應變速率對Q460鋼及其埋弧焊接頭拉伸行為的影響

趙 卓,賀玉偉,王 磊,劉 楊

(東北大學材料科學與工程學院,沈陽 110819)

0 引 言

在建筑、橋梁、船舶等鋼結構中采用Q460鋼等低合金高強度鋼(HSLA鋼),可有效提高鋼結構的服役安全性,并實現輕量化[1-2]。鋼結構大多以焊接方式連接而成,因此要求其鋼材具有良好的焊接性[3]。埋弧焊具有焊接生產效率高、焊縫質量好、焊接成本低和適應性強等特點,廣泛應用于低合金高強度鋼的連接[4-6]。焊接時接頭區域會經歷不同的熱歷史,發生相轉變而形成不同的顯微組織,從而影響到鋼結構的力學性能[7-14]。

研究[15]表明,材料的應變速率制約著其變形行為。不同應變速率下材料的變形抗力不同,因此不能用靜態流變應力公式進行動態流變應力計算[16]。在應變速率0.001 7～0.17 s-1下進行的拉伸試驗結果顯示,HSLA-300鋼的強度對應變速率的變化不敏感,TRIP800鋼表現出中等程度的依賴關系,而DP800鋼的強度對應變速率變化最為敏感[17-18]。CADONI等[19]指出,S690鋼在應變速率200～1 000 s-1下的屈服強度保持在相同水平,未發生明顯變化。毛博文等[20]研究發現,隨應變速率由0.001 s-1躍升至800～1 400 s-1,HC340LA鋼的拉伸強度提高顯著。低合金高強度鋼的塑性變形與應變速率緊密相關[18,21-24],但對其在應變速率1～100 s-1下力學性能變化的相關研究卻較少;此外,關于我國最常用的Q460鋼焊接性能的研究工作也缺乏系統性。考慮到鋼結構焊接接頭在強風、地震、海嘯等自然災害條件下的服役安全[25-26],研究其在不同應變速率下的動態力學行為十分重要。為此,作者以Q460鋼埋弧焊焊接接頭為研究對象,研究了應變速率對母材及焊接接頭拉伸變形行為的影響,以期為Q460鋼結構安全服役提供數據支撐。

1 試樣制備與試驗方法

母材選用Q460熱軋鋼板,主要化學成分(質量分數/%)為0.17C,0.345Si,1.51Mn,0.10Nb,0.15V,0.12Ti,0.17Cr,0.50Ni,0.30Cu,0.007N,0.05Mo,0.001B,0.025P,0.025S,余Fe;顯微組織見圖1,主要由塊狀鐵素體和珠光體組成,兩相呈條帶狀交替分布,鐵素體和珠光體的平均晶粒尺寸分別為30,20 μm。焊接材料為CHW-S9鍍銅低合金高強度鋼埋弧焊絲。

圖1 Q460鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of Q460 steel

在Q460熱軋鋼板上截取尺寸為200 mm×100 mm×38 mm的待焊試樣,開單邊V型坡口,坡口面角度為30°,坡口間隙為7～10 mm。采用BH-PAW-150型第四代管道全位置自動焊機進行埋弧焊,采用對接接頭形式,共焊6層,焊前將待焊試樣在100 ℃下預熱40 min,焊接時層溫控制在130～170 ℃,焊接熱輸入為18～20 kJ·cm-1。

在焊接接頭上垂直于焊縫橫向取樣,使用體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,利用OLYMPUS SZ61型體視顯微鏡、OLYMPUS GX71型光學顯微鏡(OM)和JSM-6510A型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織,利用OLYMPUS STM6型顯微鏡測量焊縫及熱影響區尺寸。采用401MVD型硬度計測定接頭截面顯微硬度,加載載荷為0.98 N,保載時間為15 s,從焊縫中心往母材方向取樣,焊縫區域每隔0.15 mm取點,母材區域每隔1 mm取點。

采用線切割在母材和焊接接頭距焊縫背面5 mm處垂直于焊縫(焊縫位于中心)切取如圖2所示的拉伸試樣,試樣厚度為2 mm,經粗磨、拋光和清洗后,根據GB/T 228.1-2010,分別采用MTS810型材料試驗系統(核定應變速率10-3～100s-1)和ZWICK HTM5020型高速試驗機(核定應變速率101～102s-1)進行拉伸試驗,采用位移控制,應變速率分別為0.001,0.01,0.1,1,10,100 s-1。采用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 焊接接頭組織及硬度分布

焊接接頭熱影響區(HAZ)的寬度約為2.7 mm。由圖3可知,熱影響區可細分為不完全重結晶區、相變重結晶區(即細晶區)和粗晶區。這是因為焊接時不同區域受到不同焊接熱影響:距熔池越近,熱影響區溫度越高,其組織發生的相變重結晶越完全;但是在最靠近熔池的區域,由于受到較強的多道焊接熱循環的疊加作用,該區域溫度升高且在完全奧氏體化溫度停留時間較長,因此晶粒長大形成了粗晶區。

圖3 Q460鋼焊接接頭熱影響區的顯微組織Fig.3 Microstructures of heat-affected zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) incomplete recrystallization zone;(c) phase transformation recrystallization zone and (d) coarse-grained zone

由圖4可知,焊接接頭焊縫區(WZ)呈現柱狀晶、塊狀晶粒和均勻分布的細小晶粒等組織形態。放大后可以看出,柱狀晶內為高密度的針狀鐵素體;塊狀晶粒由晶內呈放射狀分布的針狀鐵素體和晶粒邊界的先共析鐵素體組成;細小晶粒是粒度均勻的多邊形鐵素體,周圍分布有少量珠光體和針狀鐵素體。

圖4 Q460鋼焊接接頭焊縫區的顯微組織Fig.4 Microstructures of weld zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) enlarged view of columnar grains;(c) enlarged view of blocky grains and (d) enlarged view of fine grains

由圖5可見:母材區的平均硬度為211 HV,硬度相對穩定;焊縫區硬度值波動較大,平均硬度最小,為197 HV;熱影響區硬度在188～248 HV范圍內波動,平均硬度最大,為227 HV。

圖5 Q460鋼焊接接頭截面顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution on cross-section ofQ460 steel weld joint

2.2 拉伸性能

由圖6可知:室溫下焊接接頭的準靜態(應變速率為0.001 s-1)屈服強度、抗拉強度與母材Q460鋼均接近,但斷后伸長率明顯減小。這是因為焊縫區主要由柱狀晶構成,相比于主要為等軸晶組織的母材,其在拉伸變形過程中協調變形能力較差,塑性降低。隨應變速率增大,母材的屈服強度和抗拉強度呈增高趨勢,其中應變速率在0.001～1 s-1范圍內時強度增幅較小,應變速率在10～100 s-1時,強度大幅提升,這表明母材的拉伸行為與應變速率有關;焊接接頭在應變速率0.01～0.1 s-1下的屈服強度和抗拉強度與準靜態相當,在應變速率1～100 s-1下,強度相比于準靜態明顯增大,且增幅超過母材,表明焊接接頭的強度在高應變速率下對應變速率更加敏感。隨應變速率增大,母材的斷后伸長率先大幅降低后單調增大,最小值出現在應變速率為0.01 s-1時;焊接接頭的變化趨勢與母材相似,但變化趨勢較母材平緩,且最小值對應的應變速率為0.1 s-1。在6種應變速率下,焊接接頭試樣斷裂位置均位于焊縫區。

圖6 母材及焊接接頭的室溫拉伸性能與應變速率的關系Fig.6 Relationship between room temperature tensile properties and strain rate of base material and weld joint:(a) strength and (b) percentage elongation after fracture

由圖7和圖8可知:焊接接頭動態拉伸和準靜態拉伸斷口均主要由纖維區和剪切唇區組成,呈現典型韌性斷裂特征,應變速率對微觀斷裂機制無明顯影響。動態拉伸試樣的頸縮現象相比于準靜態拉伸試樣更加明顯,表明其非均勻塑性變形加劇。準靜態拉伸斷口韌窩完整,放大后發現在韌窩底部有細小的第二相粒子,根據其尺寸并結合焊縫顯微組織分析,確定其為細小的碳化物。在拉伸變形過程中,微孔在碳化物邊界形核并不斷擴大至與其他微孔聯結,形成微裂紋,微裂紋擴展連接成主裂紋導致斷裂[15]。

圖7 不同應變速率下Q460鋼焊接接頭動態拉伸斷口的微觀形貌Fig.7 Micromorphology of Dynamic tensile fracture of Q460 steel weld joint under different strain rates:(a,d,g,j,m) at low magnification; (b,e,h,k,n) fiber zone and (c,f,i,l,o) shear lip zone

圖8 Q460鋼焊接接頭準靜態拉伸斷口的微觀形貌Fig.8 Microstructures of quasi-static tensile fracture of Q460 steel weld joint: (a) at low magnification;(b) fiber zone; (c) shear lip zone and (d) dimple and carbide

隨著應變速率提高,動態拉伸試樣的頸縮趨于嚴重,韌窩先變小變淺隨后又變大變深。高應變速率(10,100 s-1)下的拉伸斷口中出現較多直徑和深度均較大的韌窩,大韌窩周圍存在大量尺寸均勻的細小韌窩。剪切唇區的韌窩呈現拋物線型,且拋物線形狀隨著應變速率的提高變得更加明顯。總體而言,應變速率的變化雖然改變了焊接接頭中的韌窩形態,但未改變其微觀斷裂機制。

3 結 論

(1) 室溫下Q460鋼埋弧焊焊接接頭的準靜態(應變速率為0.001 s-1)屈服強度、抗拉強度與母材均接近,但斷后伸長率明顯減小。

(2) 母材強度隨應變速率增大而增大,對應變速率敏感;焊接接頭的屈服強度和抗拉強度在應變速率0.01～0.1 s-1下與準靜態相當,在應變速率1～100 s-1明顯增大,即強度對高應變速率敏感。母材、焊接接頭的斷后伸長率隨應變速率增大均先降低后增大,最小值分別出現在應變速率為0.01,0.1 s-1時,焊接接頭的變化幅度很小。

(3) 在不同應變速率下,焊接接頭均斷裂于焊縫區,準靜態、動態拉伸斷口均主要由纖維區和剪切唇區組成,接頭均發生韌性斷裂;動態拉伸斷口的頸縮現象相比準靜態更明顯,且隨著應變速率增加而趨于嚴重,韌窩先變小變淺隨后又變大變深。應變速率的增加改變了接頭拉伸斷口中的韌窩形態,但未改變其微觀斷裂機制。