Q345FRE高鈮耐火鋼模擬焊接熱影響區高溫拉伸性能

崔強， 劉攀， 孟令明， 王紅鴻

(1.南京鋼鐵有限公司，南京 210035；2.武漢科技大學,高性能鋼鐵材料及其應用省部共建協同創新中心，武漢 430081)

0 前言

耐火鋼以其在高溫(600 ℃)時仍保持2/3室溫強度的特點[1-2]，可保證在發生火災時，有充分的時間進行生命及財產的轉移和救助，在低Mo成分設計時，具有比涂層更優異的經濟性，再加上可進行大熱輸入焊接的高效性，成為當今及今后高層建筑用的重要材料[3-6]。

高層建筑在采用耐火鋼進行箱、梁、柱等框架結構的焊接時，焊接熱影響區(Heat affected zone, HAZ)經受峰值溫度從室溫到近熔點的焊接熱循環，某些區域的溫度遠遠高于相變臨界溫度，不僅發生奧氏體相變，且晶粒顯著長大；在隨后的連續冷卻過程中，生成過熱組織、或發生貝氏體不完全相變、或馬氏體相變，往往是焊接結構中性能(尤其是低溫沖擊韌性)惡化的區域[7-8]。文獻[9]采用熱模擬方法研究了耐火鋼粗晶區(Coarse-grained heat affected zone, CGHAZ)的連續冷卻相變行為，得到了不同冷卻速度下的粗晶區的組織。現有報道的研究工作，更多關注在熱影響區的低溫沖擊韌性[10]。然而，該課題組[11]在進行耐火鋼15～75 kJ/cm埋弧焊實際焊接接頭組織與性能研究時發現，高溫拉伸通常斷裂在焊接熱影響區部位，可知，高溫拉伸的薄弱環節也出現在焊接熱影響區。因此，應對耐火鋼焊接熱影響區的高溫拉伸進行系列的研究。

采用熱模擬方法，對Q345FRE耐火鋼進行單道次、雙道次不同焊接熱循環峰值溫度及不同焊接熱輸入(t8/5時間)、經歷一次過火和二次過火情況下，焊接熱影響區的高溫拉伸性能進行了研究，以期對實際焊接接頭的性能分析提供理論和試驗數據。

1 試驗材料與方法

試驗鋼為南京鋼鐵有限公司研發的復合高強耐火鋼Q345FRE，通過低碳低錳低鉬高鈮的化學成分設計見表1，在TMCP供貨狀態下，達到了優異的室溫和高溫力學性能，見表2。

表1 Q345FRE復合高強耐火鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 Q345FRE復合高強耐火鋼的力學性能

采用Gleeble-3500熱模擬試驗機，模擬熱影響區然后進行高溫拉伸，單道次、雙道次及不同熱輸入下的熱模擬工藝及高溫拉伸工藝見表3，二次高溫拉伸的焊接熱影響區模擬工藝、熱處理模擬工藝及高溫拉伸工藝見表4。模擬不同峰值溫度的焊接熱影響區、多道次焊接熱影響區、不同t8/5時間的熱影響區，研究不同狀態下熱影響區的高溫拉伸性能、二次高溫拉伸及其變化規律。

表3 單道次、雙道次及不同熱輸入下的熱模擬工藝及高溫拉伸工藝

表4 二次高溫拉伸的焊接熱影響區模擬工藝、熱處理模擬工藝及高溫拉伸工藝

熱模擬試樣為φ10 mm×120 mm，如圖1所示，取自于垂直鋼板軋制方向，中間受到熱模擬寬度約為10～15 mm，為確保拉伸大部分發生在熱模擬區，將中間15 mm平滑減徑到6 mm。

圖1 熱模擬試樣的尺寸

2 試驗結果

2.1 單道次不同峰值溫度下模擬HAZ的600 ℃高溫拉伸試驗結果

圖2為單道次模擬不同峰值溫度下的熱循環曲線，峰值溫度為1 320 ℃，1 150 ℃，870 ℃，650 ℃，分別模擬粗晶區(CGHAZ)、完全重結晶區(Fine-grained heat affected zone, FGHAZ,Ac3

圖2 單道次不同峰值溫度下模擬熱影響區的600 ℃高溫拉伸

表5 母材及單道次不同峰值溫度下的600 ℃高溫拉伸試驗結果

2.2 雙道次不同峰值溫度下模擬HAZ的600 ℃高溫拉伸試驗結果

模擬雙道次熱循環曲線的工藝是：第一次熱循環峰值溫度為1 320 ℃，第二次分別為1 320 ℃，1 150 ℃，870 ℃和650 ℃，模擬CG-CGHAZ，CG-FGHAZ，CG-ICHAZ和CG-SCHAZ。圖3a為雙道次模擬不同峰值溫度的熱循環曲線，圖3b為600 ℃高溫拉伸的應力-應變曲線，試驗結果列于表6中。CG-CGHAZ仍具有最高比母材的屈服強度和抗拉強度。CG-FGHAZ的屈服強度低于母材、抗拉強度高于母材。CG-ICHAZ仍是比母材低的、且HAZ最低的屈服強度和抗拉強度的區域。CG-SCHAZ的屈服強度低于母材、抗拉強度卻高于母材。

表6 雙道次不同峰值溫度下的600 ℃高溫拉伸試驗結果

圖3 雙道次不同峰值溫度下模擬熱影響區的600 ℃高溫拉伸

與單道次模擬熱循環峰值溫度相比，CG-CGHAZ，CG-FGHAZ，CG-ICHAZ和CG-SCHAZ的抗拉強度均提高，而屈服強度只有CG-CGHAZ提高，其它區域均降低或維持。CG-ICHAZ是模擬HAZ中強度最低的區域。

2.3 模擬ICHAZ在不同t8/5時間下的高溫拉伸試驗結果

模擬ICHAZ的不同t8/5時間，其熱循環曲線如圖4a所示，其高溫拉伸的應力-應變曲線如圖4b所示，結果列于表7中，結果表明：屈服強度隨著t8/5增加而提高，到t8/5為80 s時達到最大，之后t8/5為120 s時降低。抗拉強度隨著t8/5增加而提高，到t8/5為50 s時達到最大值，之后逐漸降低。

表7 模擬ICHAZ的不同t8/5時間下的600 ℃高溫拉伸試驗結果

圖4 模擬ICHAZ在不同t8/5時間下的高溫拉伸

2.4 模擬ICHAZ在不同t8/5時間下的二次拉伸試驗結果

模擬ICHAZ在不同t8/5時間下的二次高溫拉伸，應力-應變曲線如圖5所示，結果列于表8中，可以得知：隨著t8/5的增加，屈服強度的變化無規律；抗拉強度略有下降，t8/5為80 s時小幅度提高，之后繼續降低。與一次高溫拉伸相比，經過模擬二次過火，模擬熱影響區的屈服強度在t8/5小于30 s時降低，大于50 s時提高；抗拉強度整體降低，幅度在10 MPa左右，只在t8/5為50 s時小幅提高。

圖5 模擬ICHAZ在不同t8/5時間下的二次拉伸

表8 模擬二次600 ℃高溫拉伸的試驗結果

3 分析與討論

Gleeble熱模擬方法是研究焊接熱影響區組織與性能的常用方法，尤其對于研究變化規律有較好的可靠性。但是模擬畢竟與實際情況有差別，不能以模擬的結果對應實際焊接熱影響區的組織與性能。文中采用熱模擬方法進行高溫拉伸試驗，需要說明：由于試樣為非標尺寸，模擬試驗值不能代表實際焊接影響區的強度值，只用于研究其變化規律。

3.1 焊接熱循環峰值溫度對高溫拉伸強度的影響

焊接熱循環峰值溫度從650 ℃到1 320 ℃，模擬了不同的焊接熱影響區，表5及表6數據表明：焊接熱循環峰值溫度870 ℃時，模擬不完全重結晶區，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度均為最低，是單道次熱影響區強度最低的區域。不完全重結晶區處于部分組織發生逆轉變奧氏體的區域，由于C，Mn等元素的擴散和在奧氏體中的富集，冷卻至室溫時形成兩相(鐵素體+貝氏體或馬氏體)，部分鐵素體相的存在使得在高溫拉伸時，屈服強度決定于鐵素體相的強度[12]。焊接熱循環峰值溫度1 320 ℃時，模擬粗晶區，其600 ℃高溫抗拉強度最高。粗晶區是全部組織完成了逆轉變奧氏體相變、且經歷了晶粒充分長大的區域，隨后冷卻下來形成了粗大的貝氏體組織，有一些硬脆性，如M-A組元生成，因而，具有較高的強度[13-14]。焊接熱循環峰值溫度650 ℃時，模擬時效脆化區，其600 ℃高溫屈服強度最高，可能是由于部分Nb，V，Ti的碳氮化物析出，起到了析出強化的作用[15]。焊接熱循環峰值溫度1 150 ℃時，模擬完全重結晶區，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度居中。

模擬雙道次焊接熱循環，峰值溫度為1 320 ℃+870 ℃時，模擬粗晶臨界熱影響區，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度均為最低，且低于單道次不完全重結晶區的強度，是整個熱影響區強度最低的區域。峰值溫度為1 320 ℃+1 320 ℃時，模擬兩次粗晶區，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度最高，且高于單道次粗晶區的強度，是整個熱影響區強度最高的區域。其它兩個區域的強度居于其中。

3.2 t8/5對高溫拉伸強度及二次高溫拉伸強度的影響

試驗數據表明峰值溫度為870 ℃時高溫強度最低。因而，研究不同熱輸入對熱影響區強度的影響時，設定峰值溫度為870 ℃時的不完全重結晶區。表7及8數據表明：高溫強度不隨t8/5的增大而呈單調變化。隨著t8/5從15 s增加到80 s時，高溫抗拉強度逐漸提高；到120 s時又降低。結果表明：該耐火鋼在經過t8/5為80 s的較大熱輸入焊接時，仍具有較高的高溫抗拉強度。

模擬二次過火時，高溫屈服強度沒有表現出隨t8/5增大而單調變化趨勢。t8/5從15 s增加到80 s，高溫抗拉強度數值相近，且數值沒有明顯低于一次高溫拉伸的抗拉強度，即模擬焊接熱影響區具有較好的抗二次火災的強度性能。

Q345FRE耐火鋼含有較高的Nb元素，Nb元素對連續冷卻相變行為有較大的影響，會促進粗晶區的M-A組元生成[16]，從而降低沖擊韌性，是沖擊韌性不穩定的主要原因。對于Nb元素對不完全重結晶區的組織影響、從而引起對高溫拉伸性能影響的無規律性，需要深入研究。

4 結論

(1)在整個焊接熱循環區，無論是單道次還是雙道次，模擬不完全重結晶區的、焊接熱循環峰值溫度870 ℃的區域，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度最低，是強度最薄弱的區域。模擬粗晶區、焊接熱循環峰值溫度1 320 ℃的區域，其600 ℃高溫屈服和抗拉強度最高，高于母材的強度。

(2)模擬不完全重結晶區，焊接熱輸入(t8/5時間)對600 ℃高溫屈服和抗拉強度影響無明顯規律。在t8/5≤80 s的熱輸入焊接時，經過二次過火，模擬不完全重結晶區的強度沒有降低。