Q690高强钢热影响区显微组织和性能研究_李亚江

J- 2011年第6期 总第102期12现代焊接 现代焊接新技术、新设备、新工艺、新成果 现 代 焊 接 Modern Welding 作者简介：李亚江（1954-），男，博士，山东大学教授（博 士生导师），毕业于山东大学，所学专业：焊接，主要从事 异种材料及特种焊接技术的教学与科研工作。 Q690高强钢热影响区显微组织和性能研究 山东大学材料科学与工程学院 李亚江 暴一品 蒋庆磊 马群双 摘 要 关键词 ： ： 本文在不预热的条件下用Ar+CO 混合气体保护焊的方法焊接Q690低合金高强钢，研究热输入对焊接热影响 区显微组织、显微硬度和冲击韧性的影响。结果表明，随着焊接热输入的增加，热影响区显微组织由板条状马氏体 +贝氏体+针状铁素体转变为板条状马氏体+粒状贝氏体+上贝氏体。贝氏体和针状铁素体等中温转变产物有效细化了 奥氏体组织，有利于提高热影响区的冲击韧性。焊接热输入提高到约20kJ/cm以上时，在奥氏体内形成粒状贝氏体和 上贝氏体，造成焊接热影响区冲击韧性的降低。 低合金高强钢；焊接；冲击韧性；力学性能 2 低合金高强钢具有高强度、高韧 性及良好的焊接工艺性能，但是在焊 接参数控制不当的情况下，焊接热影 响区会出现性能恶化问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。热影响区 的显微组织主要受母材化学成分、原 始组织和焊接热输入的影响。在焊接 热循环的作用下，邻近焊缝的热影响 区显微组织发生了显著的变化。焊接 加热过程中，母材原始组织转变成奥 氏体，析出物变粗或消失；冷却过程 中发生重结晶和组织转变形成马氏体、 铁素体和贝氏体等。 随着热影响区峰值温度的升高， 奥氏体晶粒显著长大形成粗大的晶粒。 奥氏体晶粒的长大，导致焊接接头力 学性能的降低；而且残余应力会存在 于焊接接头中 。热影响区的强韧性 取决于有效晶粒的大小，因此控制热 影响区中有效晶粒尺寸的大小对提高 热影响区的性能是有利的。本文在不 预热的条件下采用Ar+CO混合气体保 护焊方法焊接Q690低合金高强钢。采 [2] [3,4] 2 用光学显微镜（OM）和扫描电子显微 镜（SEM）研究热输入对Q690钢热影 响区的显微组织、冲击韧性的影响。 郑州煤矿机械集团有限责任公司 对煤矿液压支架用Q900高强钢的焊接性 进行了研究 ，采用热模拟方法测定了 SHT900D钢焊接CCT图，对SHT900D钢 焊接强韧性匹配进行了试验研究。通 过斜Y型坡口试验、插销试验及热影 响区最高硬度试验等对低强匹配焊接 工艺进行了优化设计，研究成果已应 用于6.2m和6.3m高端液压支架焊接中。 高有进 等针对煤矿机械用屈服强 度900MPa级高强钢板焊接工艺特点， 研究了该钢材焊接热影响区组织转变 规律、焊接冷裂纹敏感性及焊接工艺 参数对焊接接头组织性能的影响。结 果表明，SHT900D钢有较强的淬硬倾 向，焊接过程中应采取必要的措施防 止焊接冷裂纹的产生；焊接工艺参数 对焊接接头组织和性能均有一定的影 响，为确保焊接质量，应合理控制焊 1 研究现状 [5] [6] 接热输入量及焊道间温度。研究成果 已成功应用于高端液压支架的焊接。 兰州理工大学陈剑虹和钢铁研究 总院田志凌 等采用焊接热模拟的方法, 研究了Q980低碳贝氏体高强钢焊接热 影响区不同区域的组织性能。研究表 明，粗晶区组织为均匀的粗细相间的 板条状贝氏体组织，在板条状贝氏体 上弥散析出碳化物，板条状贝氏体界 面上的奥氏体薄膜使粗晶区韧性提高。 细晶区为孪晶马氏体+少量的板条状马 氏体，孪晶马氏体是导致细晶区性能 下降的主要原因。 山东大学与郑州煤矿机械集团针 对Q550和Q690高强钢，研究不同焊丝 强韧性匹配对焊缝组织、接头抗拉强 度及冲击韧性的影响 。结果表明， 使用MK·G60-1焊丝可获得以针状铁 素体为主的焊缝组织。焊缝中沿晶界 分布的先共析铁素体在承受拉应力时 易萌生裂纹，提高焊缝中针状铁素体 含量可以提高接头抗拉强度和韧性。 采用MK·G60-1焊丝接头抗拉强度接 近母材的抗拉强度，断裂发生在熔合 [7] [8,9] Study on microstructure and performance of the heat-affected zone of Q690 high strength steel Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 材料 化学成分（质量分数，%） C 0.08 0.09 Mn 1.47 1.70 Si 0.24 0.65 Cr 0.43 0.09 Ni 0.26 — Mo 0.32 — Ti — 0.11 P 0.020 0.011 S 0.009 0.017 Fe 余 余 Q690 MK·G60-1 附表 试验用钢和焊丝的化学成分 现代焊接ModernWelding 现代焊接 2011年第6期 总第102期 J-13 区。焊接接头热影响区的冲击韧性最 高，而熔合区的抗拉强度和韧性最低。 焊缝冲击断口纤维区均以穿晶断裂为 主，断口韧窝产生的机理是微孔聚集 型，针状铁素体区对应的韧窝较大， 先共析铁素体对应的韧窝较小。 试验用钢板为Q690低合金高强钢, 显微组织如图1所示，可见其显微组织 主要为贝氏体（B）。焊接试板尺寸为 300mm×148mm×20mm，接头型式为 V型坡口平板对接，坡口角为70°， 钝边为4mm，板间缝隙2mm。试验用 焊丝为MK·G60-1焊丝，焊丝直径为 1.2mm。母材和焊丝化学成分见附表。 试验焊接设备为NBC-500型气体 保护焊机，保护气体为80%Ar+20%CO, 气体流量为18~20L/min，焊前不预热。 焊接工艺参数为：焊接电压30V，焊 接电流290A，焊接速度0.4~0.6cm/s。 分别用低（14.7kJ/cm）、中（16.4kJ/ cm）、高（19.8kJ/cm）三种焊接热输 入得到三种不同的焊接接头。制备焊 接接头热影响区金相试样，经打磨抛 光后采用5%硝酸酒精溶液进行腐蚀， 采用NikonAFX-IIA型金相显微镜和JSM 2 试验过程 2 -6610LV扫描电镜观察焊接接头热影响 区的显微组织。根据ASTME23标准， 将试样切割成10mm×10mm×55mm的 夏比V型缺口冲击试样，冲击试验设备 为300J金属材料冲击试验机，试验温 度为0℃。每组接头测定三个试样，取 其平均值作为接头冲击吸收功。 采用MK·G60-1焊丝，在低（14.7kJ /cm）、中（16.4kJ/cm）、高（19.8kJ /cm）三种焊接热输入条件下得到的 Q690低合金高强钢焊接接头的热影 响区的显微组织如图2所示。 图2（a）为采用低焊接热输入所 得到的热影响区的显微组织。从图中 可以看出，在低焊接热输入条件下得 到的热影响区的显微组织主要由板条 状马氏体组成。Q690钢含有较多的Ni, Cr，Mo合金元素，具有较大的淬硬倾 向，焊后冷却易得到淬火组织，并且 由于热输入小，焊后冷却速度增大， 因而形成的马氏体较多，即粗大的低 碳板条马氏体组织，马氏体的形貌呈 细长条状、多个板条平行排列，同方 向生长形成板条束，板条束之间呈大 倾角相交。板条内具有很高的位错密 度，韧性较好 。 采用中等焊接热输入所得到的热 3 试验结果及分析 3.1 热影响区的显微组织 [9] 影响区的显微组织如图2（b），除板 条状马氏体外，还包含贝氏体和针状 铁素体。邻近焊缝区的奥氏体晶粒中 的马氏体与焊缝区马氏体的方向大体 一致。贝氏体和针状铁素体的产生是 因为冷却速率较低，在金相转变的过 程中，奥氏体先转变成贝氏体或者针 状铁素体，然后再转变成马氏体。贝 氏体和针状铁素体的主要区别在于贝 氏体在奥氏体晶界形核，而针状铁素 体形核于奥氏体晶粒内部的非金属夹 杂物。针状铁素体晶粒较细小，有效 晶粒尺寸小；且其晶界为大角度晶界, 片间夹角较大，相互穿插生长对裂纹 扩展具有阻碍作用，可使焊接接头强 度和韧性提高。从图2（b）中可看出, 贝氏体、铁素体大体上垂直于马氏体。 随着焊接热输入的增加，热影响 区的显微组织中形成板条状马氏体、 粒状贝氏体和上贝氏体，如图2（c） 所示。粒状贝氏体会显著降低钢的韧 性。这主要是由于粒状贝氏体中的奥 氏体岛可有不同的转变产物或分解， 在冷却过程中当岛内某一部分转变为 M-A组元时，韧性下降 。上贝氏体由 于本身板条宽度大，且板条几乎平行 生长贯穿奥氏体晶粒，形成粗大的板 条束，有着最大的有效晶粒尺寸，对 裂纹扩展起阻碍作用的“有效”晶界 少，所以韧性很差 。用显微硬度计 在焊接接头热影响区处打点，压头施 加载荷为100g，加载时间为10s，板条 状马氏体的显微硬度为360HV，粒状 [10] [11] B 10μm 图1 Q690母材的显微组织 Administrator 高亮 Administrator 高亮 现代焊接 ModernWelding J- 2011年第6期 总第102期14现代焊接 贝氏体的显微硬度为300HV。 对不同焊接热输入条件下所得到 的焊接接头V形缺口冲击试样进行冲击 性能试验。焊接热输入与热影响区冲 击吸收功的关系如图3所示。随着焊接 热输入的增大，热影响区的冲击韧性 先增大后减小。当采用中等焊接热输 入时热影响区的冲击韧性最大。这是 由于焊接热输入的变化对热影响区的 显微组织产生了相应的影响。 当焊接热输入由低焊接热输入提 高到中等焊接热输入时，显微组织中 形成贝氏体和针状铁素体，将粗大的 奥氏体晶粒分割成较小的区域。因此, 在较低温度下形成的马氏体被局限在 一个更小的区域里。贝氏体和针状铁 素体对细化晶粒起到了重要的作用， 这种细化作用有利于提高热影响区的 冲击韧性。当焊接热输入提高到19.8 kJ/cm时，在奥氏体晶粒的晶界处析出 粒状贝氏体，粒状贝氏体会降低热影 响区的冲击韧性。因此，如图3所示, 焊接热输入的进一步提高会降低热影 响区的冲击韧性。 采用中等焊接热输入和高焊接热 输入所得到试样热影响区的冲击断口 形貌见图4所示。从图4（a）所示的断 口形貌可以看出该韧窝区具有良好的 塑性。热影响区中的韧窝大而深，部 分韧窝被拉长变形，有些韧窝甚至相 3.2 冲击韧性和断口 互贯通，大韧窝中间有少量小韧窝区, 对应组织中少量的晶界铁素体；韧窝 中可观察到微孔存在，韧窝中的夹杂 物粒子及微孔说明了延性韧窝的产生 机理为微孔聚集型断裂，断口中形成 的不同韧窝尺寸是由于裂纹在晶界铁 素体上快速扩展，消耗能量较少，形 成的韧窝就小而浅；而晶内针状铁素 体对裂纹扩展抵抗能力强，塑性变形 较大，从而消耗能量相对较大，形成 的韧窝就也较大。在韧窝中存在少量 的白色第二相粒子，韧性较好，这主 要是因为具有一定韧性的低碳马氏体 的存在。当采用更高的焊接热输入时, 从图4（b）可以看到冲击试样的断口 由韧窝形貌转变为韧窝和撕裂棱的混 合形貌。由于在高热输入下马氏体组 织晶粒较粗大，解理强度较低，裂纹 沿板条束扩展的距离就大，裂纹扩展 也就迅速；同时粗晶区中形成了上贝 氏体组织，上贝氏体组织板条结晶方 向位相差很小，解理裂纹在上贝氏体 板条组织中可连续贯穿，对应着较低 的解理断裂应力，使冲击韧性降低。 由于在撕裂棱处容易形成裂纹，可以 进一步确定，粒状贝氏体的形成不利 于热影响区的冲击韧性和塑性。 4.1 当焊接热输入由14.7kJ/cm增加到 16.4kJ/cm时，焊接接头热影响区的显 4 结束语 微组织由板条状马氏体转变为板条状 马氏体+贝氏体+针状铁素体，当焊 接热输入继续增加到19.8kJ/cm时，热 影响区的显微组织转变为板条状马氏 体+粒状贝氏体+上贝氏体。 4.2 在中等焊接热输入（16.4kJ/cm） 的条件下所得到的热影响区的冲击韧 性最高。中等焊接热输入条件下形成 的贝氏体和针状铁素体能够避免热影 响区奥氏体晶粒粗化，而高焊接热输 入（19.8kJ/cm）条件下形成的粒状贝 氏体降低了热影响区的冲击韧性。 参考文献 [1]李亚江,王娟, 刘鹏.低合金高强钢焊接及工程应 用[M].北京:化学工程出版社,2003. 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