? 贝氏体钢与U71Mn钢闪光对焊材料性能研究 贝氏体钢与U71Mn钢闪光对焊材料性能研究
王鑫魏爱玲郝贵敏
(廊坊燕京职业技术学院机电工程系， 河北廊坊065200)
摘要：采用小型闪光焊机上进行小试件焊接试验， 分析焊接接头力学性能以及其组织结构。X射线衍射、扫描电镜和透射电镜观察与分析结果表明：空冷贝氏体钢热影响区内无碳化物析出，U71Mn钢接头无马氏体产生，空冷贝氏体钢熔合区内存在大量残余奥氏体。常规力学性能试验结果表明：空冷贝氏体钢辙叉与U71Mn钢轨钢焊接接头具有较高的强度和韧性，达到有关标准和实际使用要求，由此可见贝氏体钢辙叉与U71Mn钢轨钢采用闪光对焊直接焊接是可行的。
关键词：贝氏体钢； 焊接； 材料性能
0引言
目前铁路线路的发展方向是无缝、高速、重载。钢轨之间的焊接属于同材质焊接，难度不大，而辙叉与钢轨属于异质焊接，难度较大。目前辙叉主要由两种材料制造：高锰钢和贝氏体钢。高锰钢辙叉与高碳钢钢轨之间的焊接性能相差很大，其技术难度更大。国内科研工作者经过多年研究，通过利用物理性能、化学成分和组织结构介于两种钢之间的焊接材料，将高锰钢辙叉与高碳钢钢轨成功地焊接到了一起[1-2]。但高锰钢整铸辙叉由于其铸造工艺缺陷致使其平均寿命低且寿命分布离散度过大[3]，这种情况促使人们去研究可替代的新钢种。因此，有必要开发新的钢轨钢及辙叉用钢，以适应铁路工业发展的需要。贝氏体钢以其优良的强韧度配合引起了各国铁路器材研究者们的注意，并开展了广泛的研究[4-6]。
1试验材料及方法
试验材料为U71Mn钢轨钢和空冷贝氏体辙叉钢，各材料的化学成分如表1。成分化验采用PDA-5500Ⅱ型真空直读发射光谱仪。
在哈尔滨第二刀具厂的小型闪光对焊机上进行焊接，试样尺寸为30 mm×30 mm×200 mm。对焊接所得接头试样部分进行去应力正火热处理，正火热处理工艺为加热到920 ℃保温10 min。然后对焊接接头进行拉伸试验、冲击试验，并对焊缝的微观组织进行观察。
2试验结果及分析
2.1拉伸试验结果
1号、2号试样为直接将贝氏体辙叉钢与U71Mn钢轨钢焊接到一起，1号试样没有经过焊后热处理，而2号试样经过10 min的 920 ℃正火热处理。由表2可以看出：试样经过热处理后抗拉强度变化不大而塑性有所提高，但断裂位置却有明显差别，经过焊后热处理的焊缝拉伸试样断裂位置在基体，而没有经过焊后热处理的焊缝拉伸试样断裂位置却在焊缝处。这就表明正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。经判断，正火之后拉伸试样断裂位置处于被焊母材的热影响区，从而表明焊缝金属的强度高于被焊母材热影响区。
表1试验材料的化学成分%
元素CMnCrNiMoSiPS钢轨钢0.741.38———0.290.0150.031贝氏体钢0.281.032.14—0.331.490.0190.012
a—未经过热处理焊缝断口;b—热处理后焊缝断口。
图1焊缝断口形貌分析
试验结果较好地反映了闪光对焊接头的性能，从而证明焊接接头的抗拉强度接近母材的抗拉性能，这证明利用贝氏体辙叉钢与U71Mn钢轨钢直接焊接是可行的，并且性能满足TB/T 1632.2—《钢轨焊接闪光焊接标准》标准。
表2小试样闪光对焊焊接接头拉伸试验结果
试件处理状态抗拉强度/MPa断裂位置δ/%ψ/%1未热处理1090焊缝断裂4.07.82热处理1069基体断裂5.022.63未热处理802焊缝断裂0.9—4热处理498焊缝断裂4.0—
注：δ为断后伸长率；ψ为断面收缩率。
2.2冲击试验结果
为检测焊接接头不同位置的冲击韧性，将开口位置分别开在贝氏体钢与钢轨钢焊缝、贝氏体钢热影响区、U71Mn钢轨钢热影响区的位置。
从表3中可以看出，经过10 min的 920 ℃正火热处理的焊缝的冲击韧性ak是13.7 J/cm2，而没有经过焊后热处理的焊缝的冲击韧性ak是7.7 J/cm2，经过焊后热处理的焊缝性能明显优于没有经过热处理的焊缝。
表3小试样闪光对焊焊接接头冲击试验结果
处理状态U口距焊缝25mm冲击韧度/(J·cm-2)未热处理U71Mn钢轨钢HAZ贝氏体钢HAZ11.243.8热处理后U71Mn钢轨钢HAZ贝氏体钢HAZ8.478.7
注：HAZ表示热影响区。
2.3断口组织
图1为焊缝冲击断口形貌，其中图1a为没用经过热处理的焊缝断口形貌，图1b为经过热处理的焊缝断口形貌。扫描电镜观察结果表明，焊缝的冲击断口呈准解理和韧性断裂的混合方式，但是断裂区内准解理断裂和韧性断裂所占比例因是否经过焊后热处理而有所差别。另外在断口中发现有方形规则析出物，经能谱仪检测，析出物为TiC。由于热轧效应，TiC的存在会限制焊缝晶粒的长大，这对提高焊缝的韧性有利。
2.4焊接接头熔合区微观组织分析结果
异种钢焊接熔合区是焊接接头中组织结构、合金成分、机械性能等发生急剧变化的不均匀过渡区，也是接头中最薄弱的区域。
图2为焊缝融合区透射电子显微镜(TEM)分析照片。可以看出焊缝熔合区主要还是以贝氏体铁素体板条为主，由图的衍射斑点计算可知为铁素体组织。
图2焊缝熔合区组织的TEM照片
由图2可见：大部分贝氏体铁素体呈连续的条(片)状，少量碳化物分布于铁素体内。在TEM照片中还可观察到分布于贝氏体板条之间的残余奥氏体。这种组织的形成与贝氏体钢中含有较高含量的硅元素有关，硅是非碳化物形成元素，可以提高过冷奥氏体的稳定性，其原因可能是在过冷奥氏体转变过程中，形成的渗碳体完全不含硅，因此，硅原子必须扩散开去，才有利于渗碳体的形核和长大。从这个角度分析，也就不难理解为什么硅能强烈阻碍贝氏体转变中渗碳体(碳化物)的析出了。这样，在贝氏体铁素体生长过程中，多余的碳会排向界面一侧邻近的奥氏体中，造成周围奥氏体富碳，随着贝氏体铁素体的长大及转变温度的降低，在贝氏体铁素体条间及条内就形成了不连续的薄膜状残余奥氏体。贝氏体钢中的残余奥氏体对钢的性能有有利的一面，由于残余奥氏体较软，易产生塑变，故在承受外加载荷的过程中可以吸收能量，对裂纹的扩展可起
到缓冲作用，可提高钢的冲击韧性:异种钢焊接熔合区是焊接接头中组织结构、合金成分、机械性能等发生急剧变化的不均匀过渡区，也是接头中最薄弱的区域，正是因为在熔合区内存在大量的残余奥氏体组织，才使得贝氏体辙叉钢和U71Mn钢轨钢的焊接接头熔合区的冲击韧性没有大幅度降低，这与贝氏体辙叉钢和U71Mn钢轨钢的焊接接头冲击试验结果基本相符。
3结论
1)焊接接头具有良好的强韧性及疲劳强度,主要是与板条贝氏铁素体的位错亚结构有关,而在贝氏铁素体束之间存在稳定性较高的残余奥氏体膜,是提高韧性的主要因素。
2)U71Mn钢热影响区内无马氏体产生，空冷贝氏体钢内无碳化物析出，贝氏体钢熔合区有大量的残余奥氏体存在，残余奥氏体的存在可以提高焊缝熔合区的强度及韧性。
3)焊后热处理后造成在熔合线附近存在明显的碳迁移现象，从而导致了焊后贝氏体钢熔合区碳含量增加，碳含量的增加可以提高焊缝熔合区的强度及硬度。
4)贝氏体钢与U71 Mn钢闪光对焊接头力学性能达到或接近于母材的抗拉性能，焊接接头的各项力学性能均达到或超过了TB/T 1632.2—的要求，表明，贝氏体辙叉钢U71Mn钢轨钢直接焊接是可行的。
参考文献
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[2]Zhang Fucheng, Lü Bo, Hu Baitao, et al.Flash Butt Welding of High Manganese Steel Crossing and Carbon Steel Rail[J].Materials Science and Engineering， ,(454/455):288-292.
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[4]Kevin Sawley, Miton Scholl. The Development of Bainitic Steels for Rails[C]//39th Mwsp Conf.Proc. 1998:1007-1014.
[5]Kevin Sawley, Sun Jian. Investigating the Bainitic Option Railway Track & Structures[J].Advanced Rail Steels, 1997(3):22-27.
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STUDY ON THE MATERIAL PERFORMANCE OF FLASH BUTT WELDING TO BAINITE STEEL AND U71Mn STEEL
Wang XinWei AilingHao Guimin
(Department of Electro-Machinery Engineering of Langfang Yanjing Vocational Technical College, Langfang 065200，China)
ABSTRACT：Some small specimens of bainitic crossing steel and U71Mn rail steel were welded with a small flash butt welder. The mechanical properties and the organizational structure of welded joints were analyzed. Through X-ray diffraction, scanning electron microscope and transmission electron microscope, the results showed that there was no carbide in the heat-affected zone of air-cooling bainite steel,and no martensite in HAZ of the heat-affected zone of U71Mn steel and there was much retained austenite in the fusion zone of air-cooling bainite steel. The welding joints of bainitic crossing steel and U71Mn rail steel owned higher strength and ductility, the mechanical properties of the welding joint were up to international standards. Therefore, welding the bainitic crossing steel and U71Mn rail steel by flash buttwelding is completely feasible.
KEY WORDS：bainite steel； welding； material property
收稿日期：-01-20
DOI:10.13206/j.gjg06018
第一作者：王鑫，男,1982年出生，讲师。
Email:198073202@
