Q690D低合金高強鋼模擬焊接熱影響區的組織和性能

朱梓坤， 韓陽， 張舟， 張義， 周龍早

( 1. 華中科技大學，武漢 430074；2. 中建三局第一建設工程有限責任公司，武漢 430048)

0 前言

Q690D屬于低合金高強鋼，具有較高的強度、較好的塑性和韌性及良好的焊接性和耐腐蝕性能，在建筑、橋梁等領域得到了廣泛的應用[1-3]。但是在Q690D的焊接過程中, 焊縫兩側在焊接熱源作用下形成的溫度場使近縫區不同部位的母材受到了不同熱循環作用：靠近熔合線的粗晶區由于受到的熱循環峰值溫度高，是焊接接頭中組織最粗大，性能最薄弱的區域[4-5]；處于Ac1～Ac3之間溫度范圍的熱影響區，有一部分組織發生了固態相變，產生晶粒尺寸不均勻，導致性能的變化[6]。而對于多層多道焊，后續焊道的熱源對之前的熱影響區仍有影響，使得其組織更加復雜，因此對焊接熱影響區的組織和性能進行研究對于保證焊接接頭質量具有重要的意義。由于熱影響區很小，通常只有幾毫米，但各個區域的組織和性能區別較大，使用實際焊接試驗的方式較難對各區域進行準確的區分，而使用Gleeble熱模擬機進行焊接熱模擬則可以獲得不同熱影響區的組織，方便對其組織形態和性能進行研究[7-10]。

文中通過使用Gleeble-3500熱模擬機，對試樣進行一次和二次焊接熱循環模擬，以獲得各熱影響區的組織，并對其力學性能和顯微組織進行測試觀察，研究一次和二次熱循環作用下不同熱循環峰值溫度和t8/5冷卻時間下的組織和性能。

1 試驗方法

熱模擬試樣如圖1所示。根據經驗公式[11]計算Q690D的Ac1為724 ℃，Ac3為847 ℃。使用Gleeble-3500熱模擬機模擬焊接熱影響區粗晶區的峰值溫度為1 350 ℃，另設峰值溫度為1 150 ℃作為對照組，用于對比峰值溫度1 350 ℃下的組織，同時也為觀察粗晶區原奧氏體晶粒的長大行為。模擬焊接熱影響區細晶區和臨界區的峰值溫度分別為900 ℃和800 ℃[12]。各峰值溫度下的冷卻速度t8/5為10 s，30 s，50 s。

圖1 熱模擬試樣

選取二次熱循環峰值溫度1 350 ℃，900 ℃，800 ℃以分別模擬未變粗晶區、過臨界粗晶區、臨界粗晶區，設置二次熱循環冷卻速度t8/5為30 s。具體熱模擬試驗參數見表1。將熱模擬試樣在熱電偶處切開,作為顯微組織觀察面，試樣尺寸為11 mm×11 mm×8 mm。試樣經不同粒度的砂紙打磨，然后在拋光機上進行拋光。最后用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，采用光學顯微鏡進行觀察。并使用維氏硬度計對試樣進行硬度測試，每個試樣進行3次硬度測試后取平均值，所用加載條件為1.96 N。將熱模擬試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口標準沖擊試樣，沖擊試驗溫度為-20 ℃，將試樣置于低溫槽中保溫20 min，待溫度降低到要求后進行沖擊試驗，每一條件下沖擊3個試樣，沖擊吸收能量取平均值，并對沖擊試樣斷口進行SEM分析。

表1 熱模擬試驗參數

2 結果分析

2.1 一次焊接熱循環的組織和性能

2.1.1顯微組織觀察

一次焊接熱循環時，不同峰值溫度和冷卻時間t8/5下的顯微組織如圖2～圖5所示。通過各峰值溫度的組織圖片，能夠明顯看到隨著峰值溫度的提高，晶粒呈現一個長大的過程。峰值溫度為800 ℃，處于Ac1～Ac3之間，基體組織沒有完全奧氏體化，新的奧氏體晶粒較細小，組織主要以粒狀貝氏體+鐵素體組織為主。峰值溫度為900 ℃時，母材在剛完全奧氏體化后隨即冷卻，原奧氏體晶粒來不及進一步長大，冷卻后組織明顯細化，主要為細小的粒狀貝氏體。峰值溫度為1 150 ℃時，奧氏體晶粒得以長大，在較快的冷卻速度下，得到板條狀馬氏體和貝氏體組織，而且可以看到在t8/5=30 s時，晶粒明顯相較于10 s和50s時更小。峰值溫度為1 350 ℃時，處于完全淬火區的粗晶區，晶粒明顯長大，組織主要為板條馬氏體，粗大的板條馬氏體呈束狀排列交錯分布于原奧氏體晶粒內，一個原奧氏體晶粒中平均含有若干個板條束，似筐籃狀，呈典型板條馬氏體形貌特征。但隨著t8/5時間的增加，板條馬氏體組織開始明顯減少，并出現粒狀貝氏體組織。

圖2 一次熱循環峰值溫度為800 ℃下的顯微組織

圖3 一次熱循環峰值溫度為900 ℃下的顯微組織

圖4 一次熱循環峰值溫度為1 150 ℃下的顯微組織

圖5 一次熱循環峰值溫度為1 350 ℃下的顯微組織

2.1.2硬度測試分析

一次焊接熱循環時，不同峰值溫度和冷卻時間t8/5的硬度如圖6所示。同時，測得母材的硬度為249 HV，與各熱影響區硬度進行比較。可以看出，在相同的冷卻速度下，隨著熱模擬峰值溫度的增大，熱影響區的硬度隨之增加；而在相同的峰值溫度下，除峰值溫度為1 150 ℃，t8/5為30 s的點外，硬度隨冷卻速度的減小而減小。粗晶區主要為板條馬氏體和貝氏體的混合組織，這2種組織都具有較高的硬度，所以粗晶區的硬度最大，最高可達432 HV。隨著冷卻速度的降低，粗晶區組織中板條馬氏體的含量不斷減少，粒狀貝氏體的含量不斷增加，而貝氏體的硬度相較于板條馬氏體更低，同時粗晶區的晶粒不斷粗化，使得該區硬度不斷降低。細晶區各冷卻速度下硬度變化不明顯，且略高于母材硬度。不完全淬火區組織中含有大量的鐵素體組織，且晶粒大小不均勻，其硬度在熱影響區中最低，且隨著冷卻速度的降低，臨界區的硬度變化不明顯。

圖6 一次熱循環試樣的顯微硬度

2.1.3沖擊試驗結果及斷口分析

Q690D鋼的低溫沖擊吸收能量為74.8 J,熱模擬試樣沖擊試驗數據見表2。峰值溫度為1 350 ℃時，沖擊吸收能量很低，并且隨著冷卻時間t8/5的延長，沖擊吸收能量呈現出一個下降的趨勢，該區的顯微組織主要為粗大的板條馬氏體組織，由于過熱嚴重，導致組織性能惡化，沖擊韌性很差。在峰值溫度為1 150 ℃時，沖擊韌性好于峰值溫度為1 350 ℃時，但仍處于較低水平。同樣，隨著冷卻時間t8/5的延長，試樣的沖擊韌性也表現為下降趨勢。模擬細晶區的峰值溫度為900 ℃，母材在剛完全奧氏體化后隨即冷卻，原奧氏體晶粒來不及進一步長大，從而在冷卻終了時容易得到細晶組織，使得沖擊值較于粗晶區有較大的提升。同時，在冷卻時間t8/5為10 s和30 s時，沖擊吸收能量相差不大，但當其增加到50 s時，沖擊吸收能量有一個較大幅度的下降。峰值溫度為800 ℃時正處于該母材的部分淬火區，即在鋼的Ac1～Ac3之間，該區的沖擊韌性表現為略高于峰值溫度為1 150 ℃的淬火粗晶區，但低于細晶區。

表2 一次熱循環試樣的沖擊性能

對冷卻速度t8/5為30 s的沖擊斷口的放射區進行掃描電鏡分析，如圖7和圖8所示。對宏觀斷口形貌分析可知，峰值溫度為1 350 ℃時，整個切口斷面放射區所占比例極大，在斷口缺口附近幾乎看不到纖維區，整個斷口較為平整，表現出強烈的金屬光澤，呈亮灰色，有明顯的結晶顆粒，表現為結晶狀斷口；峰值溫度為1 150 ℃時，斷面放射區比例很大，在缺口附近的纖維區僅有一小部分，形貌特征與峰值溫度為1 350 ℃時相似；峰值溫度為900 ℃時，剪切唇區和纖維區所占比例最大，斷口產生了明顯的宏觀塑性變形，斷口粗糙，呈暗灰色，韌性斷裂傾向增大，說明該區韌性最好；峰值溫度為800 ℃時，剪切唇區和纖維區的面積較峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時更大，但不及峰值溫度為900 ℃時的面積。對顯微斷口形貌進行分析可知，峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時，可以看到整個斷面被大量的解理臺階，“河流花樣”、“舌狀花樣”所占據，表現為典型的解理斷口特征；峰值溫度為900 ℃時，有很多細而小的韌窩，局部區域有大的顯微空洞，表明為延性斷裂，在部分韌窩中心底部存在著白色的顆粒物，為第二相質點或折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒。峰值溫度為800 ℃時，有許多短而彎曲的撕裂棱線條，表現出明顯的“河流花樣”特征，同時在局部區域又有反映韌性斷口特征的韌窩出現，斷面上有凹陷和二次裂紋的出現，屬于韌性斷裂和解理斷裂之間的準解理斷口。

圖7 一次熱循環試樣的宏觀斷口形貌

圖8 一次熱循環試樣的微觀斷口形貌

2.2 二次焊接熱循環的組織和性能

2.2.1顯微組織觀察

二次焊接熱循環不同峰值溫度的顯微組織如圖9所示，由于第一次熱循環溫度較高，導致晶粒粗化，在經歷了二次熱循環后，主要的顯微組織仍為板條馬氏體，隨著二次熱循環峰值溫度的降低，上貝氏體、粒狀貝氏體開始增多，晶粒粗化程度有所降低。當二次熱循環峰值溫度為1 350 ℃時，主要組織為板條馬氏體，且其晶粒尺寸相較于單次熱循環峰值溫度為1 350 ℃時更大，因此性能惡化更為嚴重。當二次熱循環峰值溫度為1 150 ℃時晶粒尺寸有所減小，其主要組織仍為板條馬氏體，當二次熱循環峰值溫度進一步降低到900 ℃，800 ℃時，出現了部分上貝氏體組織和粒狀貝氏體組織。總的來說，在一次熱循環時過高的峰值溫度試樣晶粒尺寸都較大，韌性較低，雖然二次熱循環峰值溫度較低時，對組織晶粒的細化有一定作用，但是程度有限，試樣仍然硬度高、韌性低，綜合性能較差。

圖9 二次熱循環試樣的顯微組織

2.2.2硬度測試分析

二次焊接熱循環的顯微硬度測試值見表3，隨著二次熱循環峰值溫度的上升，熱模擬試樣的硬度也逐漸增加。與一次熱循環峰值溫度為1 350 ℃、冷卻時間t8/5為30 s的熱模擬試樣相比(硬度為389.43 HV)，經歷了二次熱循環的熱模擬試樣硬度值都更高，即使二次熱循環的峰值溫度為800 ℃和900 ℃，此時應當為臨界粗晶區和過臨界粗晶區，其硬度值仍要比389.43 HV更高，說明二次熱循環峰值溫度較低時對試樣的軟化作用并不明顯，甚至會導致試樣更硬，韌性惡化。

表3 二次熱循環試樣的顯微硬度

2.2.3沖擊試驗結果及斷口分析

沖擊試驗結果見表4。對比一次熱循環峰值溫度為1 350 ℃、冷卻時間t8/5為30 s時的低溫沖擊吸收能量26.9 J，在經歷第二次熱循環后，第二次熱循環峰值溫度為1 350 ℃，1 150 ℃，900 ℃時，沖擊吸收能量均略低于26.9 J，僅當二次熱循環峰值溫度為800 ℃時，沖擊吸收能量為28.47 J，略大于26.9 J，說明二次熱循環對沖擊吸收能量沒有明顯的改善作用，甚至當二次熱循環峰值溫度大于900 ℃時，會導致沖擊性能降低。

表4 二次熱循環試樣的沖擊性能

對不同峰值溫度下沖擊試樣斷口的放射區進行觀察，得到的SEM圖片如圖10和圖11所示。對宏觀斷口形貌分析可知，當二次熱循環峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時，試樣的宏觀斷面由平整的結晶狀斷口變為出現了很多空洞且凹凸不平，說明其韌性惡化已經十分嚴重，試樣脆性很大。與單次熱循環峰值溫度為1 350 ℃的熱模擬試樣相比，二次熱循環峰值溫度為800 ℃和900 ℃時，試樣纖維區面積和剪切唇區面積略有增加，但是其斷面仍為平坦的結晶狀斷口。對顯微斷口形貌進行分析可知，隨著二次熱循環峰值溫度升高，試樣由準解理斷裂向解理斷裂轉變。二次熱循環峰值溫度為800 ℃時，斷口上出現了大的撕裂棱，存在密集細小的韌窩帶，解理刻面較小。二次熱循環峰值溫度為900 ℃時，韌窩帶變少，解理平臺更大，出現了更多的解理斷裂特征。二次熱循環峰值溫度為1 150 ℃時。“河流花樣”的“支流”相對短小，解理平面更加平直，放射區已經找不到韌窩出現，并出現了部分大的空洞。當二次峰值溫度為1 350 ℃時，可以分辨出很多解理平臺，且有很多大的空洞和二次裂紋出現，此時試樣脆性很大，為典型的解理斷裂。

圖10 二次熱循環試驗的宏觀斷口形貌

圖11 二次熱循環試樣的微觀斷口形貌

3 結論

(1)一次焊接熱循環熱模擬試樣，隨著熱循環峰值溫度的增加，顯微組織晶粒逐漸粗化，由粒狀貝氏體組織向上貝氏體和板條馬氏體組織轉變；二次熱循環熱模擬試樣晶粒粗大，顯微組織主要為板條馬氏體組織，隨著二次熱循環峰值溫度降低，開始出現部分上貝氏體和粒狀貝氏體組織。

(2)一次焊接熱循環熱模擬試樣，隨著峰值溫度的增加，試樣的顯微硬度逐漸增大，且隨著冷卻時間t8/5的增加，顯微硬度呈下降趨勢；二次焊接熱循環熱模擬試樣，隨著峰值溫度的增加，顯微硬度逐漸增大，且比單次熱循環的熱模擬試樣硬度更大，說明二次熱循環即使峰值溫度較低，仍會導致試樣硬度增加。

(3)一次焊接熱循環熱模擬試樣，峰值溫度為900 ℃時，試樣的沖擊吸收能量最高，韌性最好，峰值溫度為1 350 ℃時，試樣韌性惡化，沖擊吸收能量最低，隨著冷卻時間t8/5的增加，試樣的沖擊吸收能量呈下降趨勢；二次焊接熱循環熱模擬試樣韌性較差，為脆性斷裂，沖擊吸收能量為20～30 J。

(4)一次焊接熱循環熱模擬試樣，峰值溫度為1 350 ℃和1 150 ℃時，為解理斷裂，微觀斷口形貌出現大量解理臺階、“河流花樣”形貌，峰值溫度為900 ℃時，為延性斷裂，斷口面由大量的韌窩，韌窩中心底部存在第二相粒子或夾雜物，峰值溫度為800 ℃時，為準解理斷裂；二次焊接熱循環熱模擬試樣為準解理斷裂和解理斷裂，二次熱循環峰值溫度越高，試樣的解理斷裂特征約明顯，脆性越大。

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