高強高韌Q420qE橋梁鋼SHCCT曲線測試與焊接工藝制定

譙明亮，王同良，康雙雙

（1.南京鋼鐵股份有限公司板材事業部，江蘇南京210035；2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島066004）

前言

中國鐵路橋梁正在向高速、重載、大跨和整體焊接節點方向發展，這對橋梁鋼提出了更高的要求[1]。不僅要求鋼板本身的強韌性匹配，同時為滿足焊接制造要求，焊接接頭同樣要求具有優良的性能，橋梁設計構造復雜，厚度規格繁多，焊接施工難度大。能否滿足高質量的不同形式的焊接要求，是需要研究和解決的關鍵技術問題。目前橋梁設計廣泛使用的是Q345~Q370qE，而高性能Q420qE目前用量較少，缺乏系統的研究。

SHCCT（Simulated Heat Affect Zone Continuous Cooling Transformation）曲線可以反應鋼材經歷熱循環后，不同冷卻速度條件下各相的轉變開始和終了溫度，可以比較準確的判斷焊接熱影響區的組織、性能。并可以通過不同冷速條件下的組織、硬度變化初步評定鋼板的焊接性，并為焊接工藝的制定提供參考。本文利用Gleeble 3500對高強高韌Q420qE進行SHCCT曲線測定，分析了不同冷速條件下組織、硬度變化規律，提出了適合高強高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗鋼為南鋼提供的Q420qE工業試制鋼板，利用260 mm連鑄坯生產的18 mm厚Q420qE。試驗鋼坯料經鐵水預處理、轉爐冶煉、LF＋RH精煉等冶煉工藝后，S、P等雜質元素含量水平很低，實際成分如表1所示。

表1 Q420qE鋼板的化學成分 （wt%）

1.2 試驗方法

熱模擬試樣從Q420qE工業試制鋼板上取樣，試樣尺寸Φ6×80 mm，在Gleeble-3500試驗機上進行了SHCCT曲線測定[2]，具體工藝如圖1所示：試驗鋼奧氏體化溫度為1 350℃，保溫時間3 s，加熱速度 100 ℃/s，之后分別以 1、1.5、2、3、5、10、15、25、50℃/s的冷速冷卻到200℃。通過熱膨脹儀實時采集膨脹曲線，利用切線法確定相轉變溫度點。針對不同冷速樣品，觀察金相組織形態，測試了維氏硬度。結合測試和觀察結果，繪制了試驗鋼的SHCCT圖，分析了冷卻速度對組織形態的影響規律。通過Gleeble 3500自帶HAZ軟件包，利用Rykalin 2D模型根據冷速反推大致的焊接熱輸入，初步提出了適合高強高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍。之后采用該模型模擬了試驗鋼在20、30、40、50、60 kJ/cm線能量下的熱循環工藝過程，試樣尺寸為10.5×10.5×75 mm，以驗證根據SHCCT曲線推測的熱輸入范圍，具體工藝參數如圖2所示。

用線切割在熱電偶附近的截面取樣，磨制拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕，在Axiover-200MAT金相顯微鏡下觀察不同冷速模擬試樣的金相組織形態；之后在FM-300型顯微硬度計上進行維氏硬度測試，載荷10 kg，加載時間10s，測試時每個試樣在熱電偶所在截面打6個點，取平均值作為對應冷速下的硬度值；用線切割截取熱電偶附近試樣，機械減薄至70 μm，電解雙噴后在JEM2100F型透射電鏡下觀察精細TEM組織。

為測試焊接熱循環試樣低溫沖擊韌性，將焊接熱循環試樣按GB/T 229加工成V形缺口沖擊樣品，缺口沿板厚方向開取，尖端位于熱電偶所在截面，進行沖擊功檢驗。

圖1 SHCCT曲線測工藝模擬示意圖

圖2 模擬焊接熱循環工藝圖

2 實驗結果與討論

2.1 試驗鋼的SHCCT曲線

利用切線法對不同冷速下試驗鋼的熱膨脹曲線進行處理，相變開始和相變終了溫度如表2所示。結合金相組織和顯微硬度，試驗鋼的SHCCT曲線如圖3所示。可以看出，在1～50℃/s的范圍內，相變開始溫度和終了溫度隨冷速的增加而降低；在1～5℃/s冷速范圍內，組織類型主要以粒狀貝氏體（GB）為主并含有少量的針狀鐵素體（AF）。隨著冷速的進一步增加到10℃/s，開始出現板條貝氏體（LB）；當冷速為＞15～50 ℃/s時，針狀鐵素體消失，且隨著冷速的增加，板條貝氏體含量增多、粒狀貝氏體含量減少。

表2 不同冷速下相變開始和終了溫度

圖3 Q420qE工業試制鋼板SHCCT圖

2.2 冷速對顯微組織的影響

觀察了試驗鋼在不同冷速下的金相組織，見圖4所示。可以看出，當冷速較低，為1℃/s時，組織類型主要以粒狀貝氏體為主，且晶粒尺寸粗大，如圖4 a）所示。當冷速增加到5℃/s時，組織類型仍以粒狀貝氏體為主，與1℃/s試樣相比，其晶粒尺寸明顯細化；針狀鐵素體僅占少數。當冷速為10℃/s時，開始出現板條貝氏體，且粒狀貝氏體晶粒尺寸進一步減小；當冷速增加到25℃/s時，組織類型變為以板條貝氏體為主，粒狀貝氏體的含量進一步降低尺寸進一步減小。

圖5為冷速為1℃/s和25℃/s時的TEM組織。可以看出，冷速較低為1℃/s時，貝氏體鐵素體基體呈大塊狀，且位錯密度較低；M-A島呈塊狀，主要分布在貝氏體鐵素體基體的三角晶界處。冷速較高為25℃/s時，貝氏體鐵素體基體呈細條狀或桿狀；M-A島呈也呈條狀分布于細長的貝氏體鐵素體基體之間。

2.3 冷速對顯微硬度的影響

利用Rykalin 2D模型根據T8/5時間反推的大致焊接熱輸入如表3所示，試驗鋼不同冷速下硬度隨冷速的變化趨勢如圖6所示。

圖4 典型冷速下試驗鋼金相組織

表3 不同線能量下試驗鋼的硬度

圖5 典型冷速下試驗鋼TEM組織

從圖6可以看出，隨著冷速的增加，硬度逐漸升高。當冷速≤3℃/s時，組織類型主要以粗大的粒狀貝氏體為主，如圖4 a)所示，硬度值基本維持在210左右。當冷速提高到5℃/s時，硬度迅速提高到240，此時，粒狀貝氏體組織明顯細化，如圖4 b)所示，硬度提高。當冷速提高到10℃/s時，組織中開始出現板條貝氏體，且粒狀貝氏體晶粒尺寸進一步細化，如圖4 c)所示，硬度進一步提高；隨著冷速提高到50℃/s，板條貝氏體含量增加、尺寸細化，硬度基本呈線性增加趨勢。通常來說，晶粒尺寸粗大的粒狀貝氏體低溫沖擊韌性很差，焊接熱影響區應盡量避免這類組織類型[3-5]；板條貝氏體由于存在Block結構，可以有效的細化原始奧氏體晶粒，同時Block界通常為大角度晶界，可以有效阻礙裂紋的擴展，提高低溫沖擊韌性[6-8]。

圖6 試驗鋼顯微硬度與冷速的關系

2.4 典型線能量對焊接熱影響區粗晶區韌性的影響

試驗鋼不同焊接線能量下的模擬焊接熱影響區粗晶區（CGHAZ）的維氏硬度和-40℃沖擊功如表4所示。可以看出試驗鋼模擬CGHAZ的-40℃沖擊功隨線能量的增加而降低。當線能量為20 kJ/cm時，沖擊功較高，為188 J；當線能量為40 kJ/cm時，沖擊功為49 J，滿足鐵路鋼橋制造規范-40℃低溫沖擊功不低于47 J的要求，并且，實際焊接通常為多層多道焊接，通過適當調整焊絲角度，可以使前一道焊縫的粗晶區進入后道焊縫的正火區范圍內，細化粗晶區組織，進一步提高焊接接頭熱影響區的低溫沖擊韌性；當線能量進一步增加到60 kJ/cm時，-40℃沖擊功降低至9 J。通過模擬不同熱輸入試驗硬度與SHCCT測試試驗硬度對比可知，HV10≥225時，模擬粗晶區低溫沖擊韌性滿足使用要求，SHCCT對應的大致冷速為3℃/s，熱輸入大致為45 kJ/cm，因此，可以初步判斷適合高強高韌Q420qE焊接的熱輸入范圍是45 kJ/cm以下。

3 結論

1）高強高韌Q420qE鋼SHCCT冷速為1~10℃/s時，組織類型主要以粒狀貝氏體為主，當冷速超過10℃/s時，開始出現板條貝氏體。

2）隨冷速的增加，相變開始和終了溫度降低，貝氏體鐵素體基體晶粒尺寸細化，由塊狀逐漸變為條狀，維氏硬度隨冷速的增加而增加。

表4 試驗鋼模擬CGHAZ沖擊性能測試結果

3）初步推斷高強高韌Q420qE鋼適合焊接的熱輸入范圍是45 kJ/cm以下。

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