合金元素与热处理工艺对高速列车转向架焊接接头组织和性能的影响

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	合金元素与热处理工艺对高速列车转向架焊接接头组织和性能的影响
	魏世同
学位类型	博士
导师	李依依 ; 李殿中 ; 陆善平
	2010
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料加工工程
关键词	高速列车转向架焊丝热处理工艺含nb焊缝金属 Nbc析出相
摘要	"转向架是高速列车的核心部件，近年来铁路六次提速，列车高速化的发展对转向架提出了轻量化要求，高速列车转向架必须采用焊接结构。为了保证转向架焊接构架的安全可靠性，首先要重视其焊接性能，因此研究与分析转向架构架焊接接头的组织和力学性能，选择与转向架构架材料匹配的焊接材料，优化焊接工艺，达到提高构架焊接接头质量的目的具有重要的现实意义。高速列车转向架材料为一种控轧控冷微合金钢，目前对控轧控冷微合金钢的研究主要集中在不同变形及冷却条件下，微合金元素对钢材组织及性能的影响，但是对于不同焊后热处理条件下，微合金元素在焊缝金属中的存在形式及其对焊接接头组织和性能的影响还缺乏深入系统的研究。本文针对CRH5（时速200~250km/h）高速列车转向架，系统分析了现场焊接工艺条件下合金元素的烧损规律，研究了焊接材料中主元素和微量合金元素对焊接接头组织和性能的影响，在此基础上研究了不同热处理条件下含Nb焊缝金属组织演变过程及其对接头性能的作用，研制的焊接材料及焊接接头各项性能均达到CRH5转向架指标要求，提出了CRH5转向架焊接材料成分控制范围及相应焊后热处理规范。设计了六种不同成分的焊接材料，并采用富氩基气体保护焊工艺，对S355J2G3钢板进行焊接工艺试验，研究了合金元素在焊接过程中的烧损规律，发现Mn、Si元素在MAG焊过程中发生较大烧损，而C元素的烧损规律与焊丝中原始C含量有关。焊缝金属组织和性能的实验结果表明，随着C含量的增加，焊缝金属组织得到细化，强度增加。随着Mn、Si含量的增加，焊缝金属的强度增加，延伸率和冲击性能降低。在此基础上，确定了适用于高速列车转向架材料S355J2G3钢的焊接材料中C、Mn、Si主元素的成分控制范围。开展了焊后正火工艺对焊接接头组织和性能的影响研究。随着正火温度的升高，含Nb焊缝金属中的魏氏组织铁素体数量明显增多，导致其强度显著增加，延伸率和冲击功明显降低。含Nb焊缝金属中NbC析出相的数量随正火温度的升高逐渐减少，这促进了焊缝金属中魏氏组织的形成。不含Nb焊缝金属的微观组织、强度、延伸率和冲击功随正火温度升高变化不明显。对于含Nb焊缝金属，随着正火次数的增加，焊缝金属中NbC析出相的尺寸明显增大，其强度、延伸率及冲击功均先增加而后又降低，经3~4次正火处理后，焊缝金属组织达到最细化，其强度及韧塑性达到最佳值。当正火次数达到6次时，焊缝组织出现明显的混晶现象而恶化焊缝性能。采用TEM分析了含Nb焊缝金属中NbC析出相的长大模式及分布情况表明：焊缝金属由于未经过变形过程，其内部位错数量较少，因此除少数NbC析出相在位错处形核外，大量NbC的析出仍然是在基体内均匀形核，NbC析出相以聚集长大模式生长，随着NbC析出相尺寸的增大，其形状依次为球形、方形以及不规则形状。微合金钢焊缝金属中微量合金元素控制必须与焊接接头焊后热处理工艺相结合，在焊态下，微合金元素的加入对焊缝金属的强度和塑性有利，在焊后退火情况下，微合金元素的加入显著提高焊缝金属强度，但明显降低其塑性和韧性，在合理的焊后正火条件下，微合金元素的加入能同时改善焊缝金属的强度、塑性和韧性。"
其他摘要	"In recent years, the development of high speed railway put forward lightweight demand for the train bogie. High speed train bogie uses welding structure. Analyzing the microstructure and mechanical properties of the bogie frame welded joints, choosing appropriate bogie frame welding materials, and optimizing the welding technology are of great practical significance for guaranteeing the safety and reliability of bogie welding frame. The material for high speed train bogie is a kind of microalloyed TMCP (Thermo-Mechanically Controlled Process) steel. At present, the researches on microalloyed TMCP steel are focused on the influences of microalloy elements on the microstructures and properties of the steel under different distortion and cooling conditions. However, the role of microalloy elements in the weld metal under different postweld heat treatments, and its effects on the microstructures and properties of welded joints are poorly understood. In this paper, welding wire for CRH5 train bogie is developed and the burning loss rule for alloy elements is analyzed for MAG welding process. The effect of alloy elements on the microstructures and properties of welded joint is studied systematically. Furthermore, the microstructure evolution of Nb bearing weld metal under different postweld heat treatments and its effect on the properties of welded joint are investigated particularly. The properties of the welded joint meet the requirement for CRH5 train bogie. The composition ranges of alloy elements in the welding wire for the CRH5 train bogie and the postweld heat treatment are optimized. Six kinds of welding wires with different compositions were designed for the CRH5 high speed train bogie material S355J2G3 microalloyed steel. Burning loss rule for alloy elements under Argon rich gas shielded welding (MAG) is investigated to the six kinds of developed welding wires. Results show that Mn, Si and Nb elements burning loss will happen during the MAG welding process, and the burning loss rule of C relates to the original contents of C element in the welding wire. With the increase of the C contents in the welding wire, the microstructure of the weld metal is refined and the weld metal strength is improved. The strength of the as-annealed weld metal is increased, while the elongation and impact toughness of the weld metal are decreased with the increasing Mn and Si contents. On the base of experimental research, the composition ranges of C, Mn and Si in the welding wire fit for the CRH5 high speed train bogie material S355J2G3 steel are optimized and confirmed.."
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64181
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	魏世同. 合金元素与热处理工艺对高速列车转向架焊接接头组织和性能的影响[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2010.