回火處理對Q690鋼焊接粗晶區組織和性能的影響

劉吉志，劉玉愛，李貞順

1 前言

Q690鋼是一種低碳貝氏體鋼，采用控軋+回火處理工藝生產，具有較高的強度、塑性和沖擊韌性，廣泛用于工程機械和礦山機械。Q690鋼焊接后會產生脆化現象，這影響了焊接件的使用［1-2］。回火處理能消除結構件焊后殘余應力，同時也能改善熱影響區的組織及性能［3］。通常焊接作業中的回火處理是以消除焊接殘余應力為目的，并未兼顧組織性能的優化。本研究采用氣體保護焊接方法對Q690鋼進行焊接，對不同溫度回火后的焊接粗晶區硬度、沖擊韌性進行測試，探討回火對粗晶區組織和性能的影響。

2 試驗材料及方法

試驗用Q690鋼化學成分見表1。焊接設備為YD-500氣體保護焊機，試樣采用K形坡口，坡口角度為45°，采用多層多道焊接工藝，層間溫度控制在100～150℃，焊接電流215 A，焊接電壓24.6 V，焊接速度2.42 mm/s，熱輸入為21.9 kJ/cm。焊后用HS620型數字式超聲波探傷儀探傷，在焊接接頭處截取試樣，在XCSL-17-18Y高溫實驗爐中分別加熱至420、470、520、570、620、670 ℃保溫90 min，之后隨爐冷至300℃左右，再空冷至室溫。在焊縫處截取沖擊試樣，經腐蝕確定熔合線位置，將缺口開在距熔合線0.5 mm以內的粗晶區。在JB30B型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度為-20℃，在HV-1000型顯微硬度計上測定試驗鋼試樣的維氏硬度，載荷為500 g，用QUANTA200型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察組織和斷口形貌。

表1 試驗用Q690鋼的化學成分（質量分數）%

3 試驗結果

圖1為不同溫度回火后Q690鋼粗晶區組織形貌，焊后粗晶區組織為條狀馬氏體，相鄰馬氏體條大致平行，420、470℃回火后馬氏體分解，在原奧氏體晶界及板條界處有碳化物析出（見圖1a、圖1b）。520、570℃加熱時有更多碳化物沿原奧氏體晶界及板條界析出（見圖1c、圖1d）。加熱溫度620℃時晶界處碳化物呈球狀，尺寸增加、數量減少，表明在此溫度時碳化物發生了聚集長大（見圖1e）。670℃加熱后相鄰馬氏體板條合并，已難分辨板條界，碳化物呈片狀分布（見圖1f）。

圖1 不同溫度加熱90 min的粗晶區組織形貌

圖2為不同溫度90 min回火處理后粗晶區力學性能變化，隨回火溫度提高，硬度大體上呈連續下降趨勢，在570℃以下溫度加熱時硬度變化較小，在620℃以上溫度加熱時，硬度大幅降低。420、470℃回火后粗晶區沖擊韌性提高，520、570℃加熱后沖擊韌性顯著降低，620、670℃加熱后沖擊韌性再次升高。

圖2 不同溫度加熱90 min回火處理后粗晶區的力學性能

圖3 為試樣經570℃90 min回火處理的沖擊斷口掃描電鏡二次電子像（SEM像），可見斷口存在兩種典型形貌，一是呈現多面體外形的冰糖狀形態，晶粒界面光滑；另一種為韌窩斷口（圖3箭頭所指），界面不光滑，存在大量的小韌窩。

圖3 570℃90 min回火處理后試樣的沖擊斷口形貌

4 分析討論

Q690鋼碳含量較低，焊后粗晶區組織為條狀馬氏體，回火前固溶的碳偏聚于板條馬氏體內位錯處，有較高的強化作用［4］，回火過程中碳化物脫溶析出，碳的固溶強化作用減弱，但晶界處析出的碳化物沉淀能阻礙位錯運動，起強化作用，因此在較低溫度回火時，粗晶區硬度變化較小。在較高溫度回火時碳化物聚集長大，強化作用降低，粗晶區硬度大幅降低。

回火促使馬氏體分解，對提高韌性是有利的，但在520～570℃回火處理后韌性大幅降低，斷裂方式為沿晶斷裂，這說明該溫度回火處理導致了晶界弱化，使晶界成為裂紋擴展的優先通道。520～570℃回火處理時晶體內間隙原子脫溶速率顯著加快，雜質原子偏聚晶界。Hill研究指出，雜質原子偏聚晶界降低了鐵素體/滲碳體界面能［6］，因此雜質原子偏聚與碳化物晶界沉淀互相促進，導致了粗晶區組織脆化、沖擊韌性降低。其他溫度回火時，晶界處碳化物的聚集量未能引起材料回火脆的發生，其深入的原因還有待進一步的量化分析。

5 結 論

焊后粗晶區組織為條狀馬氏體，570℃以下溫度回火后馬氏體分解，晶界處有碳化物析出，硬度變化較小；620℃以上溫度回火后，碳化物粗化，硬度大幅下降。回火處理能提高粗晶區沖擊韌性，但在520～570℃回火時粗晶區沖擊韌性降低，沖擊斷口為沿晶斷裂，這種回火脆與該溫度區間熱處理時晶界處的雜質原子偏聚與碳化物晶界沉淀有關。建議工程應用Q690鋼時，焊接接頭避免在520～570℃溫度進行回火處理。

［1］ 李貞順，李勝利，朱新德，等.熱循環方式對Q690 TMCP鋼粗晶區組織和性能的影響［J］.材料熱處理學報，2014（2）：121-125.

［2］ 孟堯，羅鵬，胡聰，等.熱循環峰值溫度對Q690鋼熱影響區組織與韌性的影響［J］.熱加工工藝，2013（17）：43-45.

［3］ 尹士科，高穎.焊后熱處理對焊縫金屬力學性能的影響［J］.機械制造文摘（焊接分冊），2013（4）：1-5.

［4］ 徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體［M］.北京：科學出版社，1980.

［5］ 陸湄江.高強度鋼的回火脆性與斷裂方式轉換［J］.安徽工學院學報，1985（1）：13-25.

［6］ Hill RGC,Martin JW.A Fractographic Study of Some Temper-Brittle Steels［J］.Metal Treatment and Drop Forging，1962，29：301-306.