熱輸入對Q420FRE鋼焊接熱影響區組織和力學性能的影響

許 可，吳開明，王紅鴻，李 麗，覃展鵬，吳年春

（1.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081；2.高性能鋼鐵材料及其應用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430081；3.南京鋼鐵集團有限公司研究院，江蘇 南京，210035）

鋼結構作為建筑結構的一種重要形式，已成為中國建筑行業未來主要的發展方向，建筑鋼材也有著良好的發展前景［1］。雖然鋼結構建筑施工速度快、空間大、重量輕，但其有一個很大的弱點，即耐火極限低。為適應現代建材發展趨勢，具有耐火性能的建筑用鋼——耐火鋼應運而生［2－3］。Q420FRE鋼是一種新型的智能抗震耐火鋼，具有良好的高溫力學性能，且有著良好的塑性和較低的屈強比，在發生火災時可為建筑物的結構提供加強保護［4］，滿足高層建筑的使用要求。

在制造和安裝過程中，建筑鋼結構承受載荷及應力分布等與所采用的焊接方法、焊接工藝、接口型式等因素密切相關。耐火鋼焊接熱影響區性能的優劣是保證其結構完整性、安全性的關鍵因素。而焊接熱輸入是影響焊接熱影響區組織、力學性能及抗裂性的重要工藝參數。基于此，本文針對新開發的40mm厚智能型Q420FRE耐火鋼板，采用全自動埋弧焊方法（SAW）在不同熱輸入條件下進行焊接試驗，研究焊接熱影響區微觀組織和力學性能的變化規律，以期為此類鋼種的實際焊接提供技術依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用40mm厚Q420FRE耐火鋼采用低碳設計并進行Nb、Ti復合微合金化和Mn、Mo適度合金化，碳當量（Ceq）和冷裂紋敏感指數（Pcm）相對較低，耐火鋼顯微組織如圖1所示，其化學成分如表1所示。由圖1中可見，試樣的顯微組織主要由粒狀貝氏體（B）和少量針狀鐵素體（AF）構成。Q420FRE耐火鋼的力學性能見表2。

表1 Q420FRE鋼的化學成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of Q420FRE steel

表2 Q420FRE鋼的力學性能Table2 Mechanical properties of Q420FRE steel

1.2 試樣制備

將3塊尺寸為40mm×230mm×500mm的鋼板加工成坡口形式為X型的焊接試板，在其他參數相同的情況下，分別以15、30、75kJ·cm－1的熱輸入量進行埋弧焊焊接。焊接材料采用牌號為BHW－9＋XUN121的國產埋弧焊焊絲及配套焊劑。焊接后放置24h，使用X射線和超聲波對試板進行無損檢測。采用線切割設備在每件試板截取3個拉伸試樣，在熔合線及熔合線外1、3、5、7mm處各取3個沖擊韌性試樣。

1.3 分析檢測

根據GB／T228—2002測定Q420FRE鋼室溫下的抗拉強度Rm1，根據GB／T4338—2006測定在600℃下分別保溫10min和30min鋼試樣的抗拉強度 Rm2，根據 GB／T229—2007在JB－30A型沖擊試驗機上進行－40℃時的低溫沖擊韌性試驗。打磨拋光焊接試樣，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察其顯微組織，并采用BUEHLER MicroMET5101型維氏硬度計測定其顯微硬度。

將50kJ·cm－1熱輸入下的焊接接頭試樣制備成透射電鏡萃取碳復型樣品，在JEM－2100F型透射電鏡中對試樣中的析出相進行形貌觀察和電子衍射分析，用INCA能譜儀對析出相進行成分分析，觀察部位為熔合線外0.5～1.0mm區域。

2 結果與討論

2.1 熱影響區Q420FRE鋼組織的變化

熱輸入為75kJ·cm－1時焊接熱影響區不同區域的材料顯微組織如圖2所示，粗晶區的材料顯微組織如圖3所示。圖2、圖3與圖1進行對比可知，試樣熔合線及粗晶區奧氏體晶粒粗化現象不明顯，材料組織類型及組成也沒有發生明顯變化，均為粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，細晶區組織為鐵素體＋珠光體組織，未相變區組織為粒狀貝氏體和針狀鐵素體。

15、30kJ·cm－1焊接熱輸入條件下得到的試樣熱影響區微觀組織與75kJ·cm－1熱輸入條件下熱影響區顯微組織類似。由此可見，試驗所用Q420FRE鋼板組織結構穩定，焊接熱輸入條件并未對其熱影響區材料組織類型及組成產生顯著影響。

2.2 熱輸入對熱影響區Q420FRE鋼硬度的影響

圖4為不同熱輸入條件下熱影響區Q 420FRE鋼硬度隨距熔合線距離的變化曲線。由圖4可見，隨著熱輸入的增大，熱影響區寬度增加，材料平均硬度值降低。另外在試驗采用的焊接熱輸入條件下，熱影響區材料硬度HV0.5值約在150～200范圍內，與母材硬度值接近，且在低熱輸入條件下軟化現象不顯著，這與材料顯微組織結構的分析結果相吻合。

圖2 焊接接頭熱影響區Q420FRE鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

圖3 焊接接頭粗晶區Q420FRE鋼的顯微組織Fig.3 Optical microstructure of Q420FRE steel in the coarse－crystalline region of welded joint

2.3 熱輸入對熱影響區Q420FRE鋼力學性能的影響

不同熱焊接接頭的拉伸性能如表3所示。從表3中可以看出，隨著熱輸入的增大，熱影響區Q420FRE鋼的高溫、室溫抗拉強度呈下降趨勢，但均滿足表1所示的標準要求。

圖4 熱影響區Q420FRE鋼的硬度曲線Fig.4 Hardness curve of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

表3 焊接熱影響區Q420FRE鋼的力學性能Table3 Mechanical properties of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

試板焊接熱影響區材料低溫沖擊吸收能曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，在15～75kJ·cm－1的焊接熱輸入范圍內，焊接熱影響區材料低溫沖擊韌性大致隨熱輸入的增加而降低，但仍保持在240～330J的高水平。

圖5 －40℃焊接熱影響區Q420FRE鋼的沖擊韌性分布Fig.5 Impact toughness distribution of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint at the temperature of－40℃

3 討論

3.1 Nb－Ti微合金化對Q420FRE鋼高溫力學性能的影響

碳氮化物析出是耐火鋼高溫強化的主要機制。其中，Nb元素通過與碳結合，析出細小、彌散的NbC以達到析出強化的目的。NbC等強化相在沉淀時與基體保持共格，在其周圍產生很強的應力場，阻礙位錯運動，且這些強化相的熔點和硬度相對較高，與基體晶胞類型不同，因此在高溫下很穩定，既不容易溶解，又不易聚集長大。Ti元素與C、N元素的親合能力很強，易形成Ti的碳氮化物，也能起到析出強化的作用，并為Nb的碳氮化物的形成提供形核點。此外，Ti元素可有效抑制耐火鋼中奧氏體晶粒長大，尤其對高溫區奧氏體晶粒長大的抑制作用更為明顯。隨Ti含量的增加，由于發生強烈的沉淀強化，耐火鋼的強度相應提高。

由JMatPro熱力學計算軟件得試驗鋼Nb、Ti碳氮化物的析出曲線，結果如圖6所示。由圖6可見，600～700℃溫度區間內Nb－Ti碳氮化物含量最高。圖7為50kJ·cm－1條件下焊接接頭試樣中析出相形貌及EDS能圖譜。由圖7可見，試驗鋼在高溫條件下析出大量細小、均勻分布的（Nb，Ti）（C，N），這是 Q420FRE耐火鋼保持良好高溫強度的重要原因。

圖6 試驗鋼Nb－Ti碳氮化物析出與溫度關系曲線Fig.6 Relationship between the pricipitation of Nb－Ti carbonitrides and temperature

圖7 試驗鋼Nb－Ti碳氮化物析出物形貌及EDS圖譜Fig.7 TEM micrograph and EDS spectra of Nb－Ti carbonitride precipitate

3.2 低碳量設計對Q420FRE鋼的組織穩定性的影響

粒狀貝氏體的形成主要依賴兩個因素：連續冷卻和低碳含量［5］。試驗鋼采用0.04～0.06%的低含碳量設計，有效提高了貝氏體轉變溫度，有利于獲得穩定的粒狀貝氏體組織，使得熱影響區材料硬度保持相對穩定。同時，粒狀貝氏體組織中分布著一些M／A島，也可起到復相強化作用，使Q420FRE耐火鋼熱影響區組織具有較好的強韌性［6］。

3.3 Ti－Al復合脫氧與微合金化對Q420FRE鋼組織強韌性的影響

采用Ti－Al復合脫氧與微合金化可以得到微細復合夾雜物粒子，這些粒子不僅起到釘扎奧氏體晶界的作用，抑制粗晶區奧氏體晶粒長大，而且還為針狀鐵素體的形成提供形核質點，有利于熱影響區組織的細化［7］。針狀鐵素體組織由于其特殊的微觀結構而具有良好的強韌化效果［7－8］。因此，裂紋擴展必受到彼此咬合、交錯分布的細小針狀鐵素體板條束的阻礙，從而有效地提高了Q420FRE耐火鋼的組織強韌性。

4 結論

（1）在15～75kJ·cm－1的焊接熱輸入條件下對Q420FRE耐火鋼進行埋弧焊焊接，焊接熱影響區組織穩定，熔合線、粗晶區和未相變區組織為粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，細晶區組織為鐵素體＋珠光體。

（2）在較小焊接熱輸入（15～30kJ·cm－1）條件下，熱影響區材料軟化不明顯，在較大焊接熱輸入（75kJ·cm－1）條件下，熱影響區材料出現較大程度的軟化。

（3）焊接熱影響區材料表現出優異的低溫韌性，這主要是由于智能型抗震耐火鋼Q420FRE采取了低碳和Nb－Ti復合微合金化設計，使得其在較大范圍的焊接熱輸入條件下，仍能組織穩定且不易粗化。

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