層間溫度、固溶強化對高強鋼熔敷金屬屈強比的影響

王愛華

（承德石油高等?？茖W校，河北 承德 067000）

0 前言

屈強比是衡量金屬材料均勻塑性變形能力的重要指標。近年來，人們在追求金屬材料高強度、高韌性的同時，也將屈強比作為一項重要指標[1]。目前對于屈強比影響因素的研究主要集中在母材屈強比[2]，對于焊縫金屬屈強比的研究較少，且研究的范圍也僅局限在組織對屈強比的影響上[3]，而影響強度的重要因素之層間溫度、固溶強化卻未進行探討。

本研究對不同層間溫度下690 MPa級HSLA鋼熔敷金屬進行室溫拉伸試驗。采用光譜法分析熔敷金屬化學成分，探討層間溫度、固溶強化對屈強比的影響規律。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

焊接材料為Mn-Ni-Cr-Mo系實心焊絲，直徑1.2 mm。焊接試板的材料采用20鋼，鋼板規格為430 mm×205 mm×20 mm。坡口設計及拉伸試樣取樣位置如圖1所示。

圖1 坡口及拉伸取樣位置示意

1.2 試驗方法

焊接方法采用熔化極氣體保護焊，焊接設備為YM-751A日本產全自動焊機，保護氣體為φ（Ar）95%和 φ（CO2）5%混合氣體，氣體流量 20 L/min。焊接參數如表1所示。熔敷金屬化學成分分析采用光譜法，拉伸試驗按照國家標準GB/T2562-1989進行，溫度為室溫。

表1 焊接工藝參數

2 試驗結果和分析

2.1 不同層間溫度下的熔敷金屬屈強比

690 MPa級HSLA鋼熔敷金屬在不同層間溫度下施焊時的力學性能結果如表2所示。由表2可知，隨著層間溫度的降低，熔敷金屬的屈服強度和抗拉強度呈逐漸增加趨勢，屈服強度從層間溫度200℃時的625 MPa增加到層間溫度80℃時的685 MPa，增加了60 MPa；而抗拉強度也從層間溫度200℃時的800 MPa增加到層間溫度80℃時的835 MPa，增加了35 MPa。計算不同層溫下的屈強比，計算結果見表2，層間溫度從200℃降低到80℃，屈強比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

屈強比是鋼鐵材料屈服強度和抗拉強度的比值。實際應用中為方便起見，通常采用抗拉強度與屈服強度之間的比值來表征。由于各種因素對金屬的屈服強度和抗拉強度影響較大。因此，本研究將從層間溫度、固溶強化對屈強比的影響進行討論。

表2 不同層間溫度下熔敷金屬力學性能

2.2 不同層間溫度下熔敷金屬的組織結構

不同層間溫度下熔敷金屬金相組織如圖2所示，熔敷金屬的透射組織照片如圖3所示。結合圖2和圖3可知，不同層間溫度的熔敷金屬顯微組織均由板條貝氏體和粒狀貝氏體組成。板條貝氏體主要由板條狀的貝氏體鐵素體組成，而組織中粒狀貝氏體則是由塊狀貝氏體鐵素體及分布在塊狀貝氏體鐵素體上的馬氏體/奧氏體（M-A）組元組成。

2.3 固溶強化對屈強比的影響

屈服強度是材料中位錯源開動且可動位錯發生滑移從而使材料產生屈服現象時的強度，是均勻塑性變形的開始；而抗拉強度是指材料在斷裂前所承受的最大應力值，是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，即代表均勻塑性變形的結束。因此，抗拉強度與屈服強度之間的差值代表材料均勻塑性變形階段。固溶強化是指合金元素固溶于基體相中形成固溶體而使其強化的方式，是通過改變材料的化學成分來提高強度的方法，固溶強化的計算式為[4]

表3是690MPa級HSLA鋼熔敷金屬在不同的層間溫度下施焊時的化學成分及質量分數測試結果。結果表明：在不同層間溫度施焊時熔敷金屬化學成分質量分數的變化范圍極小，基本保持不變。金屬中的合金元素是通過固溶或以化合物析出的形式存在于基體中的，當合金元素的質量分數超過基體中的固溶量時，合金元素將以析出的形式存在，由于析出相在拉伸過程中對位錯的運動起到了明顯的阻礙作用，將不同程度的影響材料的塑性變形能力，因此會影響熔敷金屬屈強比的大小。圖4是層溫80℃和200℃時熔敷金屬的透射組織照片，可以看出，在板條貝氏體鐵素體和塊狀貝氏體鐵素體上并沒有發現析出相，因此可以推斷熔敷金屬中合金元素主要以固溶的形式存在于基體中。由于不同層溫下熔敷金屬合金元素成分質量分數基本相同，又是以固溶的形式存在，在拉伸均勻塑性變形階段（即抗拉強度與屈服強度之間的差值階段）對位錯的阻礙作用相當，因此對屈強比的影響是相同的。

綜合以上分析，化學成分及固溶強化不受層間溫度影響，不是影響屈強比的主要因素，而其他因素例如組織狀態和晶粒尺寸等可能會對屈強比產生影響，需進一步研究。

圖2 不同層間溫度下熔敷金屬的顯微組織

圖3 熔敷金屬透射組織

表3 不同層間溫度下熔敷金屬化學成分

3 結論

（1）層間溫度對屈強比產生一定影響，即層間溫度從200℃降低到80℃，屈強比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

（2）層間溫度降低，熔敷金屬的化學成分與固溶強化不受層間溫度影響，不是影響屈強比的主要因素。

圖4 層溫80℃、200℃時板條貝氏體和粒狀貝氏體TEM組織形貌

[1]于慶波，孫瑩，黃傳輝.屈強比對塑性影響的研究[J].塑性工程學報，2009，16（1）：153-156.

[2]閆立超，余偉，唐荻，等.終冷溫度對高強度管線鋼屈強比的影響[J].南方金屬，2008（161）：8-10.

[3]YU Qingbo，SUNYing.Effectofcarbon content and microstructure on the yield-strength ratio of steel[J].Journal of Pl asticity Engineering，2009，16（6）：119-126.

[4]雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相[M].北京：冶金工業出版社，2006.