去應(yīng)力退火對S355J2W耐候鋼焊接接頭組織及性能的影響

岑升波　王洪廣　趙博寧

摘要：文章通過金相分析、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，研究了去應(yīng)力退火對S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響，得出結(jié)論：S355J2W耐候鋼焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，接頭的強(qiáng)度高于母材;經(jīng)退火處理后，接頭各微區(qū)組織趨于均勻化，珠光體數(shù)量增多，母材條帶狀組織得到顯著改善;接頭的強(qiáng)度降低了2.04%，斷后伸長率提高了11.71%，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊韌性分別提高18.2%、15.5%、5.2%;接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但各微區(qū)硬度值都有所下降，焊縫區(qū)域硬度平均下降了5.95%，峰值下降了10.1%，母材平均下降了2.98%。

關(guān)鍵詞：S355J2W耐候鋼;焊接接頭;顯微組織;力學(xué)性能

中圖分類號：U213.4+6A421594

0 引言

S355J2W鋼是采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025-5-2004生產(chǎn)的一種低合金高強(qiáng)度耐候鋼，具有高強(qiáng)度、良好的低溫韌性和優(yōu)良的耐腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高速列車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁及側(cè)梁與橫梁的連接處，其焊接接頭性能的可靠性直接影響到高速列車的安全運(yùn)行 [1-2]。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，對轉(zhuǎn)向架使用要求也顯著提高，需要焊接構(gòu)架具有更高的使用強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度[3-4]。但目前該材料仍依賴于進(jìn)口，國內(nèi)對該耐候鋼的制造工藝、力學(xué)性能的研究并未充分掌握，特別是焊接工藝和熱處理方式對該耐候鋼組織和力學(xué)性能影響方面的數(shù)據(jù)仍需進(jìn)一步完善[5-6]，這將會(huì)嚴(yán)重制約該材料的國產(chǎn)化進(jìn)程和在高速鐵路中的應(yīng)用和發(fā)展。因此，本文對S355J2W耐候鋼焊接接頭的去應(yīng)力退火狀態(tài)和空冷狀態(tài)進(jìn)行了金相分析、拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了S355J2W耐候鋼在兩種狀態(tài)下顯微組織和力學(xué)性能變化規(guī)律，以此更好、更準(zhǔn)確地指導(dǎo)構(gòu)架焊接工藝，提高車輛構(gòu)架力學(xué)性能和使用壽命，為S355J2W耐候鋼的研究使用提供扎實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為12 mm厚的S355J2W耐候鋼板材，焊接材料為JM55Ⅱ焊絲，母材及焊絲主要化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊接工藝

采用MAG焊（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊）多層多道焊接工藝，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2混合氣，接頭形式為對接，V形坡口，坡口角度為60°，焊接間隙為2 mm，鈍邊為1 mm，如圖1所示。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 熱處理工藝

S355J2W耐候鋼焊后采用去應(yīng)力退火處理和空冷處理兩種方式。其中，退火溫度為550 ℃±15 ℃，保溫時(shí)間為2.5 h，隨爐冷卻到300 ℃后取出空冷到室溫。

1.4 試驗(yàn)方法

在S355J2W耐候鋼焊接接頭焊縫區(qū)域進(jìn)行取樣，試樣包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，采用Zeiiss-A1M數(shù)碼金相顯微鏡進(jìn)行金相分析，腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。采用HVS-30型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，載荷為200 g，載荷保持時(shí)間為15 s，測試點(diǎn)沿焊縫中心向兩側(cè)母材方向分布，點(diǎn)間距在焊縫區(qū)為1 mm，母材區(qū)為2 mm。

拉伸試驗(yàn)按照《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 2651-2008）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制成矩形橫截面拉伸試樣，試樣去焊縫余高，焊縫位于試樣中心，試驗(yàn)設(shè)備為DNS300萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)。

對接接頭彎曲試驗(yàn)采用DNS300萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)，試驗(yàn)按照 《焊接接頭彎曲試驗(yàn)》（ISO5173-2009 ）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。

沖擊試驗(yàn)按照《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T2650-2008）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制成V型缺口試樣，缺口分別開在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，采用JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 組織分析

如圖2所示為空冷處理和退火處理后S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織對比圖。圖2（a）為空冷處理母材區(qū)的顯微組織，母材區(qū)不受熱輸入的影響，組織由條帶狀的鐵素體和珠光體組成，呈現(xiàn)出典型的熱軋組織形態(tài)。圖2（d）為退火處理后母材的顯微組織，由塊狀的鐵素體和珠光體組成，但與空冷狀態(tài)的組織相比，組織更為均勻和細(xì)小，且條帶狀組織得到顯著改善。圖2（b）為空冷處理焊縫區(qū)的顯微組織，組織主要由粗大的柱狀鐵素體和少量的珠光體組成，由于S355J2W鋼碳含量低，熔池冷卻時(shí)部分先共析鐵素體沿著原奧氏體晶界析出，形成白色網(wǎng)狀組織：一部分先共析鐵素體于原奧氏體晶粒內(nèi)部析出，呈現(xiàn)出具有一定位向關(guān)系的層片狀、針狀鐵素體組織，珠光體分布在層片狀鐵素體周圍;還有一部分先共析鐵素體表現(xiàn)為粗大的側(cè)板條狀組織。圖2（e）為退火處理后焊縫區(qū)的顯微組織，顯微組織仍為柱狀鐵素體和珠光體，但和空冷處理相比，組織明顯均勻化，珠光體的數(shù)量明顯增多。圖2（c）為空冷處理熱影響區(qū)的顯微組織，該區(qū)域組織在焊接過程中相當(dāng)于經(jīng)歷了一次正火處理過程，高溫下原條帶狀分布的鐵素體和珠光體組織全部奧氏體化，冷卻時(shí)又由奧氏體重新析出鐵素體和珠光體，組織細(xì)小均勻，具有超過母材的性能。圖2（f）為退火處理后的熱影響區(qū)顯微組織，組織為細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體，更多細(xì)小的滲碳體在側(cè)板條狀鐵素體中析出，珠光體數(shù)量明顯增多。

2.2 拉伸試驗(yàn)

如表3所示，為S355J2W耐候鋼對接接頭退火前后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，焊接接頭的拉伸試樣均斷裂于靠近熱影響區(qū)的母材位置，斷裂位置有明顯的頸縮現(xiàn)象，這說明焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材?？绽涮幚淼暮附咏宇^試樣的抗拉強(qiáng)度為549 MPa，而退火狀態(tài)的接頭抗拉強(qiáng)度為538 MPa，降低了2.04%。空冷處理后接頭的斷后伸長率為31.33%，退火處理后接頭的斷后伸長率為35.00%，這說明退火處理可以有效提高接頭的韌性，提高比例達(dá)到了

11.71%。這是由于焊接過程是不均勻的熱輸入過程，焊縫和母材之間的溫度梯度巨大，同時(shí)焊材和母材成分不同，造成了焊縫到母材之間組織的極度不均勻，材料在組織不均勻和巨大的溫度差下形成較大的殘余應(yīng)力，并形成了較多的空位、晶格畸變、彈性應(yīng)變場等微觀缺陷。這些微觀缺陷具有釘扎作用，能有效地阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度。焊接接頭在退火處理過程中，原子在高溫下得以擴(kuò)散，運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，減少了不平衡組織的形成，減少了空位和晶格畸變等微觀缺陷的數(shù)量，降低了應(yīng)力集中，使得接頭的強(qiáng)度下降、塑性提高。

2.3 彎曲試驗(yàn)

對空冷處理和退火處理后的焊接接頭進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，無論是空冷處理還是退火處理的接頭都通過了彎曲角度為180°的面彎和背彎測試，S355J2W鋼的焊接接頭表現(xiàn)出了優(yōu)良的韌性。

2.4 硬度測試

如下頁圖3所示為空冷處理和退火處理后焊接接頭的硬度分布圖，圖中描繪了接頭從焊縫中心到母材兩側(cè)的硬度變化曲線。由圖3可知，接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，從焊縫到熱影響區(qū)的過熱區(qū)硬度減小，熱影響區(qū)中的正火區(qū)硬度最高，之后往母材區(qū)迅速降低。接頭硬度的變化規(guī)律與接頭各區(qū)域微觀組織的特征是相對應(yīng)的，焊縫區(qū)域所用的JM-55Ⅱ焊條和母材性能相近，焊縫在較大的溫度梯度下形成側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和貝氏體組織，導(dǎo)致焊縫區(qū)域硬度增大。熔合區(qū)是柱狀晶組織和晶粒粗大的過熱組織的混合區(qū)，所以硬度隨之減低;過熱區(qū)的組織晶粒粗大，相對于細(xì)小晶粒，其性能降低，所以硬度繼續(xù)降低;而正火區(qū)的組織晶粒細(xì)小，晶界數(shù)量多，有效地阻礙了位錯(cuò)在相鄰晶粒間的運(yùn)動(dòng)，減小了晶粒內(nèi)部位錯(cuò)塞積群的尺寸。產(chǎn)生宏觀可見的塑性變形必須在晶粒內(nèi)部塞積足夠的位錯(cuò)，使之提供必要的應(yīng)力，使位錯(cuò)源相鄰晶粒間移動(dòng)，減小晶粒尺寸，達(dá)到強(qiáng)化的效果，進(jìn)而導(dǎo)致此處硬度快速提高形成峰頂，母材區(qū)的組織受到焊接熱輸入的影響較小，硬度值再次降低。

焊接接頭經(jīng)過退火后發(fā)現(xiàn)，去應(yīng)力退火并沒有改變從焊縫中心到母材的硬度變化規(guī)律，硬度仍呈現(xiàn)雙峰狀分布，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但是硬度的變化曲線整體下移，說明同一區(qū)域經(jīng)過退火后硬度值下降，焊縫區(qū)域硬度大約下降了5.95%，峰值大約下降了10.1%，母材大約下降了2.98%。接頭在退火過程中，材料的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，部分殘余應(yīng)力超過高溫下材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)在材料內(nèi)部發(fā)生局部塑性變形，使殘余應(yīng)力松弛，彈性應(yīng)變場也隨之消失或者減弱，從而達(dá)到降低硬度的目的。但由于退火溫度并未達(dá)到接頭相變溫度，各微區(qū)組織發(fā)生相變再結(jié)晶，所以熱處理未能完全改善接頭硬度分布的不均勻性。

2.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

如表5所示，為焊接接頭在空冷處理和退火處理后接頭各微區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果。空冷處理后焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊吸收功平均值分別為132 J、213 J和193 J。焊縫區(qū)的沖擊韌性最低，這是由于焊縫柱狀晶組織由硬度較高的側(cè)板條狀、針狀鐵素體和貝氏體組成，強(qiáng)度較高則韌性低;熱影響區(qū)沖擊韌性最高，這是細(xì)晶強(qiáng)化的結(jié)果。沖擊試樣的缺口開在晶粒細(xì)小的正火區(qū)，細(xì)小的晶粒使得晶界總面積增加，降低了晶界上雜質(zhì)的濃度，減小了沿晶脆性斷裂的可能性，同時(shí)晶界阻礙了裂紋尖端的擴(kuò)展，減少了晶界前位錯(cuò)的塞積，有利于降低應(yīng)力集中，提高材料的韌性。

退火狀態(tài)下焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊吸收功平均值分別為156 J、246 J和203 J，接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材經(jīng)過退火后的沖擊韌性分別提高18.2%、15.5%、5.2%。高溫下，材料屈服強(qiáng)度降低，局部塑性變形使得內(nèi)部殘余應(yīng)力得以釋放，減少了彈性應(yīng)變場的存在，同時(shí)高溫下原子擴(kuò)散速度加快，使空位濃度降低，減少了位錯(cuò)釘扎和位錯(cuò)塞積，提高了接頭的韌性。由于母材的供火狀態(tài)是正火，且受到的熱影響較小，焊接殘余應(yīng)力和晶粒內(nèi)部缺陷較少，所以退火對母材韌性的提高不如焊縫和熱影響區(qū)的大。

3 結(jié)語

（1）S355J2W鋼焊接接頭空冷處理的焊縫區(qū)微觀組織為粗大的柱狀鐵素體、網(wǎng)狀鐵素體、針狀鐵素體和少量的珠光體組成，熱影響區(qū)微觀組織由細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體組成，母材區(qū)微觀組織由條帶狀的鐵素體和珠光體組成。經(jīng)退火處理后，各區(qū)域組織趨于均勻化，珠光體數(shù)量增多，母材條帶狀組織得到顯著改善。

（2）S355J2W鋼焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，接頭的強(qiáng)度高于母材，退火處理和空冷處理相比，經(jīng)過退火處理后接頭的強(qiáng)度降低了2.04%，斷后伸長率提高了11.71%，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊韌性分別提高了18.2%、15.5%、5.2%。

（3）S355J2W鋼焊接接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，峰值出現(xiàn)在熱影響區(qū)，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但各區(qū)域硬度值下降，焊縫區(qū)域硬度平均下降了5.95%，峰值下降了10.1%，母材平均下降了2.98%。

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基金項(xiàng)目：2020年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“850H裝載機(jī)側(cè)圍焊接夾具的設(shè)計(jì)”（編號：2020KY44002）

作者簡介：

岑升波（1990—），碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造;

王洪廣（1980—），碩士，教授，研究方向：機(jī)械制造;

趙博寧（1981—），碩士，副教授，研究方向：機(jī)械制造。