（材料学专业论文）空冷贝氏体辙叉钢焊接性能研究.pdf

西华大学硕士学位论文 空冷贝氏体辙叉钢焊接性能研究 材料学专业 研究生落艳兰指导教师魏成富教授栾道成教授 辙叉是铁路结构中损伤最严重的部位。在全世界绝大多数国家，辙又是高 锰钢整铸的。高锰钢辙叉最大的优点是安全可靠性好，但在应用中存在许多问 题：如铸造中致密性不好、工作面初始硬度低、可焊性差、使用寿命分散、通 载量低等。为此，世界各国发展技术改善高锰钢辙叉性能。虽然使用效果有所 改善，但仍未解决锰钢辙叉的根本性问题。 为了满足我国经济高速发展的需要，实现铁路运输向着提速，高速和大运 量的发展目标；同时为满足铁路发展超长道轨，要求辙叉耐磨材料与道轨具有 良好的可焊性；并要求大幅度提高道岔( 辙叉) 使用寿命，但商锰钢整铸辙叉 使用性能不能满足此要求。因此，开发研究高强度，高韧性，高硬度和焊接性 能良好的长寿命辙财d 轨新叫：材料是当务之急。 目前，国内开发了一种新型辙叉用贝氏体钢，其性能优于传统的辙叉用高 锰钢。新型空冷贝氏体钢具有高强度、高韧性、焊接性能优良的特性。本课题 的目的就是通过对贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢对接焊，贝氏体辙叉钢修复堆 焊以及贝氏体钢轨钢修复堆焊的焊接性能的研究，得到使焊缝为粒状贝氏体、 焊接接头的力学性能与母材的性能基本致的焊接工艺和热处理工艺，为贝氏 体钢在铁路材料应用上的推广提供有力的理论依据。 经过大量的实验和分析，本文分别对采用闪光焊和手工电弧焊对接的新型 辙叉铜与新型钢轨钢的焊接接头的组织和力学性能进行研究，发现其组织均与 母材一致，为粒状贝氏体。其力学性能：抗拉强度值1 0 3 6m p a ，焊缝金属 的冲击韧度值o t4 2 8j c m 2 ，与辙叉力学性能大致相匹配，达到了铁道部有关 标准要求。采用手工电弧焊自制贝氏体焊条堆焊修复的贝氏体辙叉钢与贝氏体 钢轨钢，其修复层组织为粒状贝氏体，硬度h r c 3 8 ，能够达到较好的修复效果。 西华大学硕士学位论文 关键词：粒状贝氏体，辙叉，焊接，闪光焊，性能 磋华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s eo fw e l d i n gj u n c t i o no f a i r - c o o l e d b a i n i t i cf r o gs t e e l g r a d u a t eh 1 0y a n l a ns u p e r v i s o rw e ic h e n g f ul u a nd a o c h e n g f r o gi st h ep o s i t i o nt h a td e s t r o y e dm o s ts e r i o u s l yi nt h em i l w a yl i n e a l la r o u n d t h ew o r l d , m o o tc o u n t r i e s 嗽h i g h - m a n g a n e s es t e e la st h ef r o gs t e e la l t h o u g ht h i s s t e e lh a st h em a x i m c d tt h a ti ti ss a f ea n dr e l i a b l e ，t h e r ea l em a n yp r o b l e m ss u c ha s l o w e r - d e n s i t y , l o w e r - h a r d n e s s , l o w e r - w e l d i n gp r o p e r t y , e p h e m e r a la g e a n d s l i g h t e r - b u r d e n s o , t h ew h o l ew o r l ds c i e n t i s t sd e v e l o pt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h e p r o p e r t i e so fh i g h - m a n g a n e s es t e e la l t h o u g ht h eu s i n ge f f e c th a sb e e ni m p r o v e d , t h e f u n d a m e n t a lp r o b l e m ss t i l le x i s t i no r d e rt os a a s f yt h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n ti ne c o n o m i c so fo u rc o u n t r y , t o a c c o m p l i s hr a i l w a yc o n v e y a n c et m a dt oh i g i i 删a n de x t e n s i v e - b u r d e na n dt o d e v e l o ps u p e r - l i n et r a c ko nt h em i l w a yl i l l e , t h eh a r d w e a r i n gf r o gm a t e r i a lm u s th a s f a v o r a b l e w e l d i n gp r o p e r t y w h e ni t i sj o m e dt o t h et r a c k a tp r e s e n t , t h e h i g h - m a n g a n e s e 吨s t e e l c a n t f u l f i l lt h e s er e q u i r e m e n t s o , i ti st h ep r e o c c u p a t i o n t oe x p l o i taf r o gt h a th a si l i g h s t r e n g t h , l a g h - t o u g l m e s s ，h i g h - 胁d n e s sa n ds u p e r p e r f o r m a n c ea f t e r i th a sb e e nw e l d e d a c c o r d i n gt oan e wt y p eo ff r o gm a d eo fg r a n u l a rb a i n i t i c 蛾lt h ep r o p e r t i e s o ft l l ef r o ga r eb e t t e rt h a nh i g h - m a n g a n e s es t e e lf r o g a c c o r d i n gt oi t sh i g h - s t r e n g t h , l l i 曲一t o u g h n e s s , h i g h - h a r d n e s sa n dg o o dw e l d i n gp r o p e r t y , t h i sh e wt y p ea i r - c o o l e d b a i r d t i cs t e e la t t r a c t st h ea t t e n t i o no ft h ep u r 蛐e r st h a ts t u d yt h er a i l w a ym a t e r i a lt h e a r t i c l e sa i mi st of i n dt h ew e l d i n gt e c h n o l o g ya n dh e a t - i r e , a tt e c h n o l o g yt h a tc a nm a k e t h e j u n c t i o nh a st h ea c c o r d a n tm i c a ) 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 yw i t ht h ep a r e n t i 西华大学硕士学位论文 m e t a l b yag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s , t h ea m c l e n v e s f i g a t e s t h e m i c r o s u u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e j u n c t i o n9 0 t b y f l a s h b u t t w e l d i n g a n d m a n u a la r cw e l d i n gs e p a r a t e l y t h ef i n d i n go fi n v e s t i g a t i o ni st h a tt h ej u n c t i o ni s 酬缸b a 枷吐c 曲1 l c 舡雠a n d t l l cm c c b a n i c a l 咿m c so f w e l d i n g j o i n ta l et e n s i o n a l s 血c n g t h1 0 3 6m p a , j m p a c tt o u g h n e s s 吒4 2 8j c m 2 , h a r d n e s sh r c 3 8 a l lt h c s c m a d e t h e j u n c t i o n c o m e u p t o t h e s t a n d a r d o f o f r a i l w a y s k e y w o r d s ：g r a n u l a r b a i n i t i c , 自唔w e l d i n g 。f l a s h b u t t w e l d i n g o p r 0 1 ) e r t i e s 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：蔼淳色兰日期：孔研占s 导师哪) 惭：岬p 。夕 4 8 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 铁路辙叉的发展概况与趋势 辙又是铁路轨道结构的重要组成部件，是机车车辆的车轮从一股道转入另 股道，通过钢轨交叉点的特殊设备【l l 。在机车通过辙叉时，辙叉将受到巨大 的车轮冲击载荷，工作条件极为苛刻。辙叉承受来自车轮载荷的冲击，除了静 载荷的增加外，还是铁轨匕承受最大动载荷的地方。而在铁轨和道岔上动载荷 是静载荷的2 - 5 倍【习。因此，辙叉对材料的性能要求极为严格。 建国以前，我国的辙又有相当数量是日本、美国、德国等国家的产品，直 至五十年代还从波兰、苏联进口以缓解供需矛盾。我国自行设计、制造辙叉始 于五十年代中期，在当时的运输条件、对辙叉这个薄弱环节的认识、技术水平 及制造手段等因素影响下，结构标准及技术要求具有很大的局限性。随后虽然 经历了旧有辙叉的小型技术改造统辙叉号数，制定及多次修订技术标准，但 始终处于结构陈旧、仍然存在多种薄弱点，而不能遣直运输发展要求的被动状 态【3 1 。 为摆脱设备落后的困扰，方面工务部门对标准辙叉进行改造，同时强化 养护维修。另方面研制新型辙叉。从六十年代起大力开展研制工作，同时对 辙叉组成部件的制造工艺及设备进行改进，并引进了一些先进设备和技术。经 过不懈的努力，我国铁路辙叉在结构发展、制造工艺及设备的完善、对养护的 重视和措旌、致力于使转换设备与新型辙叉结构相适应等方面，取得了长足进 步。辙叉这个薄弱环节有所加强，但离满足当前日益发展的运输要求相差甚远。 目前，我国铁路上使用的辙又有两种m 。种是高碳钢组合辙叉，用普通 高碳钢锶轨加工，通过螺栓紧固丽成。这种辙叉既不耐磨，且螺栓易松动，常 常会在螺纹孔处形成裂纹等缺陷，从而导致寿命大幅度缩短；另一种是高锰钢 整铸辙又，它广泛铺设在我国铁路主要干线上，是我国铁路辙叉的主要组成。 这种辙又常又因铸造缺陷而提前破损，难以发挥锰钢辙又的耐磨性。并且，由 于固定式辙叉具有不可避免的有害空间，轨线中断，存在几何不平顺，导致列 车通过时产生剧烈的震动和摇晃，不仅给旅客带来不舒适的感觉，增加道岔维 护工作量，并且加速了辙叉的磨耗，促使嗽叉提前破损。 随着火车重载、提速及高速铁路的发展，在对线路材质的要求越来越高的 西华大学硕士学位论文 同时，对铣道线路的无缝化程度要求也越来越高，在我国发展可动心轨辙叉势 在必行。钢轨组合式d 轨辙叉结构松散，整体性差，锰钢铸造0 轨难以避免铸 造缺陷，采用焊接可动心轨并将心轨及翼轨强化处理是良好途径。 传统的高锰钢辙叉在此工况下，抗交形能力相对下降，使辙叉在线使用寿 命大为缩短，而必须频繁的焊接修补来弥补变形引起的高度损失和疲劳裂纹。 但高锰钢的奥氏体中含有过饱和的碳和其它易形成碳化物的合金元素。通常高 锰钢的含碳量0 9 1 3 ，锰为1 1 1 3 和q 、n i 、m o 、v 、t i 等元素【q 。高 锰钢辙叉的铸态组织基本上由奥氏体和残余碳化物( f e , m n ) 3 c 组成。由于碳化 物沿晶析出降低钢的强度和韧性，影响钢的耐磨性。因此铸造件必须进行水韧 热处理使高锰钢获得全部奥氏体组织。高锰钢水韧处理后不能再加热至3 5 0 c 以上，否贝怡演针状碳化物析出，使钢的性能变脆。但是，再对高锰钢辙叉进 行焊接修补加热时，热影响区的奥氏体中的过饱和碳和合金元素具有不稳定易 在奥氏体晶界析出导致脆化。为了避免e 述情况的发生，在对高锰钢辙叉进行 修补时焊接工艺极为复杂，而焊接效率很低。因而，高锰钢辙叉可焊性型4 l 。 高锰钢和钢轨之间焊接困难。高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的可焊性及焊接工 艺差异极大，高锰钢焊接时是小段焊接，并不时地用水冷却焊缝，使焊缝组织 为奥氏体、避免热影响区奥氏体析出针状碳化物。而高碳钢焊接时需要预熟、 大段连续焊接、增大焊接热输入量，以避免焊缝产生马氏体组织。这是两种截 然相反的焊接工艺规范同。所以，高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的对接难度很大， 不易实现道路无缝化1 1 8 l 。 1 9 3 0 年美国人b a i n 发现奥氏体在中温转变时有贝氏体组织生成。自此， 人们在贝氏体相变理论和实际工程应用方面的研究取得了很大进展。特别是近 年来发现的贝氏体及贝氏体马氏体组织，具有高强度、高硬度以及优良的耐磨 性【9 ，1 0 , 1 ”，引起学术界和工程界的高度重视。 铁路材料研究工作者正是利用贝氏体组织的优异性能找到种替代传统铁 路材料的新钢种。新型空冷贝氏体钢属于非调制钢中的类。在生产中可以将 热加工成型工序与热淬火工v - y 啥= 并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了 能源简化了工艺提高了生产效率，而且可以避免由于淬火引起的变形开裂及氧 化脱碳等热处理缺陷。因而，以贝氏体钢作为新代铁路材料可能成为铁路材 2 西华大学硕士学位论文 料的一种发展趋势。 1 2 贝氏体钢的发展历史 贝氏体组织是种多成分的组织，个成分是低碳的，位错丰富的口一固 溶体，它被称为贝氏体铁素体。除了这种贝氏体铁素体，还可以有单个或共同 几种混合的物质作为其他碳化物组元，还有马氏体和残余奥氏体在其中旧。贝 氏体钢作为钢的中温转变产物，虽然对其相变机理和定义还没有统认识i j ， 但它作为一种重要的组织己日益受到重视并广泛使用。贝氏体钢是指钢经奥氏 体化之后，用空冷或控制的连续冷却面获得的贝氏体为主的组织形态例。贝氏 体钢通常分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。在贝氏体区较高温度范围内 ( 6 0 0 3 5 0 ) 形成的贝氏体叫上贝氏体，较低温度范围内( 3 5 0 c - m s ) 形成的贝 氏体日q 下贝氏体。上贝氏体组织多为条状，在铁素体条间夹有碳化物，铁素体 条间位向差约为几度到几十度，领域之间呈5 1 9 7 。或1 2 一1 4 】，条内分布着位错： 下贝氏体组织也是由铁素体和碳化物组成，_ 般呈黑色针状，它可以在奥氏体 晶界上形成，但大量的是在奥氏体晶粒内沿某些晶面单独地或成堆的长成针叶 状，下贝氏体铁素体的立体形态，呈双凸透镜树”。粒状贝氏体的形成温度一 般在上贝氏体形成温度以j 和奥氏体转交为贝氏体最高温度( b s ) 以下的温度范 围内。其组织特征是在大块状或针状铁素体内分布着一些颗粒状小岛。这些小 岛在高温下原是富碳奥氏体区。在冷却过程中由于冷却条件和奥氏体稳定性不 同，可以分解为铁素体和碳化物，形成珠光体，可以转变为马氏体，也可以以 残余奥氏体的形式保留下梨1 8 l 。下贝氏体具有回火马氏体相当的强度，组织形 态也与回火马氏体相似：而上贝氏体则不论强度或韧性均较差，认为与条问分布 脆性相( 渗碳体) 有关。粒状贝氏体在强度基本相同的水平下比回火马氏体具 有更高的韧性、塑性和延伸率【1 4 】。 贝氏体钢的研制开始于十九世纪四十年代末l ”，合金化是提高贝氏体钢强 度的主要途径之一，目前大多使用以铁素体为基体的低、中碳合金钢，综合运 用固溶强化、沉淀强化、细晶强化以及相变强化等强化方法1 1 s l 。因此，在贝氏 体钢的研制中，也将引入合金化原理，以提高其综合性能。 固溶强化是在体0 立方的口- f e 基体中加入碳和合金元素形成间隙或置换 3 西华大学硕士学位论文 换式固溶体进行强化。固溶强化的效果与固溶体点阵常数的变化呈线性关系。 钢中的碳是强化效果最大的合金元素，但在低合金钢中利用碳固溶强化的作用 是有限的，碳在口f c 中的溶解度很低，少量固溶的碳虽然能提高屈服强度， 但明显降低了钢的韧性和焊接性。碳在钢中主要用于相变强化、沉淀强化和细 晶强化。合金钢中的锰降低y - f e 转变为口- f e 的相交温度，推迟珠光体转变， 含锰量高时可获得贝氏体组织强化。钢中的硅有较好的固溶强化效果，但提高 相变温度，粗化铁素体，使冲击韧性下降。镍合金元素可与铁互溶，镍能刚氐 合金的层错能，增加塑性变形时的滑移平面，避免应力集中，减少形成裂纹的 倾向，提高了钢的塑性和韧性。钼元素推迟珠光体转变，促使钢中贝氏体形成， 提高了强度和韧性，是贝氏体钢中的主要合金元素。铬元素提高了钢的淬透性， 含铬量不高时，可提高钢的韧性。钢中的铌、矾、钦等元素形成弥散的碳化物 质点，阻碍位错运动，起沉淀强化作用，但沉淀量过多时，会降低钢的韧性f ”。 综t 所述，合金元素的加入，以不同强化方式来提高合金贝氏体钢的强度， 但有的合金元素也会刚氐钢的韧性。为满足高的强韧性要求，合适的合金元素 配比及含量的确定，是合金高强钢设计的关键。最先由英国开发的低碳贝氏体 钢，正火后具有4 6 0 m p a 的屈服强度和良好的延伸性。但因碳含量的偏高而使低 温冲击韧性太低，解决的办法是降碳，但降碳将导致强度的下降。于是在六十 年代开展了低碳贝氏体钢的n i 、m 0 、m n , c r 等元素的合金化和n b 的微合金化 研究，先后研制了一系列钢。这些钢的屈服强度可达7 0 0 m p a 以上，并且具有良 好的低温韧性，但因n i 、m o 、m n 元素含量高，价格昂贵而无法广泛使用刚。 1 9 8 0 年，新日铁开发的用于北极的大口径高压管线低碳贝氏体钢，其成分 ( 州) 为：0 0 2 c - 2 m n - 0 4 n i - 0 3 m o - 0 0 4 n b - 0 0 2 t i - 0 0 0 1 b ，具有良好的低温韧性与 焊接性能，九十年代以来，国内先后开发了h 佃b n b 【1 0 】系和m n - c u - n b - b 系超低 碳贝氏体钢，均己批量生产。成功的应用于有关工程机械及汽车零件，c 9 0 级 抗 墒石油管线钢也已批量生产，用于油田i 2 i l 。 近些年研制的贝氏体钢，通常为含碳量较低的多元合金钢。由于含碳量低， 通过加入合金元素，降低了贝氏体的形成温度，将使钢的强度有所提高，但是 合金元素加入的主要目的在于提高钢获得贝氏体的淬透性，使这类钢能用空冷 等缓慢冷却的方法获得高的强度，避免了钢经淬火所形成的变形和裂纹等严重 4 西华大学硕士学位论文 问题，避免了回火处理带来的生产困难。因此，具有十分优秀的热处理工艺性 能。由于低碳，贝氏体钢韧性、塑性较好，因此具有优异的变形加工和焊接性 能。由于贝氏体钢具有工艺简单( 完全淬火) 、节省能耗( 省去回火) 、强韧性好、 易于成形、能够焊接等优点，是耳前国内外非常重视的新型高强度结构钢l 冽， 因此具有十分广阔的应用前景。 1 3 辙叉用钢的要求 由于辙叉特别是辙叉心轨在运行过程中，受到车轮的碾压与冲击，因此要 求辙叉必须耐磨且具有较好的韧性。因此，辙叉心轨钢应该满足下列一系列要 求：1 ) j 袁种材料的价格不应高；2 ) 可进行热轧或锻造；3 ) 内部缺陷数量少、尺寸 小，特别是铸造缺陷；4 ) n - q i 刍身焊接，也可与钢轨钢进行焊接；5 1 耐磨性好， 抗冲击能力强；6 惧有良好的抗疲劳性能；7 ) 具有良好的断裂韧性例。通过对 各种材料的性能数据的检查，并参考其它国家的发展经验，粒状贝氏体钢成为 制造辙叉心轨所要研制的材料。 1 4 主要研究内容 本论文针对国内外出现的以贝氏体钢取代传统铁路材料的这趋势。立足 于我国研制出的低碳低合金粒状贝氏体耐磨钢辙叉及粒状贝氏体钢轨，通过采 用不同焊接方法对贝氏体辙叉钢与钢轨，以及贝氏体辙叉钢与贝氏体辙叉钢对 接，研究对接接头的力学性能及金相组织；并采用自制贝氏体焊条对不同堆焊 方法修复贝氏体辙叉以及贝氏体钢轨的堆焊修复层的组织和性能开展研究，为 贝氏体钢在铁路材料应用上的推广提供有力的理论依据。 5 西华大学硕士学位论文 2 焊缝组织和性能设计 2 1 焊接接头组织与性能设计的基本原则 焊缝金属的力学性能设计应遵循焊缝金属与被焊母材的力学性能同等效应 的原则f 溯。这样在焊件的使用过程中，方面可以避免因焊缝金属力学性能 过高出现浪费；另一方面也能克服因焊缝金属力学性能低于母材，使焊接接头 在使用过程中过早失效。同时，当焊缝的组织与母材不同时。会由于组织差异 导致焊接接头的焊缝与母材线膨胀系数相差很大，不仅在焊接时会产生较大的 残余应力，而且在使用过程中受温度还会形成热应力瞄捌。这两种应力即使采 用焊后热处理也难以消除，使焊接接头的可靠性降低。因此在焊接加工中，焊 接金属与被焊母材的组织相同、力学性能比为1 ：1 左右时，焊接接头能取得 合理的结构性能和良好的经济效益。 2 2 焊缝组织和性能的选择 耳前，正在铁路线上使用的新型贝氏体辙叉心轨的力学性自肇优异，其材质 的硬度为m 旧7 4 2 ，冲击韧度 7 0 ，c m 2 ，抗拉强度 1 3 0 0 m p a ，是种高强 韧性、高耐磨性的粒状贝氏体组织( 如图2 - 1 所示) 。 f i g2 - 1m i 口啮卿c n mo f p a i 锄t i i 科a l 图纠母材组织4 0 阪 根据焊缝组织与性能设计的基本原则，及铁道部关于钢轨焊接接头技术条 6 西华大学硕士学位论文 件( t b l 6 3 2 - 9 1 ) 的要求，本论文试验中焊接接头理想组织为粒状贝氏体，焊 接接头的抗拉强度值大于9 0 0 m p a 、冲击韧度值大于4 2 j c m 2 。 2 3 焊缝粒状贝氏体组织的形成机理 2 3 1 焊缝结晶的特点 焊接过程中，焊接热循环作用下的焊缝形成经历门个重要热过程，首先是 母材局部和填充金属熔化，然后是熔化金属由液相到固相的凝固结晶和连续冷 却的固态相变。熔焊方法形成的焊接熔池的凝固结晶过程是晶体生成晶核与晶 核长大的过程。但焊接熔池结晶与_ 般的钢锭结晶相比具有以下特点瞰蛹嘲： 1 、熔池体积小，冷却速度快。熔池的平均冷却速度约为4 , 1 0 0 c s ，比 钢锭的平均冷却速度大1 3 0 0 0 倍左右焊接熔池的尺寸形状取决于焊接方法、 母材热物理性质和工艺参数，典型的熔池形状是半球形。般焊接电流增大时， 熔池的最大深度随之增大，而最大熔宽相对减小；焊接电弧电压增大时，熔池 深度减小而熔宽相对增大。 2 、熔池温度分布不均匀，液态金属处于过热状态。焊接熔池的温度分布 不均匀，焊缝金属在熔滴阶段的平均温度波动在2 1 0 0 k ，2 7 0 0 k 的范围波动。 熔池前部和中心处于过热状态，发生母材金属的熔化；熔池后部温度较低，熔 池底部凄近于母材金属的熔点。熔池的平均温度一般超过母材金属熔点2 0 0 5 0 0 。焊接线能量越大，熔池的平均温度越高，熔池的过热度越大。 3 、熔池处于不断运动状态，熔池存在时间很短。焊接熔池的液态金属始 终处于运动状态。由于熔池随热源做同步运动，熔池前部熔化的同时，熔池的 后部也在凝固。即熔池各部位或整个熔池停留于液态的时间极短，熔池凝固速 度是相当快的。熔池维持在液态的时间_ 般只有几秒到，1 十秒。固液相界面的 推进成长速度比铸件高1 0 1 0 0 倍。 4 、熔池周围散热条件好。焊接熔池周围的母材金属对于焊接熔袖好似“模 壁，但熔池与其周围母材金属直接接触，不像铸件那样存在气隙。焊接熔池的 质量相对于周围母材的质量很小，母材金属对小体积熔池具有很大的“质量效 应，促进了热量的吸收。所以，焊接熔池界面的导热条件十分有汞j 熔池边界 或凝固中的固液界面的温度梯度比铸件高1 0 3 1 a 倍。 7 西华大学硕士学位论文 2 3 2 焊缝粒状贝氏体组织的形成机理 虽然焊缝金属的结晶与铸造金属的结晶过程有定的差异，但是在焊缝金 属的结晶和随后的固态相变与铸钢样，遵循相变所必须的结构条件和热力学 条件，与铸钢样焊缝固态相变的速度亦由形核率和长大速度所决定，它们同 样遵循相交动力学的_ 般原理。因而焊缝金属的固态相变与铸钢中c 的固态相 变的基本原理是致的。为此，- - f 用钢的连续转变过程来理解焊缝金属粒状贝 氏体组织的转变形成过程。 f i 9 2 - 2 0 c t o f a u v e c 图2 - 2 c 曲线的0 c r 图 瞻砷 f i 9 2 - 3 c c t o f s e p a r a t e o a v e c 图2 - 3 c 曲线分离的o c t 图 在焊缝金属连续冷条件下，焊缝金属首先凝固为伽呦的固溶体。然后 随着焊缝金属温度的降低开始发生固溶体的同素异晶转变，由伽瞳汜卅专变成 面0 立方。当转变完成时，焊缝金属为单相奥氏体。焊缝金属继续冷却，当焊 缝金属温度冷却至铁碳相图的g s 或s e 以下，奥氏体本应从面心直方的固溶体 转变为伽0 i 立方的固溶体，但此时并没有转变，而是形成了过冷奥氏体。 过冷奥氏体温度继续降低。对于碳钢和含有不形成碳化物元素的钢中。贝氏 体和珠光体转变“c 曲线是重叠的p l 】( 如图2 - 2 ) 在曲线重叠的温度范围内两 种转变者阿以发生。只是在较高温度时珠光体将首先进行，而在较低温度时则 贝氏体转变将先于瞬 光体。和不形成碳化物元素相反，钢中有碳化物形成元素 存在时，将导致珠光体移向高温同时又降低贝氏体转变的温度范围。因此随着 8 西华大学硕士学位论文 这些元素含量的增加，使得两组c 曲线逐渐分离【3 l 竭( 如图2 - 3 ) 。如果连续冷 却速度恰好避开珠光体转变或添加其他些有利于形成贝氏体组织的合金元素 避免珠光体转变。 焊缝中的贝氏体转变也是个形核与长大的过程：贝氏体转变和珠光体相 似，也是个相分解为两个相的过程，贝氏体转变需要一定的孕育期。在孕育 期内，由于碳在奥氏体中重新分布，造成浓度起伏，随着过冷度增大，奥氏体 成分越来越不均匀，因而有可能形成贫碳区和富碳区，在碳含量较1 氐的部位首 先形成铁素体晶核。上贝氏体中铁素体晶核一般优先在奥氏体晶粒内形成。铁 素体形核后，当浓度起伏合适且晶核尺寸超过临界尺寸时便开始长大。在其长 大的同时，过饱和的碳从铁素体向奥氏体中扩散，并于铁素体中间或在铁素体 内析出碳化物。因而贝氏体长大速度受到碳的扩散所控制。通常上贝氏体的长 大速度取决于碳在奥氏体中的扩散。 粒状贝氏体的形成温度一般在上贝氏体形成温度以上和奥氏体转变为贝 氏体最高湿度( b s ) 以下的温度范围内1 3 l 】。析出贝氏体铁素体后，由于碳通过相 界部分的扩散至奥氏体内，使奥氏体富碳不均匀，不再转变为铁素体。这些奥 氏体区域一般如孤岛( 粒状或长条状) 分布在铁素体机体上，粒状贝氏体内的奥 氏体岛继续冷却或等温，视奥氏体内的成分及冷却条件，可能有不同程度的转变 或分解。当岛内奥氏体在冷却过程中部分的转变为马氏体时，岛内就成为奥氏 体和马氏体的混合组织( 通常成为m - a 组织) 。岛内奥氏体也可能部分的分解为 铁素体和渗碳体。因此从粒状贝氏体组织组成物来说，一般认为它由大块状或 针状铁素体和被它包围的岛状物所构成的混合物( 粒状贝氏体组织可认为是上 贝氏体相交的种1 。 粒状贝氏体转变过程中也可能析出碳化物，包围在铁素体内的岛状物无论 是形态或是大小都极不一致，有的呈条形，有的呈颗粒，眵p 例。岛状物在铁素 体内的分布大都具有不同程度的方向性，在个原奥氏体品粒内，这种方向性 可能出现几个取向。这些岛状物为富碳的组成物，它不外乎是：( 1 ) 单一的高碳 马氏体或残余奥氏体；( 2 ) 马氏体和残余奥氏体的混合物；( 3 ) 部分或全部是铁素 体和碳化物的混合物。至于岛状物究竟属于哪种或哪几种并存 则取决于焊缝 的成分和冷却速度。 9 西华大学硕士学位论文 2 4 焊缝组织粒状贝氏体转变 在焊接时，希望焊缝组织的各项物理化学性能基本与被焊材料匹配，金相组 织能够致。被焊材质为粒状贝氏体组织因而试验希望焊缝金相组织也要为粒 状贝氏体。在金属冷却时由面心立方的奥氏体转变为体i ) 立方的固溶体的过程 中，可以通过两种途径来获得贝氏体： 1 控制焊缝的冷却速度；钢在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以 上的温度范围内，过冷奥氏体将发生贝氏体转变。通过加快焊缝金属冷却速度 避开奥氏体向珠光体转变的温度区域，然后等温保乱使不进入马氏体组织转变 的温度区域，而得到贝氏体。 2 改变g 曲线位置：在金属中加 碳化物形成元素，合金元素有可能使 g 曲线发生改变，使珠光体的转变移向高温区，这样在焊接过程连续冷却下， 也可能避开珠光体转变得到粒状贝氏体组织。 焊接条件下，焊件的冷却速度很难控制。因而，本论文通过在焊缝金属中 加入合金元素( 合金化) 来得到贝氏体组织。试验中使用的焊条为自制的贝氏体 专用焊条，焊接药皮中加入了以铁合金或纯金属形式存在的有利于贝氏体转变 的合金元素。 西华大学硬士学位论文 3 试验内容及方法 3 1 焊接试验 3 1 1 焊接试验内容 焊接试验内容分为三部分： 1 、手工电弧焊列接 采用手工电弧焊对贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢( 异种金属对接) 以及贝 氏体辙叉钢与贝氏体辙叉钢( 同种金属对接) 进行对接，并对其庚焊接接头进 行冲击试验，测试了冲击韧度。对冲击断裂后的断口进行断口形貌分析，判断 其断裂类型，分析其断裂机理。 2 、闪光焊对接 采用闪光焊对贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢进行列梭，并对其接焊拱矗妾头 进行拉伸试验，测试了抗拉强度对拉伸断裂后的断口进行断口形貌分析，判 断其断裂类型，分析其断裂机理。 3 、堆焊修复 采用手工电弧焊修复贝氏体辙叉钢和贝氏体钢轨钢，对不同焊接电流参数 下的堆焊修复层进行金相组织试验和显微硬度试验，分析其显微组织和显微硬 度曲线。 3 1 2 焊接设备及焊接工艺 根据试验内容，试验中使用了直流焊机、闪光焊机。采用手工电弧焊进行 对接时的焊接工艺为：直流反接，焊接电流1 2 0 a ，焊接电压2 a r t 采用手工电 弧焊对辙叉与钢轨进行堆焊修复时的焊接工艺为：直流反接，焊接电流分别取 8 0 a 、9 0 a 、1 0 0 a 1 1 0 a ，焊接电压2 5 v ；进行闪光焊对接时，所采用的焊机 为西德生产的大型闪光焊机，其最大功率可达4 0 0 0 k v a ，最大顶锻力达到7 0 0 t 。 在焊接过程中，为了避免焊接件发生较大的变形，采用的夹具如图3 - 1 历示 1 1 西华大学硕士学位论文 f 螗3 - 1p r e s s 图3 - 1 夹具图 3 1 3 焊后热处理 1 、手工电孤焊对接 试验中，采用手工电弧焊分别对新型辙叉钢与辙叉钢( 同种) 以及辙叉钢 与钢轨钢( 异种) 进行对接。施焊后，试样空冷到室温，未进行焊后热处理。 试验得到辙叉钢与辙叉钢对接试样4 件，分别以a 、b 、c 、d 表示；辙叉钢与 钢轨钢对接试样5 件，分别以a 、b 、c 、d 、e 表示。 。 2 、闪光焊对接 试验中，采用闪光焊焊接方式对新型辙叉钢与钢轨钢进行对接，共得到四 组焊件。在施焊后，试样均先空冷到室温，然后采用不同的热处理方式。热处 理的方式及所得拉伸试样数目如下表所示： t a b l e 3 - 1s a m p l e o f 切i 画a p e i j i i ，e n t 表3 - 1 拉伸试洋情况 3 、堆焊修复 试验中，采用手工电弧焊对贝氏体钢轨钢和贝氏体辙叉钢进行堆焊修复。 西华大学硕士学位论文 作为对照，试验对传统的珠光体钢轨也进行了修复堆焊。修复堆焊后的试样均 未进行焊后热处理。试验共得到堆焊修复试样1 5 组。 3 2 金相和力学性能试验 3 2 1 手工电弧焊金相和力学性能试验 针对手工电弧焊试样主要进行了冲击试验，测量其冲击韧度，并对其断口 进行形貌分析，判断其断裂机理。所用试验仪器有：普通金相显微镜、2 9 4 1 4 7 冲击试验机、s e m 。金相试样的制备方 法为：焊后，用线切割机割取包括焊缝、 热影响区的金相试样试决。然后，按照 金相制备方法进行制样。焊接接头的冲 击试验采用v 型缺口试样，缺口开在焊 缝。按照g b 2 2 9 - 8 4 3 5 1 将焊接试件加工 成标准冲击测试试件。 瑰3 - 2 s t a n d a r d 缸l p a d a 驴c r j 咖鞠m p l c 图3 2 冲击标准试样 3 2 2 闪光焊金相和力学性能试验 对闪光焊试样主要进行了拉伸试验。测量其抗拉强度，并对其断口进行形 貌分析，判断其断裂机理。 所用试验仪器有：普通金相 显微镜、w e 3 0 型液压式万 能试验机、s e m 。按照 g b i 2 9 7 5 - 硐将闪光焊接试 件加工成标准拉伸测试试 件。 f , 9 3 - 3 s t a n d a r d t e n s i o n e x p e r i m e n t s a m p l e 图”拉伸标准试样 3 2 3 堆焊修复金相与力学性能试验 对手工电弧焊修复堆焊试样主要进行了金相组织和显微硬度试验，分析其 显微组织，测量其显微硬度。所用试验仪器为：普通金相显微镜、显微硬度计 h v s 1 0 0 仉 西华大学硕士学位论文 试验中，试样的硬度值是采用从焊缝( 试件表面) 开始，对焊接接头的熔 合区、热影响区以及母材每间隔l m m 测量个硬度数值，每个区选三点作为 计量值。显微组织分析时，以4 硝酸酒精对堆焊修复试样进行腐蚀。 3 3 技术路线 本研究所采用的技术路线如图3 4 所示： n 9 3 - 4 t e c h n i c a l m u t e 图3 - 4 技术路线图 1 4 西华大学硕士学位论文 4 试验结果及分析 4 1 手工电弧焊对接试验结果及分析 4 1 1 冲击韧性试验结果及分析 试验溉试得到的冲击结果如表4 - l 所示。 t a b l e4 - i 鼬0 f 蛔驴晌g a p e 姗 表4 1 冲击试验结果 从试验结果来看，辙叉钢与钢轨钢对接的焊接接头的平均冲击韧度值为 4 2 8j c m 2 ，明显高于辙叉钢与辙叉钢对接接头的平均值3 3 1j a n 2 。试验中辙 叉钢与钢轨钢均为粒状贝氏体组织，所用焊条都是自制的贝氏体专用焊条。一 般来说，同种金属焊接接头的性能要优于异种金属焊接接头异种钢之间是否 具有良好的焊接性，主要是由被焊金属之间的性能差异程度和被焊金属组合后 所形成的合金金相结构来决定的 贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢的性能差异很小，则辙叉钢与钢轨钢对接的 焊接接头性能主要取决于其金相结构。试验采集的同种金属焊接接头和异种金 属焊接接头的金相组织照片分别如图4 - i 和图抛所示。 西华大学硕士学位论文 ( a ) 焊缝 ( c ) 熔合区 ( b ) 热影响区 ( d ) 母材 f i 9 4 - 1m s 扛i i 曲o f w e l d i n g j o i n t f o r f r o g a n d f i d g 图4 - 1 辙叉钢与输皿钢对焊接头组织4 0 0 x ( a ) 焊缝 1 6 ( b ) 热影响区 西华大学硕士学位论文 ( c ) 熔合区( d ) 钢轨母材 瑰牝删删嘛0 f w d 胁g j o 缸妇丘唱柚d 毗 图4 - 2 辙叉钢与钢轨钢对焊接头组织4 0 0 k 由以上两组图可见同种金属焊接接头的焊缝( 图4 - 1 a ) 为上贝氏体，而异 种金属焊接接头的焊缝( 图4 - 2 a ) 为上贝氏体+ 马氏体组织金相组织是影响 合金钢韧性的重要因素。在低合金钢中，贝氏体和马氏体的混合组织，其韧性 比单一马氏体或单一贝氏体组织要好。这是因为贝氏体先于马氏体形成，优先 将奥氏体晶粒分割成几部分，使随后形成的马氏体限制在很小的范围内，从而 获得了极为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多次改变方向，消耗能 量较大，故钢的韧性较高。 通过硬度试验可以间接评定金属材料的塑性。一般来说，材料的硬度大则 其塑性要差。前面已经述及冲击韧度是与塑性有关的材料性能，二者的关系为： 材料的塑性好则其韧性就好。也就是说，硬度与冲击韧度呈反向关系。试验测 得同种金属焊接接头的洛氏硬度平均值为h r c 5 4 - 5 ，异种金属焊接接头的为 h r c 4 4 9 。可见，试验得到的贝氏体辙叉钢与贝氏体辙叉钢对接接头的冲击韧 度值小于贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢的对接接头的冲击韧度值与二者的硬度 关系是致的。 以上两点很好地解释了辙叉钢与辙叉钢焊接接头冲击韧度小于辙叉钢与钢 轨钢焊接接头的原因。从而，说明了贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢对接后可以 得到满意的焊接接头。 西华大学硕士学位论文 4 1 2 断口形貌分析 试验中贝氏锌碉汉铜与贝氏体钢轨铜以及贝氏僻辅汊钢与贝氏僻辅汉钢手 工电弧焊对接的接头冲击试样断口如图4 _ 3 所示： ( a ) 异种( b ) 同种 r - 培3 m m p i c 缸咖0 f 面曲g 辩咖 图4 3 冲击试样宏观断口形貌5 瞅 ( a ) 为辙叉钢与钢轨钢对接的冲击试样的断口，首先在缺口附近形成裂 纹源，靠近缺口的区域为纤维区，并由纤维区逐步过渡到放射区，剪切唇沿没 有缺口的其他三侧分布。由图可见，断口呈暗灰色，且断口比较粗糙，表明裂 纹扩展过程中塑性变形比较大，断面脆性断口面积占总面积的2 5 左右，从而 可以判断接头的韧性比较好。( b ) 为辙叉钢与辙叉钢对接的冲击试样的断口， 与辙叉钢与钢轨钢对接的断口情形相同，由缺口处的裂纹源开始，依次是纤维 区、放射区、剪切唇，为韧性断口。断口有金属光泽的细平区域所占的比例超 过5 0 ，从而可以判断接头的脆性比较大 扫描电镜( s e m ) 下观察到的贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢及贝氏体辙叉 钢与贝氏体轲汉钢手工电弧焊焊缝的断口形貌如图“所示 西华大学硕士学位论文 ( a ) 异种 ( b ) 同种 f i g “m 妇0 0 p i c 咖0 f 蛔p a c 血g s 妇 图4 - 4 冲击试样微观断口( s e m ) 3 0 0 0 x ( a ) 断口、( b ) 断口均显示出显微空穴集聚的韧窝形貌，属撕裂韧窝。 但是( a ) 、( b ) 的韧窝在大小、深度e 有差别：( a ) 较( b ) 要大一些深一些。 韧窝的形状主要决定于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的大小和深度 决定于金属材料断裂时微孔形核的数量、金属的塑性及试验温度。如果微孔形 核的位置很多或材料的韧性很差，则断口上形成的韧窝尺寸较小、较浅：反之， 则韧窝的尺寸较大、较深。冲击试验中，试样的应力状态相同，因而韧窝的形 状相同；试验温度相同，则引起韧窝大小不同的主要是材料断裂时微孔形核的 数量和材料的塑性。微孔是通过第二相( 或夹杂物) 质点本身破裂，或第二相 ( 或夹杂物) 与基体界面脱离而成核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进 行到一定程度时产生的。微孔形核的数量，主要决定于第二相质点的大小和能 力。因而，本论文中引起韧窝大小深度的主要原因就是材料的塑性。从而说明 贝氏体辙叉钢与贝氏体钢轨钢对接的手工电弧焊焊接接头的冲击韧性要优于贝 氏体辙叉钢与贝氏体辙叉钢的接头。这与试验得到的冲击韧度数据是一致的。 4 2 闪光焊对接试验结果及分析 4 2 1 抗拉强度结果瑷分析 试验测试得到的拉伸试验结果如表4 - 2 所示。 1 9 西华大学硕士学位论文 1 糊c 4 - 2 文i i b o f e l c 蛐唱日p c r h 地m 表4 _ 2 拉伸试验结果 表4 2 所里现的试验结果显示，经回火与未回火贝氏体辙叉钢与贝氏体钢 轨钢闪光对接焊接接头的抗拉强度值没有明显差别，但断裂位置却有明显差别。 回火之后的试样都断裂于试样的根部，这就表明回火之后焊缝处的抗拉性能有 了明显的提高。但是，试验得到的抗拉强度值始终低于母材。本论文判断，回 火之后，拉伸试样断裂位置处于被焊母材的热影响区，从而表明焊