高強(qiáng)高韌Q420qE橋梁鋼SHCCT曲線測試與焊接工藝制定

譙明亮，王同良，康雙雙

（1.南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇南京210035；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

前言

中國鐵路橋梁正在向高速、重載、大跨和整體焊接節(jié)點(diǎn)方向發(fā)展，這對橋梁鋼提出了更高的要求[1]。不僅要求鋼板本身的強(qiáng)韌性匹配，同時為滿足焊接制造要求，焊接接頭同樣要求具有優(yōu)良的性能，橋梁設(shè)計(jì)構(gòu)造復(fù)雜，厚度規(guī)格繁多，焊接施工難度大。能否滿足高質(zhì)量的不同形式的焊接要求，是需要研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前橋梁設(shè)計(jì)廣泛使用的是Q345~Q370qE，而高性能Q420qE目前用量較少，缺乏系統(tǒng)的研究。

SHCCT（Simulated Heat Affect Zone Continuous Cooling Transformation）曲線可以反應(yīng)鋼材經(jīng)歷熱循環(huán)后，不同冷卻速度條件下各相的轉(zhuǎn)變開始和終了溫度，可以比較準(zhǔn)確的判斷焊接熱影響區(qū)的組織、性能。并可以通過不同冷速條件下的組織、硬度變化初步評定鋼板的焊接性，并為焊接工藝的制定提供參考。本文利用Gleeble 3500對高強(qiáng)高韌Q420qE進(jìn)行SHCCT曲線測定，分析了不同冷速條件下組織、硬度變化規(guī)律，提出了適合高強(qiáng)高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼為南鋼提供的Q420qE工業(yè)試制鋼板，利用260 mm連鑄坯生產(chǎn)的18 mm厚Q420qE。試驗(yàn)鋼坯料經(jīng)鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF＋RH精煉等冶煉工藝后，S、P等雜質(zhì)元素含量水平很低，實(shí)際成分如表1所示。

表1 Q420qE鋼板的化學(xué)成分 （wt%）

1.2 試驗(yàn)方法

熱模擬試樣從Q420qE工業(yè)試制鋼板上取樣，試樣尺寸Φ6×80 mm，在Gleeble-3500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了SHCCT曲線測定[2]，具體工藝如圖1所示：試驗(yàn)鋼奧氏體化溫度為1 350℃，保溫時間3 s，加熱速度 100 ℃/s，之后分別以 1、1.5、2、3、5、10、15、25、50℃/s的冷速冷卻到200℃。通過熱膨脹儀實(shí)時采集膨脹曲線，利用切線法確定相轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)。針對不同冷速樣品，觀察金相組織形態(tài)，測試了維氏硬度。結(jié)合測試和觀察結(jié)果，繪制了試驗(yàn)鋼的SHCCT圖，分析了冷卻速度對組織形態(tài)的影響規(guī)律。通過Gleeble 3500自帶HAZ軟件包，利用Rykalin 2D模型根據(jù)冷速反推大致的焊接熱輸入，初步提出了適合高強(qiáng)高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍。之后采用該模型模擬了試驗(yàn)鋼在20、30、40、50、60 kJ/cm線能量下的熱循環(huán)工藝過程，試樣尺寸為10.5×10.5×75 mm，以驗(yàn)證根據(jù)SHCCT曲線推測的熱輸入范圍，具體工藝參數(shù)如圖2所示。

用線切割在熱電偶附近的截面取樣，磨制拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕，在Axiover-200MAT金相顯微鏡下觀察不同冷速模擬試樣的金相組織形態(tài)；之后在FM-300型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行維氏硬度測試，載荷10 kg，加載時間10s，測試時每個試樣在熱電偶所在截面打6個點(diǎn)，取平均值作為對應(yīng)冷速下的硬度值；用線切割截取熱電偶附近試樣，機(jī)械減薄至70 μm，電解雙噴后在JEM2100F型透射電鏡下觀察精細(xì)TEM組織。

為測試焊接熱循環(huán)試樣低溫沖擊韌性，將焊接熱循環(huán)試樣按GB/T 229加工成V形缺口沖擊樣品，缺口沿板厚方向開取，尖端位于熱電偶所在截面，進(jìn)行沖擊功檢驗(yàn)。

圖1 SHCCT曲線測工藝模擬示意圖

圖2 模擬焊接熱循環(huán)工藝圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)鋼的SHCCT曲線

利用切線法對不同冷速下試驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線進(jìn)行處理，相變開始和相變終了溫度如表2所示。結(jié)合金相組織和顯微硬度，試驗(yàn)鋼的SHCCT曲線如圖3所示。可以看出，在1～50℃/s的范圍內(nèi)，相變開始溫度和終了溫度隨冷速的增加而降低；在1～5℃/s冷速范圍內(nèi)，組織類型主要以粒狀貝氏體（GB）為主并含有少量的針狀鐵素體（AF）。隨著冷速的進(jìn)一步增加到10℃/s，開始出現(xiàn)板條貝氏體（LB）；當(dāng)冷速為＞15～50 ℃/s時，針狀鐵素體消失，且隨著冷速的增加，板條貝氏體含量增多、粒狀貝氏體含量減少。

表2 不同冷速下相變開始和終了溫度

圖3 Q420qE工業(yè)試制鋼板SHCCT圖

2.2 冷速對顯微組織的影響

觀察了試驗(yàn)鋼在不同冷速下的金相組織，見圖4所示。可以看出，當(dāng)冷速較低，為1℃/s時，組織類型主要以粒狀貝氏體為主，且晶粒尺寸粗大，如圖4 a）所示。當(dāng)冷速增加到5℃/s時，組織類型仍以粒狀貝氏體為主，與1℃/s試樣相比，其晶粒尺寸明顯細(xì)化；針狀鐵素體僅占少數(shù)。當(dāng)冷速為10℃/s時，開始出現(xiàn)板條貝氏體，且粒狀貝氏體晶粒尺寸進(jìn)一步減小；當(dāng)冷速增加到25℃/s時，組織類型變?yōu)橐园鍡l貝氏體為主，粒狀貝氏體的含量進(jìn)一步降低尺寸進(jìn)一步減小。

圖5為冷速為1℃/s和25℃/s時的TEM組織。可以看出，冷速較低為1℃/s時，貝氏體鐵素體基體呈大塊狀，且位錯密度較低；M-A島呈塊狀，主要分布在貝氏體鐵素體基體的三角晶界處。冷速較高為25℃/s時，貝氏體鐵素體基體呈細(xì)條狀或桿狀；M-A島呈也呈條狀分布于細(xì)長的貝氏體鐵素體基體之間。

2.3 冷速對顯微硬度的影響

利用Rykalin 2D模型根據(jù)T8/5時間反推的大致焊接熱輸入如表3所示，試驗(yàn)鋼不同冷速下硬度隨冷速的變化趨勢如圖6所示。

圖4 典型冷速下試驗(yàn)鋼金相組織

表3 不同線能量下試驗(yàn)鋼的硬度

圖5 典型冷速下試驗(yàn)鋼TEM組織

從圖6可以看出，隨著冷速的增加，硬度逐漸升高。當(dāng)冷速≤3℃/s時，組織類型主要以粗大的粒狀貝氏體為主，如圖4 a)所示，硬度值基本維持在210左右。當(dāng)冷速提高到5℃/s時，硬度迅速提高到240，此時，粒狀貝氏體組織明顯細(xì)化，如圖4 b)所示，硬度提高。當(dāng)冷速提高到10℃/s時，組織中開始出現(xiàn)板條貝氏體，且粒狀貝氏體晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，如圖4 c)所示，硬度進(jìn)一步提高；隨著冷速提高到50℃/s，板條貝氏體含量增加、尺寸細(xì)化，硬度基本呈線性增加趨勢。通常來說，晶粒尺寸粗大的粒狀貝氏體低溫沖擊韌性很差，焊接熱影響區(qū)應(yīng)盡量避免這類組織類型[3-5]；板條貝氏體由于存在Block結(jié)構(gòu)，可以有效的細(xì)化原始奧氏體晶粒，同時Block界通常為大角度晶界，可以有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高低溫沖擊韌性[6-8]。

圖6 試驗(yàn)鋼顯微硬度與冷速的關(guān)系

2.4 典型線能量對焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)韌性的影響

試驗(yàn)鋼不同焊接線能量下的模擬焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)（CGHAZ）的維氏硬度和-40℃沖擊功如表4所示。可以看出試驗(yàn)鋼模擬CGHAZ的-40℃沖擊功隨線能量的增加而降低。當(dāng)線能量為20 kJ/cm時，沖擊功較高，為188 J；當(dāng)線能量為40 kJ/cm時，沖擊功為49 J，滿足鐵路鋼橋制造規(guī)范-40℃低溫沖擊功不低于47 J的要求，并且，實(shí)際焊接通常為多層多道焊接，通過適當(dāng)調(diào)整焊絲角度，可以使前一道焊縫的粗晶區(qū)進(jìn)入后道焊縫的正火區(qū)范圍內(nèi)，細(xì)化粗晶區(qū)組織，進(jìn)一步提高焊接接頭熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性；當(dāng)線能量進(jìn)一步增加到60 kJ/cm時，-40℃沖擊功降低至9 J。通過模擬不同熱輸入試驗(yàn)硬度與SHCCT測試試驗(yàn)硬度對比可知，HV10≥225時，模擬粗晶區(qū)低溫沖擊韌性滿足使用要求，SHCCT對應(yīng)的大致冷速為3℃/s，熱輸入大致為45 kJ/cm，因此，可以初步判斷適合高強(qiáng)高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍是45 kJ/cm以下。

3 結(jié)論

1）高強(qiáng)高韌Q420qE鋼SHCCT冷速為1~10℃/s時，組織類型主要以粒狀貝氏體為主，當(dāng)冷速超過10℃/s時，開始出現(xiàn)板條貝氏體。

2）隨冷速的增加，相變開始和終了溫度降低，貝氏體鐵素體基體晶粒尺寸細(xì)化，由塊狀逐漸變?yōu)闂l狀，維氏硬度隨冷速的增加而增加。

表4 試驗(yàn)鋼模擬CGHAZ沖擊性能測試結(jié)果

3）初步推斷高強(qiáng)高韌Q420qE鋼適合焊接的熱輸入范圍是45 kJ/cm以下。

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