（材料加工工程专业论文）经济型铁素体不锈钢焊接接头组织和性能的研究.pdf

摘要 摘要 随着科技的不断进步，新材料、新工艺的应用日益广泛，人们对各类铁路车辆制造 材料的性能也提出了更高的要求。目前，铁素体不锈钢作为不锈钢车材料有着越来越重 要的地位，而其良好的性能和经济的价格也越来越为大家所关注。因此，开发经济型铁 素体不锈钢铁路客车和城轨车辆对于赶超国外不锈钢车辆的先进制造水平，提高我国不 锈钢车辆的竞争力具有十分重要的现实意义。 本文研究的主要内容有：采用e r 3 0 8 l 焊丝焊接1 4 0 0 3 同种材料和1 4 0 0 3 与 0 c r l8 n i 9 ，采用e r 3 0 9 焊丝焊接1 4 0 0 3 与0 9 c u p c r n i a 和1 4 0 0 3 与q 2 3 5 c ，对四种 焊接接头进行了拉伸、弯曲、冲击、硬度等常规力学性能试验，对焊接接头显微组织和 断口进行了观察与分析。 研究结果表明：在线能量为8 5 1 4 5k j c m 范围内，采用e r 一3 0 8 l 焊丝焊接的1 4 0 0 3 接头、1 4 0 0 3 + 0 c r l8 n i 9 接头，采用e r - 3 0 9 焊丝焊接的1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i a 接头、 1 4 0 0 3 + q 2 3 5 c 接头，均获得了较好的以奥氏体为主+ 少量铁素体的双相组织焊缝，在 1 4 0 0 3 侧h a z 过热区均出现了粗大单一的铁素体等轴晶，1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i a 、 1 4 0 0 3 + q 2 3 5 c 两组焊接接头在珠光体母材侧的熔合区出现了明显的过渡层。四组焊接 接头均具有较高的抗拉强度和较好的弯曲性能。除1 4 0 0 3 侧h a z 外，四种焊接接头均 具有良好的低温冲击韧性。1 4 0 0 3 侧h a z 冲击韧性很差，随着温度的降低，其冲击韧 性显著降低，成为了焊接接头中最薄弱的环节。 在焊接1 4 0 0 3 铁素体不锈钢时，应严格控制热输入量，避免过热区出现粗大的铁素 体晶粒。 关键词：铁素体不锈钢；焊接接头；金相组织；力学性能 大连交通人j , r v - l - 学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fn e w m a t e r i a l sa n dn e wp r o c e s s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rr a i l w a yv e h i c l em a n u f a c t u r i n gm a t e r i a l p e r f o r m a n c ei sp u tf o r w a r d a tp r e s e n t ，f e r r i t es t a i n l e s ss t e e la sc o r r o s i o nr e s i s t a n tc a r m a t e r i a l so c c u p ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp o s i t i o na n di t sg o o dp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c p r i c eg e t si n c r e a s e d l yc o n c e r n e d t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n te c o n o m i cf e r r i t es t a i n l e s ss t e e l p a s s e n g e rr a i l w a ya n du r b a nr a i lt r a n s p o r tv e h i c l e sh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r c a t c h i n gu p w i t ht h ea d v a n c e d f o r e i g n v e h i c l em a n u f a c t u r e r sa n d e n h a n c i n g o u r c o m p e t i t i v e n e s s i nt h i sp a p e r ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：w h i l eh e a ti n p u ti nr a n g eo f8 5 - 1 4 5 k j c m ，b yu s i n ge r 一3 0 8 lw e l d i n gw i r ej o i n t i n g 1 4 0 0 3u n i f o r mm a t e r i a l s 、1 4 0 0 3a n d 0 c r l8 n i 9 ，b yu s i n ge r 一3 0 9w e l d i n gw i r ej o i n t i n g1 4 0 0 3a n d0 9 c u p c r n i a 、1 4 0 0 3a n d q 2 3 5 - c ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff o u rk i n d so fw e l d i n gj o i n t sa r ei n v e s t i g a t e db yt e n s i l et e s t ， b e n d i n gt e s t ，i m p a c tt e s t a n dv i c k e r sh a r d n e s st e s t t h em i c r o s t r u c t u r e sa n df r a c t u r e m o r p h o l o g i e sw e r eo b s e r v e da n da n a l y s e d t h er e s u l t ss h o w st h a t1 4 0 0 3w e l d i n gj o i n ta n d1 4 0 0 3 + 0 c r l8 n i 9w e l d i n g j o i n tw e l d e d b ye r 一3 0 8 l ，1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i - aw e l d i n gj o i n t 、1 4 0 0 3a n dq 2 3 5 - cw e l d i n gj o i n tw e l d e d b ye r 3 0 9a l lh a v ep r e f e r a b l ya u s t e n i t i ea n dl i t t l ef e r r i t i eb i p h a s eo r g a n i z ei nw e l d e ds e a m b u th a zo n1 4 0 0 3s i d eh a su n i t yc o a r s e n i n gf e r r i t i cg r a i n 1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i - aw e l d i n g j o i n t 、1 4 0 0 3a n dq 2 3 5 - cw e l d i n gj o i n ta p p e a ro b v i o u sp a s s a g eb e d so np e r l i t eb a s em e t a l b o n dl i n e f o u rk i n d so fw e l d i n gj o i n t sa l lh a v eh i g ht e n s i l es t r e n g t ha n db e t t e rb e n d i n g p e r f o r m a n c e f o u rk i n d so fw e l d i n gj o i n t sa l lh a v eg o o dl o w - t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s e x c e p th a z o n1 4 0 0 3s i d e h a z0 n1 4 0 0 3s i d eh a sb a di m p a c tp r o p e r t i e sw h i c hb e c o m e l o w e ra st e s tt e m p e r a t u r el o w e r ，s oi tb e c o m e st h ew e a k e s tl i n ki nw e l d e dj o i n t s w e l d i n gf e r r i t es t a i n l e s ss t e e l1 4 0 0 3s h o u l ds t r i c t l yc o n t r o lt h eh e a ti n p u tt oa v o i d o v e r h e a t i n gz o n ea p p e a r i n gl a r g ef e r r i t eg r a i n k e yw o r d s ：f e r r i t es t a i n l e s ss t e e l ；w e l d i n gj o i n t ；m i e r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y 1 1 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他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 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：鑫莶夏、馥 日期：j 蜷年i 工月f 0 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：赵透t 望 日期：知g 年1 ) 月1 d 日 导师签名：碲；分艺 日期：五醒年f 土月 驴日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：戽匾截工业帝互律设么亩电话多箩g 曰易7 搭p 罗 通讯地址： 邮编： 电子信箱：啦【一办驮汐锣f 占多，眠 绪论 1 课题研究的目的及意义 绪论 高速、节能、安全、舒适、环保是铁道交通运输的重要课题，而轻量化是实现上述 目标的最有效途径。不锈钢列车以其自重轻、防腐蚀性能好、抗拉强度高、经济耐用、 美观安全的优点受到人们喜爱，广泛应用于城轨车辆和2 0 0 k m h 以下的准高速车辆川。 目前不锈钢列车车体材料均采用n i 、c r 含量高的奥氏体不锈钢s u s 3 0 l 、3 0 2 、 3 0 4 等，使得不锈钢列车的制造成本大大增加。为此，从上世纪8 0 年代国外就开始采用 经济型铁素体不锈钢制造铁道车辆的研究，并在成功开发出了3 c r l 2 经济型铁素体不 锈钢的基础上，开发出了铁素体不锈钢运煤车和运矿石车等铁道车辆，我国也于近期成 功开发出了载重8 0 吨的铁素体不锈钢运煤车。然而经济型铁素体不锈钢材料在铁路客 车和城轨车辆上的应用目前国内仍是空白，国外也是近年来的事。因此，开发经济型铁 素体不锈钢铁路客车和城轨车辆对于赶超国外不锈钢车辆的先进制造水平，提高我国不 锈钢车辆的竞争力具有十分重要的现实意义。 2 铁素体不锈钢车辆发展现状 城市交通轨道车辆应用不锈钢的前景广阔，日本在2 0 世纪8 0 年代末，每年生产约 1 1 0 0 辆不锈钢车厢，1 9 8 9 年，不锈钢在火车车厢上消费量达到，1 7 5 0 0 吨，目前其不锈 钢火车车厢已达6 0 以上。北美制造( 或正在制造) 的地铁和电气并联牵引车( e m u ) 。大多数都使用不锈钢车体。未来几年，我国城市交通轨道将进一步快速发展，目前我国 正在建设的地铁线约有1 1 条共2 0 0 多公里，约需车辆1 4 0 0 多辆，其中不锈钢车约1 9 2 辆。沈阳、哈尔滨、成都、杭州、青岛、西安、福州、长沙、郑州、佛山等大中城市正 在积极筹划建设不同类型的轨道交通。这是由于从其寿命周期成本( l c c ) 的大大降 低获得的节省十分可观，另外，特别是材料强度的提高会使旅客的安全性达到其固有的 更高水平，而且不锈钢在高温情况下，可较好地保持它的力学性能，从而提供了优良的 防火能力【l 】。 按显微组织，可以将不锈钢分为3 个基本类型：奥氏体型。( 面心立方) 、铁素体型 ( 体心立方) 和马氏体型( 体心正方或立方) 。其中奥氏体不锈钢的生产量和使用量约 占不锈钢总产量的7 0 。铁素体不锈钢在我国不锈钢产量中的比例较小，而在日本等国 家铁素体不锈钢已占了很大的比例1 2 】。铁素体不锈钢不含镍或仅含少量的镍，因而是一 大连交通火学t 学硕十学位论文 种节镍不锈钢，而且随着对铁素体不锈钢的深入研究和应用实践，不锈钢生产和应用技 术不断进步和完善，采用近代不锈钢生产技术所生产的低碳、氮，超低碳、氮以及高纯 c + n 、 i 3 5 ) 铁素体不锈钢等现代铁素体不锈钢与用 电弧炉单炼并加工生产的传统( 普通) 铁素体不锈钢相比较，性能上的某些不足已经得到 了极大程度的克服和相当圆满的解决。现代铁素体不锈钢已广泛应用于厨房设备、家用 电器、建筑装饰、交通运输、环保、市政建设等几乎所有与人们生活密切相关的各个领 域，在汽车、厨房设备中，其产量与消费量还有超过铬镍奥氏体不锈钢的趋势1 3 】。 2 1 国外铁素体不锈钢车辆材料的发展状况 经济型铁素体不锈钢材料在铁道车辆上的应用，起始于上世纪8 0 年代南非哥伦布 不锈钢公司成功开发出了3 c r l 2 经济型铁素体不锈钢。其后美国、澳大利亚、南非等 国先后成功开发出了采用3 c r l 2 不锈钢制造的运煤车和矿石车等。目前，全世界用 3 c r l 2 不锈钢制造的运煤车已达1 万多辆。1 7 年来，据国外资料统计，已有1 7 万吨3 c r l 2 广泛用于运输、制糖、交通、结构、石化和采矿等不同的工业领域【3 j 。 2 1 13 c r l 2 铁素体不锈钢的特点 3 c r l 2 铁素体不锈钢最早是在2 0 世纪8 0 年代初由现在的南非哥伦布不锈钢公司开 发的。当时，开发这种不锈钢的目的是充分利用本国铬资源丰富的优势，取代镀层碳钢 ( 如镀锌钢) 和耐腐蚀性差的其他一些材料( 如铝、合成材料、塑料以及一些低合金钢) 。 3 c r l 2 铁素体不锈钢的化学成分见表1 。从表中可见，3 c r l 2 中只含有11 - 1 2 的铬， 是低铬素体不锈钢中含铬量最低的，并且碳+ 氮的含量小于0 0 3 0 ，由此可见3 c r l 2 是一种超低碳低铬铁素体不锈钢。 表13 c r l 2 的化学成分( 质量分数：) t a b l e lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 3 c r l 2 ( 、n ：) 元素 钢趴 cs im npsc rn in 3 c r l 2 o 0 3 1 ”1 o o1 5o 0 4 00 0 1 51 1 0 1 2 00 3 1 0o 0 3 1 1 ) ：3 c r l 2 所含c + n 总计小于0 0 3 0 2 绪论 3 c r l 2 的含铬量虽然是铁素体不锈钢中最低的一种，但是它的耐腐蚀性能优于含碳 量高的1 c r l 2 ，2 c r l 3 ，3 c r l 3 ，4 c r l 3 等马氏体不锈钢，它的耐腐蚀性是未镀层低碳钢 的2 5 0 倍。而且它超低的含碳、含氮量( c + n o 0 3 ) ，避免了大量的氮化物和碳化 物在晶界沉淀，大大改善了钢的焊接性能。因此，该钢也具有良好的焊接性。 3 c r l 2 具有优良的塑形、韧性和成型性，抗变形行为非常类似与奥氏体不锈钢，在 外力作用下，材料屈服缓慢发展，没有明显的屈服点。表2 为3 c r l 2 的力学性能。 表23 c r l 2 的力学性能 t a b l e 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f3 c r l2 2 1 2用3 c r l 2 制造车辆的优越性 用3 c r l 2 不锈钢制作的运煤车在全世界已有1 万辆。通过选用3 c r l 2 不锈钢制作 车辆的项目都取得了效益f 5 】： ( 1 ) 减轻了车辆本身的重量。 美国最近用3 c r l 2 不锈钢制作6 0 台新运煤车辆，这种车辆是混合设计，车辆超长 达1 5 m ，重量较等量碳钢减轻4 3 吨。无负荷车辆净重2 4 吨，可拉运1 3 0 吨煤炭。所有 车辆重要部件均采用3 c r l 2 ，包括关键的磨损区边部、末端斜面板和矿车内部。 ( 2 ) 延长了车辆寿命。 由于3 c r l 2 的耐磨性和抗腐蚀性，用其制作的车辆使用寿命大大延长。国外曾对 3 c r l 2 与碳钢制作车辆进行了长时间的运载石灰、煤炭的负荷试验，所提供的参数证明， 用3 c r l 2 制作的车辆寿命比碳钢的要长1 2 倍以上。如涂漆的碳钢车辆耗损为 0 1 0 0 7 m m 年，预期寿命为1 4 1 7 年，而未涂漆的3 c r l 2 车辆损耗为0 0 5 m m 年，预 期寿命为3 2 年。 ( 3 ) 低的维修成本。 世界各地各种甜菜和甘蔗生产厂都千方百计对其运输设备降低维修成本和增加作 业率。由于甜菜、甘蔗含糖和湿的天然特性，加快了碳钢的腐蚀和磨损，特别对装卸死 角的侵害更为严重。而3 c r l 2 则可有效地抵抗其侵害，己形成了甜菜、甘蔗原料运输 的交付优势，大大降低了维修成本。 各国成功地运用3 c r l 2 的实践，已经充分证明了这一新钢种以其具有的优势广泛 用于运输和交通设备等工业领域。 3 人连交通人学 二学硕十学位论文 2 2 国内铁素体不锈钢车辆材料的发展状况 2 2 1我国不锈钢生产的现状及其消费情况 我国不锈钢生产已有4 0 年的历史。由于我国经济持续高速增长，有助于不锈钢生 产及加工产业持续高速增长。西部大开发及城乡基础设施工程建设等都将需要大量的不 锈钢材。不锈钢的产量逐年增加，占总体钢产量的百分比也呈增加趋势。我国不锈钢生 产厂家较多，但生产规模较小，产量低，现在产量超过1 0 万吨的只有太钢和辽宁特钢 等几家钢厂。近1 0 年来，我国不锈钢材的消费量增加相当迅速。2 0 0 0 年的消费量达到 1 7 3 8 万吨，是1 9 9 0 年2 2 万吨的7 9 倍，2 0 0 1 年达2 3 0 万吨，比2 0 0 0 年增加5 7 万吨， 增幅为3 2 3 ；2 0 0 2 年更高达3 2 0 万吨，比2 0 0 1 年增加9 0 万吨，增幅为4 1 ，不锈钢 的表观消费量年均增长率达到1 7 7 3 ，2 0 0 1 年我国不锈钢消费量己超过美国、日本， 成为世界上最大的不锈钢消费国1 3 】。 2 2 2 不锈钢的节镍问题 由于我国是一个镍资源缺乏的国家，所以在不锈钢工业发展中，首先要考虑如何合 理使用昂贵的镍。特别是2 0 0 4 年以后，我国不锈钢的自给率达到4 0 以上，因此，节 镍就成了既要重视又要面对的实际问题。当前，扩大生产与应用无镍铁素体不锈钢是世 界各国不锈钢节镍的主要方向，在中国提高和扩大不锈钢的生产和消费的同时，根据国 内市场的需求，如果适当调高铁素体不锈钢的使用比例，不仅不会造成世界上镍资源的 紧张，同时还可以降低消费者使用不锈钢的成本【6 】。 2 2 3 我国铁路货车车体材料的发展 从2 0 世纪9 0 年代开始，我国铁路货车车体用钢主要采用耐大气腐蚀钢( 即耐候钢) 。 与非耐候钢( 普通结构钢) 相比，耐腐蚀性能有很大提高，明显提高了车辆的使用寿命。 随着铁路货车使用寿命要求的不断提高，耐候钢的腐蚀性能也面临新的挑战，最近的调 查显示腐蚀、磨损造成的车体钢材损耗仍然相当严重，货车使用的耐候钢材料难以满足 车辆设计寿命2 5 年的要求。 采用不锈钢作为铁路货车车体材料无疑是最为有效的解决耐腐蚀问题的方法，但是 由于中国是一个镍资源缺乏的国家，通常使用的奥氏体不锈钢由于铬、镍等合金含量高、 价格昂贵而无法应用与货车车体的制造。当前，扩大生产与应用无镍铁素体不锈钢是世 界各国不锈钢节镍的主要方向。国外从上世纪8 0 年代开始，采用铬、镍等含量相对较 少的铁素体不锈钢( 经济型不锈钢) 3 c r l 2 或5 c r l 2 制造铁路货车车体，2 0 世纪9 0 年代开始，这类不锈钢在南非和澳大利亚运煤货车中大量使用。由于铁素体不锈钢与耐 4 绪论 候钢的耐大气腐蚀机理不同，不锈钢的耐大气腐蚀能力远远高于耐候钢，因此使用的结 果极为理想。近年来我国铁路货车车体不仅应用了从德国引进的与3 c r l 2 成分、性能 类似的1 4 0 0 3 铁素体不锈钢，而且应用了太钢在3 c r l 2 的基础上研发的铁路货车车体 用t c s 不锈钢。 2 2 4 1 4 0 0 3 铁素体不锈钢 1 4 0 0 3 是一种焊接用铁素体不锈钢。该钢在使用强度、抗磨强度、耐用性、维修成 本等方面都体现出了传统的不锈钢所不具备的优越性。而且1 4 0 0 3 不锈钢由于具有良好 的焊接性和成型性，因此能够用传统工艺加工制造。1 4 0 0 3 的化学成分见表3 ，力学性 能见表4 。 表31 4 0 0 3 不锈钢的化学成分( 质量分数：) t a b l e 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f1 4 0 0 3 ( 们：) 遮素 cs im npsc rn in 钢种 1 4 0 0 3o 0 31 0 01 5 0o 0 4 0o 0 1 51 0 5 1 2 50 3 1 00 0 3 表41 4 0 0 3 不锈钢的力学性能 t a b l e 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f1 4 0 0 3 屈服强度抗拉强度伸长率冲击功剪切模量 r p o 2 r ma s o 布氏硬度 泊松比 h b a i v g 丫 ( m p a )( m p a )( )( 4 0 ，j )( g p a ) 3 2 04 5 0 - - 6 5 02 42 0 02 7o 3 2】0 8 1 4 0 0 3 铁素体不锈钢比一些低等级的不锈钢更具有优越性。例如4 0 9 由于h a z 处 较低的冲击性能只限于轻型结构的制造，4 1 0 只能推荐使用热轧状态的厚板。1 4 0 0 3 与 低碳钢如b s e n l 0 1 1 3 级f e 4 3 0 a ( a s t ma 3 6 ) 相比，具有更高的强度和相同的结构刚 度，并且与普通铝合金相比具有更高的抗冲击强度。1 4 0 0 3 在力学性能上类似与奥氏体 钢，因为它是一种逐渐屈服的钢，没有明显的屈服点。1 4 0 0 3 被广泛用于制造平原地区 的车体框架，因为该钢能够确保以可控制的方式变形并且吸收足够的冲击能量，来保留 车体内部有残余空间。s m a w ，g t a w ，f c a w ，p a w ，激光电阻焊，电焊和缝焊都可 用于1 4 0 0 3 的焊接。1 4 0 0 3 的耐腐蚀能力比没有涂层的低碳钢高出2 5 0 倍。经耐大气腐 蚀测试，1 4 0 0 3 在海洋环境下的腐蚀速率是0 0 0 1 - - 4 ) 0 0 2 m m 年。虽然1 4 0 0 3 不锈钢有 良好的耐大气腐蚀性能，但是由于该材料的材质、性能与耐候钢( 或普通结构钢) 相比 5 人连交通人学 ：学硕十学t 筏论文 有较大差异，焊接性能也明显存在差距。一般认为，铁素体不锈钢在焊接热循环作用下， 少量经过奥氏体转变，但多数铁素体经过热循环后，晶粒发生剧烈长大，强度有所下降， 冲击韧性剧烈下降，因此，有必要对1 4 0 0 3 不锈钢进行全面的焊接性能分析。 2 2 5t c s 铁素体不锈钢 铁道车辆用t c s 铁素体不锈钢具有良好的耐大气腐蚀性能，周浸腐蚀试验表明， t c s 不锈钢耐腐蚀性能是耐候钢的1 0 倍以上。因此，这种经济型的不锈钢在铁道车辆 上具有良好的应用前景。但是，这类不锈钢在我国还是首次应用于铁道车辆，没有较为 成熟的焊接材料或焊接方法，对该钢种焊接性掌握的数据有限，必须通过大量相关的焊 接材料和焊接工艺试验以确定。t c s 不锈钢为低铬、低镍经济型不锈钢，铬含量为 1 0 5 1 2 5 ，镍含量为0 - 3 1 0 ，碳含量为o 0 3 。表5 1 5 】为t c s 不锈钢化学成分分 析结果，实际钢中的含碳量极低。 表6 【7 】为t c s 不锈钢力学性能。冲击试样尺寸为5 m m l o m m x 5 5 m m 。从表中可以 看出，t c s 不锈钢的母材力学性能良好，塑形和低温冲击韧性均在较高水平。 表5t c s 不锈钢化学成分( 质量分数：) t a b l e 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft c s ( 叭：) 素 钢心 c s im npsc r n i t c s0 0 0 80 2 21 0 80 0 2 20 0 0 3 1 2 0 5o 7 8 表6t c s 不锈钢力学性能 t a b l e 6m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft c s 铁道部运 下屈服强度抗拉强度伸长率 冲击功冷弯 装货车 凡lr m a 布氏硬度 a k v 18 0 0 h b 2 0 0 5 1 4 7 8 ( m p a )( m p a )( ) ( - 4 0 ，j )d = 2 a 号文要求 3 4 54 5 0 5 02 02 5 0 2 7o 3 2 3 铁素体不锈钢的焊接 3 1 铁素体不锈钢的焊接特点 ( 1 ) 焊接接头的塑性与韧性对于普通的铁素体不锈钢，一般尽可能在低的温度 下进行热加工，再经过短时间的7 8 0 8 5 0 c 退火处理，得到晶粒细化、碳化物均匀分布 6 绪论 的组织，并具有良好的力学性能与耐蚀性能。但在焊接高温的作用下，在加热温度达到 1 0 0 0 。c 以上的热影响区，特别是近缝区的晶粒会急剧长大，进而引起近缝区的塑韧性大 幅度降低，引起热影响区的脆化；在焊接拘束度较大时，还容易产生焊接热裂纹。热影 响区的脆化与铁素体不锈钢中c + n 含量密切相关。随着c 、n 含量的提高，韧脆转变 温度也会提高。除高温加热引起接头脆化、塑韧性降低外，铁素体不锈钢还可能产生。 相脆化和，o 相脆化过程较缓慢，对焊后的接头韧性影响不大，由焊接引起的4 7 5 脆 化倾向也较小l 1 0 j 。 ( 2 ) 焊接接头的晶间腐蚀普通纯铁素体型焊接接有的晶间腐蚀机理与奥氏体型不 锈钢焊接接头晶间腐蚀机理相同，均认为符合贫铬理论，铁素体型不锈钢一般在退火状 态下焊接，其组织为固溶微量碳和氮的铁素体及少量均匀分布的碳和氮的化合物，组织 稳定，而耐蚀性好，当焊接温度高于9 5 0 时，碳和氮的化合物逐步溶解到铁素体相中， 得到碳氮过饱和固溶体，由于碳，氮在铁素体中的扩散速度比在奥氏体中快的多，在焊 后冷却过程中，甚至在淬火冷却过程中，都来得的及扩散到晶界区，加之晶界的碳氮的 浓度较高与晶内，故在晶界上沉淀出( c r f e ) 2 3 c 6 碳化物和c r z n 氮化物，由于铬的扩散 速度慢，导致在晶界上出现贫铬固溶区，在腐蚀介质的作用下即会出现晶间腐蚀，由于 铬在铁素体中的扩散比奥氏体中快，故为了克服焊缝高温区的贫铬带，即可使过饱和的 碳和氮能安全析出而铬又来得急补充贫铬区，从而恢复到原来的耐蚀性，若在6 0 0 。c 较 长时间保温或焊接接头自9 0 0 以上缓慢冷却使碳氮化合物充分分析出，达到或接近钢 材退火状态下固溶的碳氮含量的平衡值时，仍能保持其耐蚀性能1 1 引。对于普通铁素体不 二锈钢，焊接时近缝区经过高温加热容易行成晶间腐蚀，解决的措施是焊后进行7 0 0 - 8 0 0 退火处理，严格控制c + n 的含量。 3 2 焊接工艺与焊接材料的选择 对于普通铁素体不锈钢，可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、等离子等熔焊 方法。该类钢在焊接热循环的作用下，热影响区的晶粒长大严重，碳、氮化物在晶界聚 集，焊接接头的塑韧性很低，在拘束度很大时，容易产生焊接裂纹，接头的耐蚀性也严 重恶化。为了防止焊接裂纹，改善接头的塑韧性和耐蚀性，在采用同材质熔焊工艺时， 可采取下列工艺措施【加j ： 一 一 ( 1 ) 采取预热措施，在1 0 0 1 5 0 。c 左右预热，使母材在富有韧性的状态焊接，含 铬量越高，预热温度也应有所提高。 ( 2 ) 采用较小的热输入，焊接过程中不摆动，不连续施焊。多层多道焊时，控制 层间温度在1 5 0 以上，但也不可过高，以减少高温脆化和4 7 5 脆化。 7 人连交通人学 ：学硕十学位论文 ( 3 ) 焊后进行7 8 0 8 5 0 的退火热处理，由于在退火过程中铬重新均匀化，碳、 氮化物球化，晶间敏化消除，焊接接头的塑韧性也有一定的改善。退火后应快速冷却， 以防止。相产生和4 7 5 脆化。 关于同材质焊接材料，除c r l 6 1 8 型铁素体不锈钢有标准化的e 4 3 0 - 1 6 ( a 3 0 2 ) ， 4 3 0 1 5 ( a 3 0 7 ) 焊条与h 1 c r l 7 实心焊丝外，其他类型的同材质焊接材料还缺乏相应的 标准，一些与母材成分相当或相同的自行研制焊条或t i g 焊丝经常用于同材质的焊接。 当采用奥氏体型焊接材料焊接时，焊前预热及焊后热处理可以免除，有利于提高焊 接接头的塑韧性，但对于不含稳定化元素的铁素体不锈钢来讲，热影响区的敏化难以消 除。对于c r 2 5 3 0 型的铁素体不锈钢，目前常用的奥氏体不锈钢焊接材料有c r 2 5 - n i l 3 型、c r 2 5 n i 2 0 型超低碳焊条及气体保护焊丝。对于c r l 6 1 8 型铁素体不锈钢，常用的奥 氏体不锈钢焊接材料有c r l 9 - n i l 0 型、c r l 8 - n i l 2 m o 型超低碳焊条及气体保护焊丝。另 外，采用铬含量基本与母材相当的奥氏体+ 铁素体双相钢焊接材料也可以焊接铁素体不 锈钢，如采用c r 2 5 - n i 5 m 0 3 型和c r 2 5 - n i 9 m 0 4 型超低碳双相钢焊接材料焊接c r 2 5 - 3 0 型铁素体不锈钢，焊接接头不仅具有较高的强度及塑韧性，焊缝金属还具有较高的耐腐 蚀性能。 3 3 经济型铁素体不锈钢的焊接特点 1 4 0 0 3 铁素体不锈钢与t c s 不锈钢都属于经济型铁素体不锈钢，特点是c r 、n i 含 量较低，大大低于普通奥氏体不锈钢( 1 8 8 ) 。这类不锈钢焊接的主要问题是焊接热影响 区中过热区的晶粒粗化。其原因是该钢种y 相温度区间较窄，高温仍然存在q 相，并且 温度区间较宽，因此，随着温度的升高，q 相的长大倾向严重。粗晶区的宽度一般不超 过l m m ，但对焊接接头的韧性影响很大。熔合线冲击功与母材或焊缝相比，一般可下 降5 0 以上。目前克服这一问题的主要方法是减少焊接热输入，缩短焊接热影响区在高 温处停留的时间，从而减小粗晶区宽度。但是，焊接热输入的减小对于保证焊接外观质 量带来一定难度，不利于焊接成形。当然，由于该类钢种的含碳量极低，并且冷却时的 y 相转变量有限，因此，快速冷却不会产生淬火或硬化倾向，这一点又有利于小热输入 焊接。采用正确的焊接方法和焊接材料，对于保证该钢种的焊接质量极为重要，通常所 用的焊接方法有气体保护焊和焊条电弧焊，焊接材料采用奥氏体或双相不锈钢焊材。气 体保护焊的优点是焊接速度快，焊接效率高，热影响也相对较小。焊接材料采用奥氏体 类型，可以确保低温时的焊缝韧性，弥补铸态焊缝晶粒较粗的不足。 8 绪论 课题的来源及主要内容 本课题是受长春客车厂委托，拟将1 4 0 0 3 铁素体不锈钢同种材料焊接接头以及 1 4 0 0 3 铁素体不锈钢与0 c r l s n i 9 奥氏体不锈钢、0 9 c u p c r n i a 耐候钢、q 2 3 5 一c 钢异种 材料焊接接头作为研究对象，采用a r + 3 0 2 的熔化极混合气体保护焊焊接方法焊接， 进行工艺试验，以期通过以上试验研究与分析1 4 0 0 3 铁素体不锈钢的焊接性能，为国产 铁素体不锈钢新型客车及出口高档车辆上的生产提供技术支持和理论依据。课题研究主 要内容如下： ( 1 ) 对四种材料进行焊接工艺试验 ( 2 ) 根据有关标准对四种焊接接头试样进行机加工，然后进行拉伸、冲击、弯曲 等常规力学性能试验： ( 2 ) 通过电镜对冲击与拉伸断口进行扫描分析； ( 3 ) 通过光镜、硬度等分析手段对四种焊接接头的组织和性能进行分析； ( 4 ) 根据以上试验结果和分析比较，为1 4 0 0 3 铁素体不锈钢在车体上的焊接应用 提供理论依据。 9 _ 入连交通大学f 学硕十学位论文 第一章试验材料和方法 1 1 试验材料 本试验所采用的材料分别为1 4 0 0 3 铁素体不锈钢、o c r l8 n i 9 奥氏体不锈钢、 0 9 c u p c r n i a 耐候钢和q 2 3 5 c 低合金钢，其化学成分和力学性能分别见表1 1 和表1 2 。 其中，1 4 0 0 3 铁素体不锈钢( 欧洲标准e n l 0 0 8 8 ) 是德国在3 c r l 2 基础上发展起来的 超低碳、低铬经济型铁素体不锈钢。该钢具有中等的抗蚀性、适度的强度、良好的耐磨 性和低的维修成本，被广泛应用于交通运输、框架结构、制糖、石化和采矿等各种工业 领域。 表1 1母材化学成分( 质量分数：) t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fb a s em e t a l ( 们：) 母材 cs im npsc rn inc u 1 4 0 0 30 0 2 00 6 0 1 7 4 o 0 3 2 o 0 0 91 1 7 4o 8 20 0 1 2 0 c r 】8 n i 90 0 71 0 02 0 00 0 3 5 0 0 3 01 7 j a 1 9 0 08 0 1 1 o 钙c l d ) c 扑娃- a| o 。1 2o 2 多国。7 5o 。2 0 d 5 00 0 7 - - - 0 15o 0 3 50 3 睢1 2 5 0 0 3 0 。2 5 如l 。5 5 q 2 3 5 - c o 1 8o 3 00 3 5 幻8 0o 0 4 00 0 4 0 表1 2 母材力学性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a s em e t a l 屈服强度抗拉强度伸长率 冲击功 母材1 8 0 冷弯 ( r p o 2 m p a ) ( r r n m p a ) ( a s o ) ( a k v j ) 1 。4 0 0 34 0 55 3 03 2 5d = 2 a5 6 o c r l 8 n i 92 0 55 2 04 0 0 9 c u p c r n i - a3 4 54 8 02 2d = 2 a q 2 3 5 - c 2 3 53 7 5 4 6 02 42 7 焊接材料为e r 3 0 8 l 和e r - 3 0 9 焊丝。其中，1 4 0 0 3 同种材料焊接和1 4 0 0 3 与 0 c r l8 n i 9 焊接采用e r 3 0 8 l 焊丝；1 4 0 0 3 与0 9 c u p c r n i a 、q 2 3 5 c 的焊接采用e r 3 0 9 焊丝。e r 3 0 8 l 相当于国内h 0 0 c r 2 0 n i l 0 焊丝，属于超低碳奥氏体焊丝，可焊接相似成 分的母材，减少了碳化物在晶间的沉淀，也可用于耐蚀堆焊层。e r 3 0 9 相当于国内 h l c r 2 4 n i l 3 焊丝，适用于焊接相似成分的锻件和铸件，此外还可用于不锈钢与碳钢的 异种钢焊接。焊接材料的化学成分和力学性能分别见表1 3 和表1 4 。 1 0 第一章试验材料和方法 表1 3 焊接材料熔敷金属的化学成分( 质量分数：) t a b l e l 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f w e l dm e t a l ( 叭：) 元素 霹号 cs i m nps c rn i e r 3 0 8 l0 0 2 50 6 01 o 之50 0 3 0 0 2 19 5 2 0 59 5 10 5 e r 3 0 9 0 0 80 91 0 之50 0 30 0 32 2 o 一2 5 01 2 0 1 4 0 表1 4 焊接材料熔敷金属的力学性能 t a b l e1 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l dm e t a l 抗拉强度伸长率冲击功 牌号 。 ( r m m p a ) ( a 5 0 肠) ( a k v j ) e r - 3 0 8 l 5 7 54 4 15 0 e r 3 0 95 9 03 7 1 3 0 1 2 试验方法 1 2 1 工艺试验 焊接工艺试验采用混合气体保护焊，保护气体为9 7 a r + 3 0 2 。采用对接焊，试板 开6 0 。v 型坡口。其中，1 4 0 0 3 铁素体不锈钢、0 9 c u p c r n i a 耐候钢和q 2 3 5 c 低合金 钢试件尺寸均为2 0 0 m m x l 0 0 m m x 8 m m ，0 c r l 8 n i 9 试件尺寸为2 0 0 m m x l 0 0 m m x 6 m m 。 用e r 。3 0 8 l 焊丝焊接1 4 0 0 3 + 1 4 0 0 3 、1 ：4 0 0 3 + 0 c r l8 n i 9 两组焊接接头；用e r 3 0 9 焊丝 焊接1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i - a 、1 4 0 0 3 + q 2 3 5 c 两组焊接接头。焊接工艺参数见表1 5 。 1 2 2 显微组织与断口分析 采用b x 5 1 m 金相显微镜对1 4 0 0 3 + 1 4 0 0 3 、1 4 0 0 3 + 0 c r l 8 n i 9 、1 4 0 0 3 + 0 9 c u p c r n i - a 、 1 4 0 0 3 + q 2 3 5 c 四组焊接接头的组织形态进行观察，采用j s 州4 6 0 l v 扫描电镜对四 组焊接接头的冲击试验断口进行了观察。其中，各组接头焊缝及铁素体不锈钢母材部位 采用氯化铁饱和盐酸溶液腐蚀，奥氏体不锈钢母材部位采用王水腐蚀，合金钢及耐候钢 母材部位采用4 硝酸酒精溶液腐蚀。 人连交通火学! j i 学硕十学位论文 表1 5 焊接t 艺参数 t a b l e1 5w e l d i n gv a r i a b l e s 电焊接规范 试 焊接流 焊 件材料 材料 种 道 电流 电压 焊接 焊接 气体 号 数 ( a )( v ) 速度 线能量 流量 类 ( k j c m ) ( l m i n ) ( m m m i n ) 1 层 17 0 1 92 1 1 9 21 1 l 2 层1 7 01 91 4 1 1 3 71 1 1 4 0 0 3 直 1 层 17 01 91 7 1 1 1 31 1 2 l e r 3 0 8 l 1 4 0 0 3 流 2 层 l7 01 91 4 31 3 6ll 1 层 1 5 01 92 0 08 6 1 1 3 2 层 1 6 01 91 2 61 4 5 1 1 1 层 1 6 01 91 7 11 0 7 】1 4 2 层 1 6 01 9】7 1】o 71 1 1 4 0 0 3 直 1 层 1 5 01 91 9 09 1 1 5 + e r 3 0 8 l 0 c r l8 n i 9 流 2 层 1 5 01 91 9 09 1 1 1 层