智能型耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能研究

李　麗，吳年春，費　亮，覃展鵬，王紅鴻，吳開明

（1.南京鋼鐵股份有限公司研究院，江蘇南京210035；2.武漢科技大學理學院，湖北武漢430081）

智能型耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能研究

李麗1，吳年春1，費亮2，覃展鵬2，王紅鴻2，吳開明2

（1.南京鋼鐵股份有限公司研究院，江蘇南京210035；2.武漢科技大學理學院，湖北武漢430081）

采用熱模擬的方法模擬智能型抗震耐火鋼Q420FRE的焊接熱影響區(qū)，并進行600℃的高溫拉伸實驗。在經受高溫拉伸的過程中，單道次的高溫拉伸強度在粗晶區(qū)最高，逐漸向細晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)降低，到未相變區(qū)又升高。雙道次焊接熱影響區(qū)也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。隨著焊接熱輸入的提高，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的高溫拉伸強度降低。在焊接熱循環(huán)作用下，碳氮化物（Nb，Ti）（C，N）的溶解、長大和粗化引起了焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域高溫拉伸強度的差異。

耐火鋼；微合金化；焊接熱影響區(qū)；高溫拉伸

0　前言

隨著高層建筑業(yè)的迅速發(fā)展，基于安全性、經濟性、造型美觀、空間利用等方面的要求，耐火鋼以其高強、輕量、耐火、抗震、相對于防火涂層無污染等優(yōu)勢成為世界各國大型建筑結構的首選材料[1-3]。目前，電弧焊方法仍是耐火鋼連接、建造大型建筑結構的主要連接工藝。建筑結構在使用過程中，不可避免地承受地震、火災等災害來臨時的沖擊、高溫拉伸、扭曲等作用。耐火結構鋼本身的優(yōu)良性能為建筑結構件的安全使用提供了基本保證[4-6]，然而，焊接熱影響區(qū)，因經受焊接熱循環(huán)后，組織和性能發(fā)生了劇烈變化，尤其是高溫性能成為整個大型建筑結構安全性和完整性的焦點之一。另外，在建造建筑結構的過程中，焊接熱影響區(qū)的形成受到諸多因素的影響[7-8]，如焊接方法、焊接工藝、施工環(huán)境以及人工操作等，因此，有必要對焊接熱影響區(qū)的高溫性能進行深入研究，以進一步推動耐火鋼的安全使用。

本研究采用熱模擬的方法，模擬焊接熱影響區(qū)（單道次和雙道次）以及不同焊接熱輸入下的焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸性能，以獲得耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能的基本規(guī)律，為耐火鋼的推廣使用積累基礎實驗數(shù)據(jù)。

1　試驗

1.1試驗材料

試驗材料為南鋼研制的智能型抗震耐火鋼Q420FRE，其化學成分見表1。該鋼的設計思路是采用微合金化原理+智能化設計，通過細晶強化和固溶強化，控制M-A組元及貝氏體鐵素體雙相組織，保證室溫性能；在發(fā)生火災時，激發(fā)第二相析出，提供和保證高溫強度。

表1　母材的化學成分Tab.1Chemical composition of the parent metal％

1.2試驗方法

在Gleeble3800熱模擬機上進行焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)模擬試驗及高溫拉伸試驗。分別模擬一次焊接熱循環(huán)（單道次）、二次焊接熱循環(huán)作用下（雙道次）的焊接熱影響區(qū)，以及不同焊接熱輸入下的焊接熱影響區(qū)。具體模擬工藝見表2。單道次模擬的焊接熱影響區(qū)有粗晶區(qū)、細晶區(qū)、不完全結晶區(qū)及未相變區(qū)域，雙道次模擬的焊接熱影響區(qū)是：第一次熱循環(huán)為熔合區(qū)，第二次熱循環(huán)分別為粗晶區(qū)、細晶區(qū)、不完全結晶區(qū)和未相變區(qū)域。

對模擬的焊接熱影響區(qū)進行600℃高溫拉伸試驗，試驗工藝見表2，以60℃/min加熱到600℃，保溫15min，在形變達到0.1％以前，以10mm/min的速度拉伸，之后以1 mm/min拉伸直到斷裂。

表2　模擬焊接熱影響區(qū)及高溫拉伸試驗工藝Tab.2Simulating the welding heat-affected zone and high temperature tensile test process

在焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域取樣，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。

2　試驗結果和討論

2.1經受不同熱循環(huán)作用下的焊接熱影響區(qū)的高溫強度

2.1.1單道次焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

模擬焊接熱影響區(qū)的不同區(qū)域：峰值溫度1300℃為粗晶區(qū)，1 150℃為細晶區(qū)，870℃為不完全重結晶區(qū)，650℃為未相變區(qū)，焊接熱循環(huán)曲線如圖1所示。不同區(qū)域的高溫拉伸曲線如圖2所示。可以看出，高溫拉伸強度在粗晶區(qū)為544 MPa，向細晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)逐漸降低，分別為446 MPa、337 MPa，到未相變區(qū)又升高到427MPa。只有在粗晶區(qū)存在明顯的屈服平臺，上屈服值為200 MPa，其他三個區(qū)沒有屈服平臺。

圖1　單道次不同峰值溫度的焊接熱循環(huán)曲線Fig.1Welding thermal cycle curves with different peak temperature

圖2　單道次焊接熱影響區(qū)的600℃拉伸曲線（Tp為峰值溫度）Fig.2Tensile curve at 600℃for heat affected zone by single thermal cycling（Tp:Peak temperature)

2.1.2兩道次焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

經過兩道次的焊接熱影響區(qū)，其焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示，分別是模擬粗晶區(qū)再經過1 350℃、1 150℃、870℃和650℃的峰值溫度熱循環(huán)作用。

圖3　雙道次焊接熱循環(huán)曲線Fig.3Thermal cycle curve of double passes

粗晶區(qū)在經過一次1350℃熱循環(huán)后，屈服平臺仍很明顯，但屈服強度值從200 MPa下降到138MPa，拉伸強度卻從544MPa上升到634MPa。經過1150℃的熱循環(huán)后，屈服平臺消失，到870℃和650℃后，屈服平臺出現(xiàn)，且屈服應變量逐漸增大，其上屈服強度分別為173MPa和192MPa。抗拉強度也從第二次峰值溫度為1350℃的638MPa，逐漸下降到502MPa和404 MPa，到第二次峰值溫度為650℃時，又上升到552 MPa。焊接熱影響區(qū)600℃高溫拉伸曲線如圖4所示。

圖4　兩道次焊接熱影響區(qū)600℃高溫拉伸曲線Fig.4Tensile curve at 600℃for heat affected zone by double welding thermal cycling

2.1.3不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

通過對不同焊接熱輸入下模擬粗晶區(qū)的高溫拉伸試驗，結果表明：53 kJ/cm和100 kJ/cm熱輸入，粗晶區(qū)在高溫拉伸時，有明顯的屈服平臺，上屈服值分別為200MPa和175MPa。在80kJ/cm熱輸入時，屈服平臺不明顯。抗拉強度隨著熱輸入的增加，其值從544 MPa下降到519 MPa和493 MPa。不同焊接熱輸入的熱循環(huán)曲線和焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸曲線如圖5、圖6所示。

圖5　不同焊接熱輸入的熱循環(huán)曲線Fig.5Thermalcyclecurvesofdifferentweldingheatinputs

2.2經受不同熱循環(huán)作用下的焊接熱影響區(qū)的碳化物演變及對高溫拉伸強度的作用

Q420FRE耐火鋼的生產工藝路徑為熱軋＋快速冷卻，抑制微合金納米第二相在熱軋板冷卻過程中析出，即母材中碳化物極少，當遇到600℃～700℃火災時，通過激發(fā)微合金納米第二相MC來提高和保證高溫強度[9]。但是在焊接熱影響區(qū)，由于受到不同峰值溫度的熱循環(huán)或不同次數(shù)的熱循環(huán)作用，碳化物發(fā)生了變化。通過TEM分析，如圖7所示，在峰值溫度為1 350℃時，碳氮化物數(shù)量少，主要為160～400 nm的不規(guī)則氧化物及硫化物復合相（見圖7a）；隨著峰值溫度從1 150℃降低到650℃，析出物數(shù)量增加，形貌為矩形或不規(guī)則形，尺寸減小，平均直徑從40～160nm降低到15～70 nm，有少量70～160 nm的析出相存在，析出物為面心的（Nb，Ti）C，和（Nb，Ti）（C，N）（見圖7b、7c）。

根據(jù)該鋼的設計理念，當發(fā)生火災時，析出相極少的熔合線和粗晶區(qū)將有大量納米級碳化物析出，起到高溫強化作用，達到554 MPa的抗拉強度；而已有碳化物析出的細晶區(qū)和不完全相變區(qū)，將發(fā)生析出相粗化和數(shù)量減少，根據(jù)Ashby-Orowan機制[10]，在基體中彌散析出的第二相將產生析出強化，強化增量可表示為

圖6　不同焊接熱循環(huán)下焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸曲線Fig.6High temperature of welding heat affected zone under different welding thermal cycle tensile curve

式中fv為第二相相體積分數(shù)；d為平均直徑。

可以看出，隨著碳化物體積分數(shù)的減少，以及平均直徑的增加，強化增量呈減小趨勢。因此，相對于熔合線和粗晶區(qū)，細晶區(qū)和不完全相變區(qū)的高溫抗拉強度會有所降低。

同理，經過兩次熱循環(huán)作用的熱影響區(qū)，在第一次峰值溫度為1 350℃的條件下，極少有碳化物析出，只有在經過第二次熱循環(huán)作用時，碳化物發(fā)生了變化，變化規(guī)律與以上討論的經過一次熱循環(huán)相同，因而呈現(xiàn)相同的高溫拉伸強度。

采用較大熱輸入焊接時，由于隨后的冷卻速度增大，有部分碳化物析出，在之后的火災過程中，已析出的碳化物發(fā)生粗化和數(shù)量減少，因而較大熱輸入下的熔合線和粗晶區(qū)的高溫拉伸強度略有降低。

金屬內部存在的大量位錯線，在刃型位錯線附近經常會吸附大量的異類溶質原子，如間隙原子C、N以及碳氮化物等，圍繞位錯而形成的溶質原子聚集物稱為“柯氏氣團”[11]。柯氏氣團會影響位錯在外力作用下的移動，變形抗力增加，這是有些金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的原因。從以上碳化物演變分析結果可知：焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的碳化物數(shù)量極少，在著火的條件下，MC碳化物析出尺寸小，相對于其他區(qū)域更易于圍繞位錯形成“柯氏氣團”，表現(xiàn)出明顯的屈服平臺。

3　結論

（1）模擬焊接熱影響區(qū)中，熔合線和粗晶區(qū)的高溫拉伸強度最大，細晶區(qū)次之，不完全重結晶區(qū)最小，未相變區(qū)的拉伸強度升高。模擬粗晶區(qū)再次經過一次熱循環(huán)的熱影響區(qū)中，高溫拉伸強度的變化與一次熱循環(huán)熱影響區(qū)的規(guī)律大致相同。隨著焊接熱輸入的增加，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的高溫拉伸強度降低。

（2）熔合線和粗晶區(qū)幾乎沒有微合金碳化物析出，隨著向細晶區(qū)、不完全重結晶構變化，碳化物析出數(shù)量增加，尺寸增大。在模擬著火情況下，熔合線和粗晶區(qū)發(fā)生碳化物析出，其他區(qū)域發(fā)生碳化物粗化和數(shù)量減少。碳化物的演變導致了焊接熱影響區(qū)高溫強度的變化。

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Study on high temperature tensile strength of heat-affected zone in welding of intelligent fire-resistant steel

LI Li1，WU Nianchun1，F(xiàn)EI Liang2，QIN Zhanpeng2，WANG Honghong2，WU Kaiming2
（1.Research Institute，Nanjing Iron&Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China；2.Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The welding heat affected zone(HAZ)of intelligent fire-resistant steel is simulated by Gleeble 3800 thermal simulator，and the high temperature tensile strength test is made at 600℃.During the high temperature tensile process，the highest tensile strength occurs in the coarse grained region by single thermal cycling，and then the tensile strength gradually decreases from fine grained region to recrystallized zone，but increases in untransformed zone.The welding HAZ shows same law of tensile strength at high temperature by double thermal cycling.As the welding heat input increases，the tensile strength at high temperature in coarse grained HAZ decreases. Because of the influence of welding thermal cycling，the dissolution，growth and coarsening of carbonitride（Nb，Ti）（C，N）cause the difference between tensile strengths in different regions of HAZ at high temperature.

fire-resistant steel；microalloying；welding heat affected zone；tensile strength at high temperature

圖7　焊接熱影響區(qū)碳化物形貌及結構分析Fig.7Carbide morphology and structure by TEM

TG457.11

A

1001－2303（2015）11－0067-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.14

2015-03-11；

2015-04-12

李麗（1971—），女，寧夏人，高級工程師，學士，主要從事焊接工藝及焊接材料的研究工作。