新型Q-P-T工藝對Q690鋼組織與性能影響的研究

孫 林，李洪鵬，王克偉，蘇 震，徐新樂，孫 波，董達善，賈曉帥，潘 慶

(1.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089；2.上海海事大學，上海 201306；3.上海交通大學，上海 200240；4.江西耐普礦機新材料股份有限公司，江西 上饒 334000)

屈服強度為690 MPa的高強鋼，因其性能優異和經濟效益顯著，已廣泛應用于能源、交通、建筑和工程機械等行業。Q690鋼板作為微合金高強度鋼比傳統碳錳鋼具有更優越的強度和韌性[1]。目前，TMPC技術已經廣泛應用于低合金高強鋼的生產過程[2]，而對于高強鋼，仍采用傳統的調質熱處理(淬火-高溫回火)生產工藝，通過調質處理改善高強度中厚鋼板的組織和力學性能[3]。采用調質處理的高強鋼，因其良好的性能在世界各國高強鋼的生產中占據很大份額。

淬火是使鋼強化并獲得某些特殊使用性能的主要方法，其目的是使奧氏體化后的工件獲得盡可能多的馬氏體，然后配以不同溫度回火，從而獲得各種需要的性能[4]。Speer等[5]提出的淬火-碳分配(Q-P)工藝，使淬火鋼中含有馬氏體基體以提高強度，保留一定量的殘余奧氏體保證一定的塑性和韌性。賈曉帥等[6]研究表明，經Q-P-T處理后的Q235鋼強度得到了大幅度的提升。徐祖耀[7]研究表明，對高強剛采用“淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝”，可進一步提高高強鋼的性能。高有進等[8]研究發現，對屈服強度為900 MPa的高強鋼板進行焊接時，SHT900D鋼有較強的淬硬傾向，焊接過程中應采取必要的措施來防止焊接冷裂紋的產生。馮偉等[9]對一種980 MPa級低碳貝氏體高強鋼焊接接頭熱影響區(HAZ)的各個區域的性能進行研究發現，該鋼種隨著峰值溫度的升高，韌度提高，細晶區成為最薄弱環節，通過相應的力學性能試驗、斷口分析和TEM透射電鏡確定了產生這一現象的微觀機理。蔣慶磊等[10]對Q550高強鋼焊接接頭在不預熱條件下，選擇不同的合金焊絲，采用熔化極氣體保護焊(GMAW)焊接Q550高強鋼，研究焊縫微觀組織和焊接接頭的力學性能，分析沖擊試樣斷口形貌。

本文焊接性能是評價鋼材使用性能的主要標志之一，怎樣獲得優良焊接接頭成為發展690 MPa高強鋼的關鍵。研究Q-P-T熱處理工藝對Q690鋼焊接接頭組織和力學性能的影響，以及不同的回火溫度對QPT690鋼焊接接頭的影響。

1 試驗材料及方法

Q690鋼化學成分見表1。

表1 Q690鋼的化學成分(質量分數) (%)

試驗采用手工焊接，焊條型號為GEL-118M，尺寸為φ3.2 mm×350 mm，電流適用范圍為90～130 A，焊接電壓為25 V，焊接速度約為21 cm/min。其化學成分見表2。

表2焊條的化學成分(質量分數)(%)

CMnSiCrNiMoPSV0.0821.690.350.132.290.380.0100.0080.01

采用線切割方法對焊接試板進行加工，制備拉伸和沖擊等試樣。按照GB/T 2649—1989《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》和GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，選取拉伸試樣加工成標稱寬度為81 mm的標準試樣，在Zwick/Roell標準拉伸實驗機上進行，試驗標距為20 mm，拉伸應變速率為0.5 mm/min。沖擊試驗按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準加工成10 mm×10 mm×55 mm，并開2 mm深V型缺口的標準試樣，在PTM2200-D1型沖擊實驗機上進行。按照GBT 2654—2008來確定焊接接頭硬度試驗各測量點的位置，并利用洛氏硬度儀(型號為500RA)進行硬度(HRC)測量。

對熱處理后的試樣進行研磨、拋光和腐蝕。腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液。采用LEICA DM6000M多功能金相顯微鏡和電鏡掃描對試樣顯微組織進行觀察。

斷口掃描試驗樣品制作過程如下：首先應保持沖擊和拉伸后的試樣斷面的整潔，用AbrasiMet250型砂輪切片制成長度為10 mm的試樣；然后將制好的試樣用酒精或者丙酮清洗，再用熱風吹干；最后密封保存，防止斷口被氧化或者生銹。斷口掃描分析所用的試驗設備為FEI SIRION200型場發射掃描電鏡。

2 試驗結果分析

2.1 不同工藝對焊接接頭的影響

2.2.1 不同工藝對焊接接頭力學性能的影響

不同工藝對應的焊接接頭的應力-應變曲線如圖1所示。焊接接頭力學性能見表3。

圖1 QPT690和Q690焊接接頭的應力-應變曲線

試樣Rp0.2/MPaRm/MPaA/%強塑積/MPa%Q690焊接接頭480.36641.865.663 632.92QPT690焊接接頭536.60675.606.374 303.57

從試驗得出，QPT690焊接接頭有近700 MPa的抗拉強度和6.37%的延展率。相比母材的接頭而言，其延伸率變化不明顯，但焊接接頭的抗拉強度有了明顯提高。

從表3的數據可知，QPT690焊接接頭屈服強度、抗拉強度都得到提高，強塑積的值比Q690板的大，性能更優。

對本試驗Q690板而言，GEL-118M型焊條強度高于Q690板本身，受焊接熱源的影響，焊接接頭硬度隨焊縫中心距離的增大而降低(見圖2)。從硬度曲線也同樣可以發現，距焊縫中心10 mm左右的熱影響區，其硬度最低。因為焊接對試件熔化處理，故其焊縫及熱影響區的硬度相似，QPT處理并不能明顯影響焊縫硬度。

圖2 硬度分布曲線

2.1.2 不同工藝對焊接接頭微觀組織的影響

焊接工藝參數和焊材影響著焊縫金屬合金元素，進而影響不同顯微組織的形成。而焊接接頭的顯微組織決定了焊接接頭的力學性能，如奧氏體晶粒的大小、馬氏體含量等，所以，不同的焊接材料和不同的熱輸入會帶來較大差異的力學性能。

在不同倍數的光學顯微鏡下QPT690焊接接頭的顯微組織如圖3所示。由圖3可看出其微觀組織的組成與大致分布。

圖3 不同倍數下Q690和QPT690焊接接頭的顯微結構

比較Q690和QPT690的顯微組織結構發現，兩者焊縫區因重熔顯微組織并沒有太大差異。而熔合區及熱影響區，對于經Q-P-T熱處理工藝加工的焊接接頭，存在大量馬氏體和殘余奧氏體，其組織晶粒更加細化，會使得性能優于母材。

2.1.3 斷口分析

觀察Q690和QPT690的焊接接頭拉伸斷口，從宏觀上相比可以發現，Q690的斷口存在韌窩和撕裂棱等韌性斷口特征，同時也存在大量平整刻面等脆性斷口特征，可判斷為準解理斷口，而QPT690的斷口撕裂棱更為明顯，QPT690相對有更明顯的塑性變形，其斷面取向與最大切應力的方向是相同的，初步判定是韌性斷裂。

通過掃描電鏡下觀察焊接接頭斷口微觀形貌(見圖4)可以發現，Q690焊接試樣韌窩形狀呈拋物線形，斷口內存在河流花樣(如圖4中Q690鋼焊接接頭所示)，可以確定其為準解理斷裂，其斷裂位置發生在熱影響區晶粒粗化部位；而QPT690鋼顯微空洞周邊均勻增長，斷裂之后形成近似圓形的等軸韌窩，韌窩直徑大且深(如圖4中QPT690鋼焊接接頭所示)。通過兩者斷口韌窩的比較可以發現，較之Q690而言，QPT690焊接接頭強度高，熱影響區晶粒存在晶粒細化現象。

圖4 不同倍數下Q690和QPT690焊接接頭拉伸斷口的形貌

2.2 不同回火溫度對QPT690焊接接頭的影響

碳鋼在回火時，其強度和硬度會有所降低，但是其塑性、韌性和均勻性會有所提高。一般來說，隨著回火溫度的升高，可有效地消除淬火帶來的內應力，降低金屬材料的強度和硬度，并且使材料的塑性及韌性有所提高。但是應注意會發生回火脆性現象，在某個溫度段內，淬火鋼的回火溫度上升其沖擊韌性反而降低。

本文設定了3種不同的回火溫度(300、350和400 ℃)，通過測試QPT690焊接接頭性能與微觀組織觀察來測定其影響。

2.2.1 不同回火溫度對QPT690焊接接頭力學性能的影響

3種回火溫度下拉伸試樣的應力-應變曲線如圖5所示，具體數值見表4。

圖5 3種回火溫度下拉伸試樣的應力-應變曲線

回火溫度/℃Rp0.2/MPaRm/MPaA/%300362. 0542413.044 114.438 61350390.891452.834 112.146 31400402.857 8459.540 111.183 56

沖擊試樣V型坡口距焊縫27 mm，不同回火溫度下的沖擊韌性見表5。

表5 不同回火溫度下的沖擊韌性

3種回火溫度焊接接頭硬度變化曲線如圖6所示。

由表5的韌性數據和圖6的強度數據可以看出，隨回火溫度的提高，韌性指標改變并不顯著，但強度和硬度有所提高，焊接接頭的綜合力學性能得以改善。

圖6 不同回火溫度焊接接頭硬度比較

2.2.2 不同回火溫度對QPT690焊接接頭微觀組織的影響

光學顯微鏡500×和1 000×下不同回火溫度的顯微組織如圖7所示。由圖7可知，隨著溫度升高，回火強化使得晶粒細化，性能提高。因回火馬氏體的存在，使其具有高硬度和耐磨性，但塑性下降。

圖7 不同回火溫度下QPT690焊接接頭顯微結構

2.2.3 斷口分析

不同回火溫度的斷口顯微結構如圖8所示。由圖8可知，回火溫度越高，韌窩多且直徑大而深，其塑性越差，強度越好；反之，溫度越低，其塑形越高，而強度降低。

圖8 不同回火溫度下斷口顯微形貌

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1) Q690高強鋼經Q-P-T處理后，奧氏體碳含量進一步增加，使奧氏體穩定性得到提高，并獲得大量板條馬氏體，組織的變化使得經Q-P-T工藝處理后的Q690鋼的綜合力學性能遠高于傳統工藝和母材。

2) 采用相同焊接工藝分別對QPT690和初始Q690鋼板進行無預熱焊接，通過比較板材焊接接頭的力學性能發現，QPT690焊接接頭的性能優于Q690：QPT690焊接接頭的屈服強度為536.6 MPa，抗拉強度為675 MPa，而Q690焊接接頭的屈服強度為480 MPa，抗拉強度為641 MPa。

3)比較不同回火溫度對Q690焊接接頭力學性能及微觀組織的影響，結果顯示：由于焊接熱源的影響，熱影響區金屬性能有所降低，低溫回火降低淬火內應力和脆性，保持高硬度和耐磨性；隨著溫度的上升，屈服強度、抗拉強度都有所上升，但塑性略有下降；沖擊韌性從300 ℃到400 ℃先下降后上升，因為碳化物的析出和雜質的偏聚，在350 ℃有明顯的回火脆性表現；中溫回火可獲得高的屈服極限、彈性極限和韌性配比；不同溫度熱影響區的硬度值變化是隨溫度越高，其下降越快，且隨著回火溫度升高，屈服強度和抗拉強度都會提高。