焊接熱輸入對超低碳貝氏體鋼熱影響區CGHAZ組織性能影響

徐春華 謝淑賢 王海瑞

摘要：為探索不同焊接熱輸入對超低碳貝氏體鋼焊接接頭熱影響區（CGHAZ）粗晶區顯微組織和沖擊性能的影響，采用Gleeble 3500熱模擬試驗機模擬不同熱輸入，研究熱輸入對Q420qEN鋼接頭熱影響區粗晶區的顯微組織和沖擊韌性的影響，并采用掃描電鏡、示波沖擊和透射電鏡等技術對鋼熱影響區粗晶區進行了表征。結果表明，隨著焊接熱輸入的變化，熱影響區粗晶區的顯微組織變化明顯，板條貝氏體和粒狀貝氏體的含量發生相應變化;同時，隨著焊接熱輸入由18 kJ/cm增加到30 kJ/cm，接頭熱影響區粗晶區在-20 ℃下的沖擊韌性先增加后減小。

關鍵詞：超低碳貝氏體鋼;熱模擬;熱影響區;顯微組織;沖擊性能

0? ? 前言

超低碳貝氏體鋼具有高強度、良好的沖擊韌性和焊接性[1]，能夠滿足較惡劣環境下焊接性的要求等特點，目前被國際上譽為21世紀環保綠色鋼種，是21世紀最有前景的鋼種之一。它廣泛地應用于油氣管線、重型機械、鐵路運輸等方面。由于我國經濟發展不均衡，資源分布不平均的特殊的人文和地理因素，使得鐵路運輸的優勢非常突出。但是鐵路的運營條件較為惡劣，像運輸物資的鐵路貨車需要常年在較為惡劣的環境下運行，要求鐵路貨車車輛鋼結構具有良好的承載力和耐腐蝕性能，要求鋼軌材料具有較高的綜合性能，其中高性能、低成本的超低碳貝氏體鋼在鐵路運輸行業得到了廣泛的應用和推廣[2]。

20世紀60年代人們開始研究超低碳貝氏體鋼，80年代后得到應用和發展，先是應用于高壓管線，然后逐步應用于大型機械構件、船舶和海洋設施等。21世紀以后，美國和日本等國家對超低碳貝氏體鋼的研究更為重視，研發出抗拉強度達590 MPa的橋梁和建筑用的特厚超低碳貝氏體鋼[3]，加拿大研制了一種鐵路轍叉心軌用超低碳貝氏體鋼。目前，我國對高強度超低碳貝氏體鋼的研究已經進入成熟階段，其中400～700 MPa級鋼已經能夠批量生產，并應用于大型結構設施。這類鋼含碳量極低，以低碳貝氏體為基體，高強度韌性的合金鋼[4-5]通過固溶強化、細晶強化、位錯及組織強化等方式強化，具有良好的焊接工藝性和抗氫致裂紋的能力[6-7]，在保證良好韌性的同時又能保證較高的強度，能夠滿足惡劣條件下鋼材的焊接性，焊前無需預熱，無需熱處理[8]。目前是能與傳統的鐵素體鋼、珠光體鋼、馬氏體淬火回火鋼并列的一類新鋼種。

文中研究的高強度超低碳貝氏體鋼Q420qEN為工程機械焊接用鋼，目前在成分設計、加工工藝、組織控制和強韌性能方面取得一定的突破，但是對其焊接性方面的研究相對較少，而焊接熱輸入對接頭組織性能影響的研究極為重要。文中采用Gleeble3500熱模擬試驗機，通過模擬不同熱輸入對焊接熱影響區粗晶區（CGHAZ）的顯微組織和沖擊韌性的影響，為鋼材Q420qEN的焊接工藝參數選擇提供試驗依據。

1 試驗材料及工藝

研究選用的超低碳貝氏體鋼為420 MPa耐候鋼，鋼板牌號Q420qEN，通過50 kg真空爐熱軋成厚度為15 mm的鋼板，其化學成分如表1所示。

在試驗鋼板上截取尺寸為80 mm×10.5 mm×10.5 mm的鋼錠作為焊接熱模擬試樣，在Gleeble-3500熱模擬試驗機上模擬實際焊接熱影響區粗晶區的加熱和冷卻過程，試驗工藝參數如表2所示，其中焊接熱輸入覆蓋板材埋弧焊（SAW）和熔化極氣體保護焊（FCAW）的工藝參數范圍[9]。

在熱模擬試驗后的鋼錠上截取金相試樣，經機械研磨、拋光后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用場發射電子顯微鏡（SEM）進行組織分析和斷口形貌觀察，采用透射電鏡（TEM）觀察顯微組織的內部結構。熱模擬試驗后的試樣沿軋制方向截取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣，缺口方向為鋼板厚度方向，在試驗溫度為-20 ℃的條件下進行示波沖擊試驗，得到不同焊接熱輸入下的示波曲線。

2 結果與討論

2.1 顯微組織分析

熱影響區粗晶區（CGHAZ）的主要組織為板條貝氏體、鐵素體和粒狀貝氏體。板條貝氏體在顯微鏡下觀察呈條狀或針葉狀，其組織均由平行的貝氏體片層組成，具有高強度、硬度、韌性和耐磨性等良好的綜合力學性能;粒狀貝氏體是在鐵素體基體中分布有島狀物，島狀組織由馬氏體和殘余奧氏體組成，又稱為M-A島[10-11]。粒狀貝氏體中的M-A島排列無序，長條狀、尖角狀的M-A島易引起應力集中，萌生裂紋，在實際生產焊接過程中必須控制其含量。

三組焊接熱輸入下CGHAZ的顯微組織如圖1所示。由圖1a可知，當熱輸入為18 kJ/cm時，焊接接頭CGHAZ的組織主要為板條貝氏體和粒狀貝氏體，粒狀貝氏體和板條貝氏體呈相間分布;由圖1b可知，當熱輸入達到24 kJ/cm時，CGHAZ中的貝氏體呈板條狀規則分布;當熱輸入增加到30 kJ/cm，如圖1c所示，此時CGHAZ組織主要為粒狀貝氏體，顯微組織有明顯的粗化趨勢。

不同焊接熱輸入下接頭的TEM微觀組織形貌如圖2所示，接頭組織由粒狀貝氏體鐵素體、板條貝氏體鐵素體以及M-A組元構成。由圖2a、2b可知，隨著熱輸入的增大，組織更加均勻細化，板條貝氏體以一定的取向平行排列，與SEM組織分析相一致。但當熱輸入由24 kJ/cm增加到30 kJ/cm時（見圖2c），CGHAZ中的粒狀貝氏體鐵素體占主導地位，同時M-A的尺寸和數量均顯著增加，晶粒尺寸明顯粗化。

2.2 示波沖擊分析

為了進一步研究不同熱輸入對CGHAZ沖擊韌性的影響，又進行了示波沖擊試驗，它能清晰地反映試樣沖擊破斷過程中各階段的能量變化、破斷特征及裂紋擴展速率與斷口形貌等。不同熱輸入下試驗鋼CGHAZ的示波曲線如圖3所示，從裂紋萌生開始，經歷了載荷最大的位置和裂紋失穩擴展的過程。 沖擊韌性試驗結果如表3所示，Wi為裂紋形成能量，裂紋失穩擴展點之后為裂紋擴展功Wp，它對應于裂紋放射擴展區、纖維擴展區和撕裂唇，Wt為總沖擊功，可表示為：Wt=Wi +Wp。由表3可知，當熱輸入為24 kJ/cm時，CGHAZ的總沖擊功最高，為213 J;裂紋形成能量熱輸入為30 kJ/cm時，總破斷功最低，因此熱輸入為24 kJ/cm時，試驗鋼的沖擊韌性最好，18 kJ/cm時次之，30 kJ/cm時沖擊韌性最差。裂紋形成能量Wi和裂紋擴展能量Wp同樣能夠反映出材料的抗裂紋萌生和擴展的能力。由表3可知，三組不同熱輸入下裂紋形成能量相差甚少，但是裂紋擴展能量差異較大，熱輸入為24 kJ/cm時，裂紋擴展能量最大158 J，熱輸入為18 kJ/cm約為熱輸入為24 kJ/cm時的62%，熱輸入為30 kJ/cm時約為熱輸入24 kJ/cm時的30%。因此熱輸入為24 kJ/cm時，試件的抗裂紋擴展能力最強。沖擊試樣被沖斷時，沖擊功越大，剪切斷面率和側膨脹值越大。由表3可知，當熱輸入為24 kJ/cm時力學性能最好，為韌性斷裂;當熱輸入增加至30 kJ/cm時，試件的力學性能最差，為脆性斷裂。

2.3 斷口分析

上述各試樣的沖擊斷口形貌如圖4所示。當熱輸入為18 kJ/cm時（見圖4a），CGHAZ為韌性斷裂和脆性斷裂共存的準解理斷裂形式，剪切斷面率達40%。由圖4b可知，當熱輸入為24 kJ/cm時，為韌性斷裂形式，剪切斷面率達85%，此時斷口表面仍存在大量的韌窩，同時存在較小的河流花樣的解理平臺，以及大量帶有細小韌窩的韌性撕裂帶。解理面交界處的韌性撕裂帶在裂紋擴展和止裂過程中有助于耗散能量[12]，韌性斷裂帶的存在有助于獲得較高的沖擊韌為韌性斷裂和脆性斷裂共存的準解理斷裂的形式性[13]。而當熱輸入達到30 kJ/cm時（見圖4c），斷口中解理面的尺寸明顯增大，撕裂帶較少，其剪切斷面率已經降低至24%，呈現出明顯的脆性斷裂的形式。對比可知，當熱輸入為24 kJ/cm時CGHAZ的塑性韌性最好，18 kJ/cm時次之，30 kJ/cm時韌性最差，發生脆性斷裂。

3 結論

（1）當熱輸入為18 kJ/cm時，焊接接頭CGHAZ的組織主要為板條貝氏體和粒狀貝氏體，兩種結構相間分布;當熱輸入為24 kJ/cm時，焊接接頭CGHAZ的組織主要為板條貝氏體，貝氏體板條以一定的取向平行排列;當熱輸入為30 kJ/cm時，CGHAZ晶粒有明顯的長大現象，粒狀貝氏體增加，板條馬氏體減少。當熱輸入不斷增加時，組織晶粒也不斷長大。

（2）隨著熱輸入的增大，組織晶粒發生變化進而引起試板力學性能的變化。當熱輸入為18 kJ/cm時，CGHAZ斷裂方式為脆性斷裂和韌性斷裂共存的方式斷裂;當熱輸入為24 kJ/cm時，CGHAZ斷口存在大量的韌窩，發生韌性斷裂;當熱輸入為30 kJ/cm時，CGHAZ為脆性斷裂。

（3）當焊接結構選用鋼材Q420qEN時，應通過調整焊接速度、焊接電壓、焊接電流等因素將熱輸入控制在24 kJ/cm左右，以保證焊接結構獲得良好的綜合力學性能。

參考文獻：

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