1400 MPa级超高强钢SH-CCT曲线及其热影响区组织和性能.pdf

1 400 MPa 级超高强钢 SH-CCT 曲线及其热影响区组织和性能曹志龙1,2，朱浩2，安同邦1，王晨霁2，马成勇1，彭云1(1.钢铁研究总院,北京,100081；2.石家庄铁道大学,石家庄,050043)摘要：采用 Formastor-F 全自动相变仪，结合光学显微镜(OM)和维氏硬度测试，研究不同冷却速率对 1 400MPa 级超高强钢焊接热影响区(HAZ)粗晶区组织转变和性能的影响规律，绘制焊接连续冷却转变曲线(SH-CCT)，结合焊接工艺试验，采用公式法确定最佳焊接工艺参数.结果表明，1 400 MPa 级超高强钢马氏体临界转变冷却速率约为 5/s，当冷却速率大于 5/s 时，热影响区粗晶区组织为单一板条马氏体，硬度值为 487 509 HV5，冷却速率小于 5/s 时，粗晶区组织中出现中高温相变产物，即板条贝氏体、粒状贝氏体和铁素体等组织，硬度值下降为 487 260 HV5，同时组织中还出现 M-A 组元，其含量随冷却速率降低先增加后减少，形态也由弥散颗粒状变为断续长条状或块状分布；厚度 8 mm 的 1 400 MPa 级超高强钢焊接时，热输入控制在 20 kJ/cm 以内，粗晶区组织为板条马氏体，硬度维持在 500 HV5 左右，粗晶区不发生软化现象，满足工程使用要求.创新点：(1)通过热模拟方法探究冷却速率对 1 400 MPa 级超高强钢焊接热影响区组织转变和性能的影响规律，测定 SH-CCT 曲线.(2)通过 DVwer 经验公式计算热输入与 t8/5的关系，确定最佳焊接工艺参数，结合焊接工艺试验进行验证，研究结果对 1 400 MPa 级超高强钢焊接工艺制定提供理论和技术支撑.关键词：1400MPa 级超高强钢；冷却转变曲线；焊接热影响区组织；M-A 组元中图分类号：TG406；TG142.1文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202209130010序言“绿色发展”是“中国制造 2025”的基本方针之一，而传统制造业由于科技水平的限制，钢结构的使用和设计上往往使用低强度、重量大的钢种，对资源产生极大地消耗1-2.在绿色发展的时代背景下，钢结构逐渐向轻量化和大型化的方向发展，钢材也逐渐向超高强度方向发展，超高强度钢是指室温下抗拉强度超过 1 470 MPa，屈服强度超过1 380 MPa 的合金钢，它不仅具有较高的抗拉强度和屈强比，同时兼备较好的塑韧性，被广泛应用于工程机械、压力容器、海洋工程、军用装备等钢结构领域3-5.焊接作为钢结构连接的主要方式，决定着钢结构的质量，高强钢在焊接过程中，快速加热、冷却和峰值温度高的焊接热循环使得靠近焊缝区的热影响区粗晶区晶粒粗大，易产生粒状贝氏体和M-A 组元等，对韧性不利，而且不合理的焊接工艺会造成热影响区软化现象，严重影响焊接接头性能6-7，深入研究高强钢焊接热影响区粗晶区组织转变规律、制定合理的焊接工艺、改善其性能是超高强度钢结构应用的基础和前提.国内外大量学者对高强钢焊接热影响区组织转变开展研究.Wu 等人8对 Q&P980 高强钢 SH-CCT 曲线及热影响区粗晶区组织进行研究，结果表明冷却速率不小于 20/s 时，组织为马氏体，硬度保持在 450 460 HV5，不会发生软化现象；蒋庆梅等人9对 1 000 MPa 级高强钢 SH-CCT 曲线及热影响区粗晶区组织进行研究，结果表明 t8/5 20 s 时，组织为贝氏体，t8/5 60 s 时，热影响区出现软化现象；方俊飞等人10对1 100 MPa 级高强钢 SH-CCT 曲线及热影响区组织进行研究，结果表明 t8/5 60 s 时，热影响区组织为贝氏体，冷却速度介于两者之间为马氏体/贝氏体混合组织；收稿日期：20220913基金项目：国家重点研发计划(2017YFB0305105)第44卷第8期2 0 2 3 年 8 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(8):109 115August 2023Weglowski 等人11对超高强度 Weldox 1300 钢焊接热影响区组织进行了研究，结果表明 t8/5在 2.5 4 s 时，热影响区组织为马氏体，t8/5为 4 60 s 时，组织为马氏体/贝氏体混合组织，冷却时间更长，组织为马氏体、贝氏体、铁素体混合组织，且冷却时间控制在 24 s 以内，硬度超过 450 HV10.综上所述，冷却速率对不同强度级别高强钢焊接热影响区组织转变规律的影响不同，且随着强度级别的提升，低温转变的冷却速率范围更小，即实际焊接的工艺窗口更小，更难获得性能良好的焊接接头.以上研究都集中于 1 300 MPa 及以下高强钢，对强度超过 1 400 MPa 高强钢焊接热影响区组织转变特点鲜见报道.文中通过热模拟方法探究冷却速率对 1 400 MPa 级超高强钢焊接热影响区组织转变和性能的影响规律，测定 SH-CCT 曲线，并通过 DVwer 经验公式计算热输入与 t8/5的关系，从而确定最佳焊接工艺窗口，最后结合焊接工艺试验进行验证，研究结果对 1 400 MPa 级超高强钢焊接工艺制定提供理论和技术支撑.1试验方法采用国内某钢铁厂生产 8 mm 厚调质态 1 400MPa 级超高强度低合金高强钢，其化学成分见表 1.由表可知，试验钢 C 元素含量为 0.24%，通过加入Si，Mn，Ni，Cr 和 Mo 等合金元素增加钢的淬透性，Si 为常见的固溶强化元素，Cr 和 Mo 元素为中强碳化物形成元素，均可提高钢材强度，Mn 和 Ni 均为奥氏体化元素，可降低转变温度，增加奥氏体稳定性，提高钢材塑韧性.表 1 试验用钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of the experimental steel CSiMnPSCrNiMoFe0.240.230.930.00490.0010.381.160.55余量 试验钢显微组织及力学性能见图 1 和表 2.由图 1 可知，试验钢微观组织为细小的回火板条马氏体，板条马氏体间存在回火产生的碳化物.由表 2可知，试验钢屈强比为 0.90，40 冲击吸收能量达到 36 J，表明该钢板在保证强度的同时，具有良好的低温韧性.5 m 图 1 试验用钢显微组织形貌Fig.1 Microstructure of experimental steel 表 2 试验用钢力学性能Table 2 Mechanical property of the experimental steel 抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断后伸长率A(%)40 冲击吸收能量AKV/J165014809.536 为研究试验钢不同冷却速率下热影响区粗晶区组织转变规律，采用 Formastor-F 全自动相变仪进行热模拟试验，试验过程采集了温度-膨胀量曲线，具体模拟参数如图 2 所示，热模拟试样尺寸为3 10 mm.通过切线法可获得不同冷却速度下膨胀曲线拐点位置的相变温度，结合组织和硬度绘制试验钢 SH-CCT 曲线，该曲线可判断不同冷却速率下钢材的淬硬倾向，从而合理制定焊接工艺，具体试验过程依据 YB/T 51272018钢的临界点测定方法和 YB/T 51282018钢的连续冷却转变曲线图的测定 膨胀法进行.02004006008001 0001 2001 400温度 T/时间 t/s1 320,1 s120/s100/s800 图 2 模拟焊接热循环曲线Fig.2 Simulating thermal cycle curve 采用熔化极气体保护焊，保护气体为 80%Ar+20%CO2，气体流量为 20 L/min，焊丝为 1.2 mm110焊 接 学 报第44卷GHS 110 焊丝，焊接设备为 TransPuls 5000 焊机，焊接参数列于表 3.首先对热模拟试样、焊接试验金相试样进行砂纸研磨、机械抛光后，采用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液和 Lepera 试剂对热模拟试样浸蚀，最后用 Olympus GX51 型光学显微镜对显微组织进行观察，采用 HV-5 型维氏硬度计进行硬度测试，载荷为 49 N，加载时间为 10 s.表 3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters 试样电弧电压U/V焊接电流I/A热输入E/(kJcm1)118170 1808227260 27014 2结果与分析 2.1 冷却速率对粗晶区微观组织的影响不同冷却速率下试验钢热影响区粗晶区微观组织如图 3 所示，由图 3 可知随着冷却速率从50/s 降低至 0.05/s，热影响区粗晶区组织经历了从板条马氏体(LM)板条贝氏体(LB)+粒状贝氏体(GB)粒状贝氏体粒状贝氏体+少量铁素体(F)、珠光体(P)的转变过程；冷却速率在 50 5/s 时，组织均为低温相变组织板条马氏体，冷却速率小于 5/s 时，组织中出现板条贝氏体，故马氏体临界转变温度约为 5/s；随着冷却速率降低，晶粒尺寸及板条马氏体亚结构(板条块)均有增大趋势，板条间距也随之增加12，这是因为冷却速率降低致使过冷度减小，相变驱动力和形核率等均降低，导致晶粒尺寸和板条马氏体亚结构增大.冷却速率在 2 0.1/s 时，板条马氏体消失，粗晶区组织由中温相变组织板条贝氏体和粒状贝氏体组成.冷却速率从 2/s 降低至 0.3/s 时，组织中以板条贝氏体为主并伴随少量粒状贝氏体；随着冷却速率降低原奥氏体晶内亚结构逐渐合并长大，晶界逐渐模糊取向愈不明显，且粒状贝氏体逐渐增加.冷却速率从 0.3/s 降低至 0.1/s 时，板条贝氏体逐渐消失，组织以粒状贝氏体为主，但其数量减少尺寸增加，这是因为板条组织形成需要 20 m(a)50/s(b)30/s(c)20/s(d)10/s20 m20 m20 m20 m(e)5/s(f)2/s(g)1/s(h)0.5/s20 m20 m20 m20 m(i)0.3/s(j)0.15/s(k)0.1/s(l)0.05/s20 m20 m20 mGBGBGBGBGBGBPFGBLBLBLBLB 图 3 不同冷却速率下试验钢粗晶区组织Fig.3 Microstructure of the experimental steel in the coarse-grained region under different cooling rates.(a)50/s;(b)30/s;(c)20/s;(d)10/s;(e)5/s;(f)2/s;(g)1/s;(h)0.5/s;(i)0.3/s;(j)0.15/s;(k)0.1/s;(l)0.05/s第8期曹志龙，等：1400MPa 级超高强钢 SH-CCT 曲线及其热影响区组织和性能111较快的冷却速率，而随着冷却速率降低，合金元素扩散充分，C 原子也可进行长程扩散，从而使富碳奥氏体增多，促进粒状贝氏体产生并不断长大，从而板条贝氏体相对减少13.冷却速率为 0.05/s时，组织依然以粒状贝氏体为主，但由于冷却速率小，高温停留时间足够长，促使扩散型相变发生，组织中出现少量珠光体和多边形铁素体.当冷却速率不大于 2/s 时，组织中开始出现粒状贝氏体，粒状贝氏体组织是由贝氏体铁素体基体上分布着细小条状或颗粒状 M-A 组元构成，而M-A 组元是热影响区韧性劣化因素，所以研究冷却速率对 M-A 组元的影响对改善热影响区性能是十分必要的.2.2 冷却速率对粗晶区 M-A 组元的影响M-A 组元由残余奥氏体和孪晶马氏体构成，且为硬脆相，M-A 组元的存在使位错塞积造成应力集中，另一方面，较大尺寸 M-A 组元脱落形成孔洞，在拉伸过程中孔洞会聚集长大成为微裂纹，且 M-A 组元会使得塑性变形不均匀，对韧性不利14-16.采用 Lepera 试剂腐蚀热模拟试样，观察不同冷却速率对 M-A 组元的影响，结果如图 4 所示，由图 4 可知不同冷却速率下 M-A 组元为沿着原始奥氏体晶界生长的亮白色组织