智能型耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能研究

李　麗，吳年春，費(fèi)　亮，覃展鵬，王紅鴻，吳開明

（1.南京鋼鐵股份有限公司研究院，江蘇南京210035；2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430081）

智能型耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能研究

李麗1，吳年春1，費(fèi)亮2，覃展鵬2，王紅鴻2，吳開明2

（1.南京鋼鐵股份有限公司研究院，江蘇南京210035；2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430081）

采用熱模擬的方法模擬智能型抗震耐火鋼Q420FRE的焊接熱影響區(qū)，并進(jìn)行600℃的高溫拉伸實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)受高溫拉伸的過程中，單道次的高溫拉伸強(qiáng)度在粗晶區(qū)最高，逐漸向細(xì)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)降低，到未相變區(qū)又升高。雙道次焊接熱影響區(qū)也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。隨著焊接熱輸入的提高，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的高溫拉伸強(qiáng)度降低。在焊接熱循環(huán)作用下，碳氮化物（Nb，Ti）（C，N）的溶解、長(zhǎng)大和粗化引起了焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域高溫拉伸強(qiáng)度的差異。

耐火鋼；微合金化；焊接熱影響區(qū)；高溫拉伸

0　前言

隨著高層建筑業(yè)的迅速發(fā)展，基于安全性、經(jīng)濟(jì)性、造型美觀、空間利用等方面的要求，耐火鋼以其高強(qiáng)、輕量、耐火、抗震、相對(duì)于防火涂層無污染等優(yōu)勢(shì)成為世界各國(guó)大型建筑結(jié)構(gòu)的首選材料[1-3]。目前，電弧焊方法仍是耐火鋼連接、建造大型建筑結(jié)構(gòu)的主要連接工藝。建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中，不可避免地承受地震、火災(zāi)等災(zāi)害來臨時(shí)的沖擊、高溫拉伸、扭曲等作用。耐火結(jié)構(gòu)鋼本身的優(yōu)良性能為建筑結(jié)構(gòu)件的安全使用提供了基本保證[4-6]，然而，焊接熱影響區(qū)，因經(jīng)受焊接熱循環(huán)后，組織和性能發(fā)生了劇烈變化，尤其是高溫性能成為整個(gè)大型建筑結(jié)構(gòu)安全性和完整性的焦點(diǎn)之一。另外，在建造建筑結(jié)構(gòu)的過程中，焊接熱影響區(qū)的形成受到諸多因素的影響[7-8]，如焊接方法、焊接工藝、施工環(huán)境以及人工操作等，因此，有必要對(duì)焊接熱影響區(qū)的高溫性能進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步推動(dòng)耐火鋼的安全使用。

本研究采用熱模擬的方法，模擬焊接熱影響區(qū)（單道次和雙道次）以及不同焊接熱輸入下的焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸性能，以獲得耐火鋼焊接熱影響區(qū)高溫拉伸性能的基本規(guī)律，為耐火鋼的推廣使用積累基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為南鋼研制的智能型抗震耐火鋼Q420FRE，其化學(xué)成分見表1。該鋼的設(shè)計(jì)思路是采用微合金化原理+智能化設(shè)計(jì)，通過細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，控制M-A組元及貝氏體鐵素體雙相組織，保證室溫性能；在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，激發(fā)第二相析出，提供和保證高溫強(qiáng)度。

表1　母材的化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of the parent metal％

1.2試驗(yàn)方法

在Gleeble3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)模擬試驗(yàn)及高溫拉伸試驗(yàn)。分別模擬一次焊接熱循環(huán)（單道次）、二次焊接熱循環(huán)作用下（雙道次）的焊接熱影響區(qū)，以及不同焊接熱輸入下的焊接熱影響區(qū)。具體模擬工藝見表2。單道次模擬的焊接熱影響區(qū)有粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全結(jié)晶區(qū)及未相變區(qū)域，雙道次模擬的焊接熱影響區(qū)是：第一次熱循環(huán)為熔合區(qū)，第二次熱循環(huán)分別為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全結(jié)晶區(qū)和未相變區(qū)域。

對(duì)模擬的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行600℃高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝見表2，以60℃/min加熱到600℃，保溫15min，在形變達(dá)到0.1％以前，以10mm/min的速度拉伸，之后以1 mm/min拉伸直到斷裂。

表2　模擬焊接熱影響區(qū)及高溫拉伸試驗(yàn)工藝Tab.2Simulating the welding heat-affected zone and high temperature tensile test process

在焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域取樣，制備成透射電鏡萃取碳復(fù)型樣品，在JEM-2100F型透射電鏡中對(duì)試樣中的析出相進(jìn)行形貌觀察和電子衍射分析，用INCA能譜儀對(duì)析出相進(jìn)行成分分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1經(jīng)受不同熱循環(huán)作用下的焊接熱影響區(qū)的高溫強(qiáng)度

2.1.1單道次焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

模擬焊接熱影響區(qū)的不同區(qū)域：峰值溫度1300℃為粗晶區(qū)，1 150℃為細(xì)晶區(qū)，870℃為不完全重結(jié)晶區(qū)，650℃為未相變區(qū)，焊接熱循環(huán)曲線如圖1所示。不同區(qū)域的高溫拉伸曲線如圖2所示?？梢钥闯?，高溫拉伸強(qiáng)度在粗晶區(qū)為544 MPa，向細(xì)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)逐漸降低，分別為446 MPa、337 MPa，到未相變區(qū)又升高到427MPa。只有在粗晶區(qū)存在明顯的屈服平臺(tái)，上屈服值為200 MPa，其他三個(gè)區(qū)沒有屈服平臺(tái)。

圖1　單道次不同峰值溫度的焊接熱循環(huán)曲線Fig.1Welding thermal cycle curves with different peak temperature

圖2　單道次焊接熱影響區(qū)的600℃拉伸曲線（Tp為峰值溫度）Fig.2Tensile curve at 600℃for heat affected zone by single thermal cycling（Tp:Peak temperature)

2.1.2兩道次焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

經(jīng)過兩道次的焊接熱影響區(qū)，其焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示，分別是模擬粗晶區(qū)再經(jīng)過1 350℃、1 150℃、870℃和650℃的峰值溫度熱循環(huán)作用。

圖3　雙道次焊接熱循環(huán)曲線Fig.3Thermal cycle curve of double passes

粗晶區(qū)在經(jīng)過一次1350℃熱循環(huán)后，屈服平臺(tái)仍很明顯，但屈服強(qiáng)度值從200 MPa下降到138MPa，拉伸強(qiáng)度卻從544MPa上升到634MPa。經(jīng)過1150℃的熱循環(huán)后，屈服平臺(tái)消失，到870℃和650℃后，屈服平臺(tái)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)變量逐漸增大，其上屈服強(qiáng)度分別為173MPa和192MPa?？估瓘?qiáng)度也從第二次峰值溫度為1350℃的638MPa，逐漸下降到502MPa和404 MPa，到第二次峰值溫度為650℃時(shí)，又上升到552 MPa。焊接熱影響區(qū)600℃高溫拉伸曲線如圖4所示。

圖4　兩道次焊接熱影響區(qū)600℃高溫拉伸曲線Fig.4Tensile curve at 600℃for heat affected zone by double welding thermal cycling

2.1.3不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸

通過對(duì)不同焊接熱輸入下模擬粗晶區(qū)的高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：53 kJ/cm和100 kJ/cm熱輸入，粗晶區(qū)在高溫拉伸時(shí)，有明顯的屈服平臺(tái)，上屈服值分別為200MPa和175MPa。在80kJ/cm熱輸入時(shí)，屈服平臺(tái)不明顯?？估瓘?qiáng)度隨著熱輸入的增加，其值從544 MPa下降到519 MPa和493 MPa。不同焊接熱輸入的熱循環(huán)曲線和焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸曲線如圖5、圖6所示。

圖5　不同焊接熱輸入的熱循環(huán)曲線Fig.5Thermalcyclecurvesofdifferentweldingheatinputs

2.2經(jīng)受不同熱循環(huán)作用下的焊接熱影響區(qū)的碳化物演變及對(duì)高溫拉伸強(qiáng)度的作用

Q420FRE耐火鋼的生產(chǎn)工藝路徑為熱軋＋快速冷卻，抑制微合金納米第二相在熱軋板冷卻過程中析出，即母材中碳化物極少，當(dāng)遇到600℃～700℃火災(zāi)時(shí)，通過激發(fā)微合金納米第二相MC來提高和保證高溫強(qiáng)度[9]。但是在焊接熱影響區(qū)，由于受到不同峰值溫度的熱循環(huán)或不同次數(shù)的熱循環(huán)作用，碳化物發(fā)生了變化。通過TEM分析，如圖7所示，在峰值溫度為1 350℃時(shí)，碳氮化物數(shù)量少，主要為160～400 nm的不規(guī)則氧化物及硫化物復(fù)合相（見圖7a）；隨著峰值溫度從1 150℃降低到650℃，析出物數(shù)量增加，形貌為矩形或不規(guī)則形，尺寸減小，平均直徑從40～160nm降低到15～70 nm，有少量70～160 nm的析出相存在，析出物為面心的（Nb，Ti）C，和（Nb，Ti）（C，N）（見圖7b、7c）。

根據(jù)該鋼的設(shè)計(jì)理念，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，析出相極少的熔合線和粗晶區(qū)將有大量納米級(jí)碳化物析出，起到高溫強(qiáng)化作用，達(dá)到554 MPa的抗拉強(qiáng)度；而已有碳化物析出的細(xì)晶區(qū)和不完全相變區(qū)，將發(fā)生析出相粗化和數(shù)量減少，根據(jù)Ashby-Orowan機(jī)制[10]，在基體中彌散析出的第二相將產(chǎn)生析出強(qiáng)化，強(qiáng)化增量可表示為

圖6　不同焊接熱循環(huán)下焊接熱影響區(qū)的高溫拉伸曲線Fig.6High temperature of welding heat affected zone under different welding thermal cycle tensile curve

式中fv為第二相相體積分?jǐn)?shù)；d為平均直徑。

可以看出，隨著碳化物體積分?jǐn)?shù)的減少，以及平均直徑的增加，強(qiáng)化增量呈減小趨勢(shì)。因此，相對(duì)于熔合線和粗晶區(qū)，細(xì)晶區(qū)和不完全相變區(qū)的高溫抗拉強(qiáng)度會(huì)有所降低。

同理，經(jīng)過兩次熱循環(huán)作用的熱影響區(qū)，在第一次峰值溫度為1 350℃的條件下，極少有碳化物析出，只有在經(jīng)過第二次熱循環(huán)作用時(shí)，碳化物發(fā)生了變化，變化規(guī)律與以上討論的經(jīng)過一次熱循環(huán)相同，因而呈現(xiàn)相同的高溫拉伸強(qiáng)度。

采用較大熱輸入焊接時(shí)，由于隨后的冷卻速度增大，有部分碳化物析出，在之后的火災(zāi)過程中，已析出的碳化物發(fā)生粗化和數(shù)量減少，因而較大熱輸入下的熔合線和粗晶區(qū)的高溫拉伸強(qiáng)度略有降低。

金屬內(nèi)部存在的大量位錯(cuò)線，在刃型位錯(cuò)線附近經(jīng)常會(huì)吸附大量的異類溶質(zhì)原子，如間隙原子C、N以及碳氮化物等，圍繞位錯(cuò)而形成的溶質(zhì)原子聚集物稱為“柯氏氣團(tuán)”[11]?？率蠚鈭F(tuán)會(huì)影響位錯(cuò)在外力作用下的移動(dòng)，變形抗力增加，這是有些金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的原因。從以上碳化物演變分析結(jié)果可知：焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的碳化物數(shù)量極少，在著火的條件下，MC碳化物析出尺寸小，相對(duì)于其他區(qū)域更易于圍繞位錯(cuò)形成“柯氏氣團(tuán)”，表現(xiàn)出明顯的屈服平臺(tái)。

3　結(jié)論

（1）模擬焊接熱影響區(qū)中，熔合線和粗晶區(qū)的高溫拉伸強(qiáng)度最大，細(xì)晶區(qū)次之，不完全重結(jié)晶區(qū)最小，未相變區(qū)的拉伸強(qiáng)度升高。模擬粗晶區(qū)再次經(jīng)過一次熱循環(huán)的熱影響區(qū)中，高溫拉伸強(qiáng)度的變化與一次熱循環(huán)熱影響區(qū)的規(guī)律大致相同。隨著焊接熱輸入的增加，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的高溫拉伸強(qiáng)度降低。

（2）熔合線和粗晶區(qū)幾乎沒有微合金碳化物析出，隨著向細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶構(gòu)變化，碳化物析出數(shù)量增加，尺寸增大。在模擬著火情況下，熔合線和粗晶區(qū)發(fā)生碳化物析出，其他區(qū)域發(fā)生碳化物粗化和數(shù)量減少。碳化物的演變導(dǎo)致了焊接熱影響區(qū)高溫強(qiáng)度的變化。

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Study on high temperature tensile strength of heat-affected zone in welding of intelligent fire-resistant steel

LI Li1，WU Nianchun1，F(xiàn)EI Liang2，QIN Zhanpeng2，WANG Honghong2，WU Kaiming2
（1.Research Institute，Nanjing Iron&Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China；2.Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The welding heat affected zone(HAZ)of intelligent fire-resistant steel is simulated by Gleeble 3800 thermal simulator，and the high temperature tensile strength test is made at 600℃.During the high temperature tensile process，the highest tensile strength occurs in the coarse grained region by single thermal cycling，and then the tensile strength gradually decreases from fine grained region to recrystallized zone，but increases in untransformed zone.The welding HAZ shows same law of tensile strength at high temperature by double thermal cycling.As the welding heat input increases，the tensile strength at high temperature in coarse grained HAZ decreases. Because of the influence of welding thermal cycling，the dissolution，growth and coarsening of carbonitride（Nb，Ti）（C，N）cause the difference between tensile strengths in different regions of HAZ at high temperature.

fire-resistant steel；microalloying；welding heat affected zone；tensile strength at high temperature

圖7　焊接熱影響區(qū)碳化物形貌及結(jié)構(gòu)分析Fig.7Carbide morphology and structure by TEM

TG457.11

A

1001－2303（2015）11－0067-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.14

2015-03-11；

2015-04-12

李麗（1971—），女，寧夏人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事焊接工藝及焊接材料的研究工作。