钢在海洋 大气和工业大气中比乡村大气环境的耐腐蚀效果更佳。含铜钢表面发生铜的富集 现象，在腐蚀层和铜的富集层之间形成一层紧密的薄氧化铜中间层，它可以减缓 或阻止介质的继续向内侵蚀。磷在钢中通常被视为有害元素，但它在提高钢的抗 大气腐蚀性能方面则具有特殊的效果。这可能是由于磷在促使锈层具有非晶态方 面具备独特的效应。在耐候钢中，铜、磷常是同时加入的，铜、磷的复合作用更 能使锈层中形成非晶态的f e 3 0 4 ，它非常致密，阻止了氧和水的渗入，保护了基体 钢材。美国钢铁公司研制的c o r t e n 钢，就是在铜、磷复合添加的基础上，再加 入铬、镍制成的。铬的腐蚀电位较低，是具有钝化倾向的元素，它对于改善钢的 钝化能力具有显著效果，当铬与铜同时加入时，效果尤为明显。镍是一种比较稳 定的元素，但其钝化能力不如铬。耐候钢属于非钝态金属，少量镍对提高钢的化 学稳定性作用不明显。通常当镍的含量大于3 5 时，对耐大气腐蚀才有效。对含 铜钢在加热过程中加镍，可以减轻和防止由铜引起的龟裂。因为含铜钢加热时， 由于选择性氧化，在钢表面形成铜富集后，其熔点为11 0 0 。c ，加入镍后则形成铜 镍富集后，其熔点为1 2 0 0 。c 以上。稀土金属是我国富产元素，由于稀土元素能控 制钢中硫化物的形态和组成，防止硫化锰的有害作用( 钢中的m n s 是易溶于水的腐 蚀活化源1 ，可以提高钢材的耐腐蚀性。 美国等一部分发达国家耐候钢强度水平己达5 0 0 m p a 级，俄罗斯正在研制 6 0 0 m p a 级高强度耐候钢，2 0 0 8 年，我国武钢开发出了4 5 0 m p a 级高耐腐蚀性耐候 钢w q 4 5 0 g n 。随着我国铁路运输的快速发展，速度的不断提升，具有更高耐腐蚀 性能、更高强度的耐候钢钢材将成为我国铁道车辆发展的必然趋势，开发5 5 0 - - 一 6 5 0 m p a 级高耐候将具有很好的发展前途。 目前，我国武钢生产的铁道车辆及其集装箱所用耐候钢的厚度主要以1 2 m m 以下为主，厚规格高强度耐候钢生产难度较大，并且在国内外均属于空白。为满 足车辆厂对厚规格耐候钢的需求及拓宽耐候钢的应用范围，应加大4 5 0 6 0 0 m p a 级厚规格耐候钢的研发力度。 我国的耐候钢产品主要用于桥梁、集装箱、铁道车辆等领域。煤矿机械、工 程机械、建筑等大量暴露于大气或特殊工况下的器械。由于腐蚀会引起服役材料 使用寿命缩短，从而造成重大的经济损失。或因腐蚀失效会造成重大事故。因此， 这一领域对耐候钢的需求将会日益增多，对性能的要求也会逐渐提高。但由于在 具有良好低温韧性、焊接性、成形性和机械性能的基础上，同时具有良好的耐腐 蚀性能会造成耐候钢的生产成本偏高，因此开发具有低成本的经济型耐候钢具有 良好的市场前景和市场竞争力。 国外正在研究非c u - p c r - n i 币lc u - p 系耐候钢，尤其是日本己取得了一些突破， 正在研制成本低廉的s i - a i 系耐候钢。国内北京科技大学也在进行这方面的研究， 新型耐候钢的研究动向值得关注。 我国车辆用耐候钢钢种是根据我国的资源条件，车辆的实际要求以及寿命的 原则而选定的。客车新造数量较少，用薄板较多，选用的是耐腐蚀性能较好的铜 磷铬镍系耐候钢。货车新造数量多，用钢量大，使用中板、型钢较多，选用的是 铜磷系耐候钢。 现代铁路运输正向高速、重载、大运量方向发尉掏，这对铁道车辆提出了更 高的要求，它应具有高速化、轻量化、载重大、抗疲劳性能和耐腐蚀性能优良等 特点。很显然，传统的铁道车辆不管在性能方面还是在使用寿命方面跟不上铁路 运输发展的需要，开发用于制造铁道车辆的新型耐候钢势在必行。当然我们也可 以采用铝合金等高技术先进材料用于铁道车辆的制造，但是考虑到钢铁材料与其 他结构材料的生产成本、技术问题及消费水平，钢在生产成本、原料资源、生产 能耗、环保及性能诸方面存在明显优势。钢铁在2 1 世纪结构材料中的主导地位将 难于动摇【2 6 1 。 1 2 5 耐候钢在铁路货车应用中存在的问题 国外耐候钢的研究，从二战后到现在已有一百多年，国内耐候钢的研究也有 5 0 余年的时间。但我国将耐候钢应用在铁路货车上却是刚刚起步，虽然已经取得 了一定的成果，在铁道车辆提速、耐腐蚀和重载等方面解决了一些问题，但是许 多方面还不成熟，在些方面还存在较大的问题，主要表现在以下两方面： ( 1 ) 我国幅员辽阔，铁道车辆服役的环境温度差异大，气候变化复杂，所用钢 种应具有较好的耐腐蚀性和具备一定的冲击韧性，以保证车辆的行车安全和大修 周期。因铁道车辆所用高强度耐候钢和其他用途的高强度钢比，含p 量相对较高， 高p 母材中的p 在焊接过程中必然会扩散到焊缝中，这不仅会大大降低焊接接头 的抗裂性，而且还会明显增加接头的脆性。 ( 2 ) 由于高强度钢需要在一定程度上牺牲其他的性能才能使自身得到强化。因 此制造技术必须充分考虑高强度耐候钢钢板的实际性能要求，来满足客户的需要。 这就需要企业改变传统的工艺手段，对现有工艺装备进行改造，这些都需要大量 的资金投入，增加企业的生产投入。 1 3不同焊接方法及形成接头的特点 由于焊接技术的发展，尤其是焊接方法日益增多，给焊接接头组成带来新的 变化。手工焊、