控軋控冷Q460高強(qiáng)鋼焊接裂紋敏感性研究

肖德銘，王學(xué)，張祥貴，張永生，劉文虎，張兆弟，史文淵

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)天津電力建設(shè)公司，天津市 300041;2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢市 430072;3.綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧省葫蘆島市 125205)

0 引言

近年來，為解決日益增長的用電需求，我國正在加緊進(jìn)行特高壓、超高壓電網(wǎng)建設(shè)。采用高強(qiáng)鋼(Q460鋼)鋼管塔已成為輸電鐵塔的主要技術(shù)趨勢。在鋼管塔的推廣應(yīng)用中，高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)與鐵塔加工質(zhì)量密切相關(guān)，其焊接工藝要求較高［1-2］。本文對控扎控冷(thermo mechanical control process，TMCP)Q460高強(qiáng)鋼的強(qiáng)化機(jī)理、焊接裂紋敏感性等進(jìn)行研究，為焊接工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 TMCP Q460鋼簡介及強(qiáng)化機(jī)理分析

1.1 TMCP Q460鋼

降低合金元素含量和細(xì)晶化是目前Q460鋼的發(fā)展方向。近年來，隨著冶煉與軋制技術(shù)的進(jìn)步，特別是TMCP技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒鋼甚至超細(xì)晶粒鋼的出現(xiàn)，使Q460鋼的成分與強(qiáng)化機(jī)理發(fā)生了較大的變化。新開發(fā)的TMCP Q460鋼中不添加V元素，將Nb的用量控制在0.01% ～0.02%，化學(xué)成分與傳統(tǒng)16Mn鋼成分相近，在軋制態(tài)就可使用，大大降低了生產(chǎn)成本［3］。與傳統(tǒng)Q460鋼相比，通過采用控軋控冷工藝細(xì)化晶粒，改善性能，既可以節(jié)省合金元素，而且在軋制狀態(tài)下就具有較高的強(qiáng)度和塑韌性，因此可省去“正火+回火或淬火+回火”工藝，降低生產(chǎn)成本。

1.2 試驗(yàn)用TMCP Q460鋼

1.2.1 化學(xué)成分與力學(xué)性能

試驗(yàn)用TMCP Q460鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用TMCP Q460鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of Q460 steel(mass fraction)

由表1可以看出TMCP Q460鋼的含碳量較低，并且加入了少量微合金化元素Nb和Ti，此外S、P含量更低。

1.2.2 TMCP Q460鋼的力學(xué)性能

TMCP Q460鋼常溫下力學(xué)性能要求值如下:抗拉強(qiáng)度Rm≥600 MPa，屈服強(qiáng)度 σs≥505 MPa，延伸率δ≥20%。

TMCP Q460鋼沖擊韌性實(shí)測結(jié)果如下:室溫時(shí)測試試樣X1、X2、X3的實(shí)測平均值為256 J，－20℃時(shí)測試試樣 X4、X5、X6的實(shí)測平均值為 232 J，－40℃時(shí)測試試樣 X7、X8、X9的實(shí)測平均值為207 J。

上述測試數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)用TMCP Q460鋼韌性良好。

1.2.3 顯微組織

在TMCP Q460材料中取樣，磨制成光學(xué)金相試樣，用硝酸酒精腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察組織形貌，如圖1所示。用線切割機(jī)在材料中取0.4 mm左右的薄片，機(jī)械磨制成厚度約80 μm的薄膜，用電解雙噴法減薄穿孔，將制備好的薄膜試樣放入JEM－2010型透射電鏡中，觀察它們的組織精細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 TMCP Q460鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of TMCP Q460 steel

圖2 TMCP Q460鋼組織精細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Fine structure of TMCP Q460 steel organization

通過組織形貌觀察可以看出，TMCP Q460鋼以鐵素體為主，珠光體數(shù)量較少，晶粒度約為7級(jí)，但存在大小不均勻的現(xiàn)象。從圖2中可以看到基體中析出了大量非常細(xì)小的碳化物。

1.2.4 強(qiáng)化機(jī)理分析

上文的微觀分析結(jié)果表明，TMCP Q460鋼合金元素含量，特別是碳含量減少，難以得到較多的珠光體組織，其高強(qiáng)度主要是靠晶粒細(xì)化和碳化物的沉淀強(qiáng)化作用來獲得的。

在低碳鋼中加入一定量的V、Nb、Ti等微合金化元素，再通過控制軋制技術(shù)，如控制變形量、終軋溫度和冷卻速度等可以得到細(xì)小的鐵素體晶粒，使屈服強(qiáng)度成倍提高［4-5］。其細(xì)化晶粒的原理為，在熱變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶之前，有VC、NbC、TiC等微顆粒析出，它們推遲或阻止了奧氏體在軋制時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使等軸晶被壓扁。被壓扁的晶粒面積與體積之比增大，因此再結(jié)晶形核位置增多，再結(jié)晶后的晶粒變細(xì)。此過程反復(fù)進(jìn)行，逐步細(xì)化，最終獲得很細(xì)小的鐵素體晶粒。

2 TMCP Q460鋼的熱裂紋及再熱裂紋傾向

TMCP Q460鋼屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)焊接性理論，低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性問題主要有熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋以及熱影響區(qū)的性能變化等。

2.1 熱裂紋敏感性

焊接熱裂紋中最為常見的是結(jié)晶裂紋。這類裂紋是在焊接凝固后期，由于低熔點(diǎn)共晶在晶界形成液態(tài)薄膜，在拉伸應(yīng)力作用下沿晶界開裂而形成的，主要出現(xiàn)在焊縫部位。結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與焊縫中的雜質(zhì)(如S、P、C、Ni等)含量有關(guān)。錳具有脫硫的作用，可提高焊縫的抗結(jié)晶裂紋性。對于一般低合金鋼的熱裂紋敏感性，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行評(píng)價(jià):

式中:HCS為熱裂紋敏感性;WS、WC、WP、WSi、WNi、WMn、WMo、WCr、WV分別為鋼材化學(xué)成分中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。當(dāng)HCS＜4，表示可以防止裂紋［6］。

將試驗(yàn)用TMCP Q460鋼的化學(xué)成分代入式(1)，計(jì)算得HCS=0.25＜4，由此可知TMCP Q460鋼熱裂紋敏感性很小。

2.2 再熱裂紋敏感性

從化學(xué)成分來看，TMCP Q460鋼雖然加入了沉淀強(qiáng)化元素Nb和Ti，但它們含量較少，產(chǎn)生再熱裂紋的可能性應(yīng)不大?？捎靡韵碌慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行定量評(píng)定:

式中:PSR為再熱裂紋敏感性;WCr、WCu、WMo、WTi、WNb、WV分別為鋼材化學(xué)成分中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。當(dāng)PSR＞ 0，表示易裂［6］。

將試驗(yàn)用TMCP Q460鋼的化學(xué)成分代入式(2)，計(jì)算得PSR=－0.927＜0，由此可知TMCP Q460鋼不具有再熱裂紋傾向。

3 TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性傾向

冷裂紋是接頭冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的一種裂紋，在低合金高強(qiáng)鋼的焊接中，氫致延遲裂紋最為常見，一般產(chǎn)生于熔合線附近的熱影響區(qū)。氫致延遲裂紋形成的3個(gè)要素為:熱影響區(qū)的淬硬傾向、接頭的擴(kuò)散氫含量以及拘束應(yīng)力［7］。

3.1 冷裂紋敏感性的公式計(jì)算

可應(yīng)用碳當(dāng)量法來間接評(píng)價(jià)鋼材的冷裂紋敏感性。應(yīng)用國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，計(jì)算得到TMCP Q460鋼的碳當(dāng)量為0.39%，表明該鋼種的冷裂紋敏感性較小。需要指出的是，上述碳當(dāng)量公式是在傳統(tǒng)低合金鋼冷裂紋試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的，用它來評(píng)價(jià)控軋Q460鋼的冷裂紋敏感性并不一定準(zhǔn)確，TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性還需要通過冷裂紋敏感性試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證、評(píng)價(jià)。

3.2 插銷試驗(yàn)法判定TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性

可用插銷試驗(yàn)法評(píng)定TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性的大小。在藥芯焊絲電弧焊(flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW)條件下，進(jìn)行 TMCP Q460鋼插銷試驗(yàn)，根據(jù)臨界斷裂應(yīng)力大小判斷其冷裂紋傾向，確定其是否需要預(yù)熱。

3.2.1 試驗(yàn)材料及方法

插銷試棒直徑為8 mm，缺口形式為環(huán)形，缺口深度為1.5 mm。使用相同的焊接工藝，在不預(yù)熱條件下進(jìn)行試驗(yàn)，焊后冷至150℃加載。改變試驗(yàn)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，得到插銷保持16 h不斷的最大應(yīng)力，即臨界斷裂應(yīng)力σcr。臨界斷裂應(yīng)力確定方法為:如在某一應(yīng)力值下有的試件斷裂，有的試件不斷，則在低于此應(yīng)力20 MPa的應(yīng)力下再做2個(gè)試樣，如都不斷，則確定后者為 σcr［8-11］。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)應(yīng)力與插銷斷裂時(shí)間關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，臨界斷裂應(yīng)力為980 MPa，遠(yuǎn)高于該鋼材的屈服極限505 MPa，這表明，TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性很小。

TMCP Q460鋼插銷試樣斷口附近的顯微組織如圖4所示。由圖4可以看到熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)形成了較多粗大的板條馬氏體組織。通過試驗(yàn)得到斷口附近HAZ硬度(HV0.1)，3組實(shí)測數(shù)據(jù)平均值為266，此硬度值較低。

HAZ硬化是產(chǎn)生冷裂紋的3個(gè)要素之一，因此可以判斷TMCP Q460鋼臨界斷裂應(yīng)力升高和抗冷裂紋性能好的主要原因是由于HAZ淬硬傾向降低。

綜上所述，可以認(rèn)為TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性很小，在一般情況下可以不預(yù)熱焊接。

4 結(jié)論

(1)TMCP Q460鋼由于碳以及其他合金元素含量的減少難以得到較多的珠光體組織，其高強(qiáng)度主要是靠晶粒細(xì)化和碳化物的沉淀強(qiáng)化作用來獲得的。

(2)TMCP Q460鋼的熱裂紋傾向很小，并且基本不具有再熱裂紋傾向。

(3)TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性很小，可不預(yù)熱進(jìn)行焊接，其臨界斷裂應(yīng)力升高和抗冷裂紋性能好的主要原因是由于HAZ淬硬傾向降低。

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