耐候鋼Q420qNH焊接粗晶區(qū)沖擊韌性及耐電化學(xué)腐蝕性能

張俠洲 ，陳延清 ，王鳳會 ，張 熹 ，趙英建

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京100043；2.北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

0 前言

高性能耐候橋梁鋼因其高強度、優(yōu)異的低溫沖擊韌性、易焊接、可免涂裝等優(yōu)點，在國內(nèi)外大跨度、重荷載、長壽命橋梁建設(shè)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。

焊接性能尤其是焊接熱影響粗晶區(qū)的性能是高性能耐候橋梁鋼應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題。焊接熱影響區(qū)在焊接過程中受熱循環(huán)作用性能發(fā)生變化，其性能對整個結(jié)構(gòu)具有重要影響[6-9]。研究高性能耐候橋梁鋼焊接熱影響粗晶區(qū)的組織變化規(guī)律以及耐蝕性能規(guī)律，對控制焊接熱影響區(qū)組織以及提高其耐蝕性能具有重要的理論價值，對綜合評價焊接接頭的性能具有重要的工程價值[10-12]。程炳貴等人[13]通過熱模擬的方法研究了Q500qENH耐候橋梁鋼熱影響區(qū)的組織及力學(xué)性能，彭云等人[14]對09CuPCr Ni鋼熱模擬粗晶區(qū)的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。但是對高性能耐候橋梁鋼熱影響粗晶區(qū)耐蝕性能的研究還比較少。

本研究以50 mm厚Q420qNH高性能耐候橋梁鋼為研究對象，采用Gleeble2000D熱模擬試驗機進(jìn)行焊接熱影響粗晶區(qū)（coarse-grained HAZ，CGHAZ）熱模擬試驗，研究不同冷卻速度t8/5下，熱影響粗晶區(qū)的沖擊韌性和電化學(xué)耐蝕性能。

1 試驗材料和方法

本試驗采用國內(nèi)某鋼廠TMCP工藝生產(chǎn)的Q420qNH鋼，具體化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。通過Gleeble2000D熱模擬試驗機對母材進(jìn)行焊接粗晶區(qū)（CGHAZ）熱模擬試驗，熱模擬試樣尺寸11 mm×11 mm×80 mm，升溫速度 200℃/s，峰值溫度1 320℃，高溫停留1 s，控制冷卻時間t8/5分別為10 s、20 s和30 s，相對應(yīng)熱輸入分別為13～17 kJ/cm 、25～36 kJ/cm 和 38～50 kJ/cm。

采用線切割方法加工金相試樣，經(jīng)過打磨拋光、4%硝酸酒精溶液侵蝕后，利用DMI5000倒置顯微鏡觀察金相組織。根據(jù)GB/T19748-2005利用沖擊實驗機對試樣進(jìn)行-40℃低溫沖擊實驗，尺寸10 mm×10mm×55mm。EBSD試樣尺寸11mm×11mm×2mm，預(yù)磨進(jìn)行電解拋光，分析粗晶區(qū)晶粒取向和大角度晶界密度。電化學(xué)試樣尺寸11mm×11mm×10mm，測試前采用砂紙打磨到1000#，蒸餾水清洗，酒精擦拭除油除水，吹干置于干燥箱備用。采用Par4000+電化學(xué)測試系統(tǒng)測試試樣極化曲線和阻抗圖譜，腐蝕介質(zhì)3.5%的NaCl溶液。極化曲線的掃描電位范圍為-0.25～0.25 V（相對于開路電位），掃描速率為0.5 mV/s。阻抗譜的頻率響應(yīng)范圍為100 kHz～10 mHz，幅值為10 mV。沖擊、金相、EBSD和電化學(xué)試樣取樣示意如圖1所示。

表1 Q420qNH鋼主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of Q420qNH %

表2 Q420ENH鋼主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties of Q420qNH

圖1 沖擊、金相、EBSD和電化學(xué)試樣取樣示意Fig.1 Diagrammatic sketch of test samples

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熱模擬粗晶區(qū)組織及沖擊韌性

Q420qENH鋼熱模擬粗晶區(qū)低溫沖擊結(jié)果如表3所示，焊接熱模擬粗晶區(qū)典型示波沖擊曲線如圖2所示。結(jié)果表明，t8/5為10 s和20 s時，低溫沖擊功較高，滿足《GB/T714-2015橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)t8/5為30s，-40℃低溫沖擊功均值低于47J，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接熱模擬粗晶區(qū)-40℃低溫沖擊斷口微觀形貌如圖3所示，t8/5為10 s、20 s時，沖擊斷口形貌以韌窩為主，t8/5為10 s時，沖擊韌窩尺寸較小，宏觀韌性較好，t8/5為20 s時，沖擊韌窩尺寸增大；t8/5為30 s時，沖擊斷口形貌主要是脆性準(zhǔn)解理面。

表3 Q420qNH鋼焊接熱模擬粗晶區(qū)沖擊韌性Table.3 Impact properties of CGHAZ

Q420qNH鋼母材及熱模擬粗晶區(qū)組織如圖4所示，母材組織為鐵素體+少量珠光體，組織較細(xì)，熱模擬粗晶區(qū)組織主要為板條貝氏體+粒狀貝氏體。t8/5為10 s時，組織中板條貝氏體數(shù)量較多，隨著t8/5的增加，組織中板條貝氏體數(shù)量減少，粒狀貝氏體數(shù)量增加，t8/5為30 s時，基本為粒狀貝氏體組織，并且隨著熱輸入的增加，組織出現(xiàn)粗化。

圖2 焊接熱模擬粗晶區(qū)典型示波沖擊曲線Fig.2 Curves of load and Akv vs hammer displacement of CGHAZ

圖3 焊接熱模擬粗晶區(qū)典型斷口形貌Fig.3 Typical fracture morphology of CGHAZ

學(xué)者用斷裂理論的“晶體包學(xué)”（crystallographic packet）研究高強鋼強韌化機理，“晶體包學(xué)”概念能更恰當(dāng)?shù)卮_定與韌性相關(guān)的有效晶粒尺寸。晶界在取向差趨于15°時達(dá)到最大值并保持不變，大角度晶界（大于等于15°）能有效改變裂紋擴(kuò)展的方向，大角度晶界密度越高的組織能更有效地抑制裂紋擴(kuò)展。熱模擬粗晶區(qū)不同t8/5時的晶粒取向如圖5所示，其中黑線表示大角度晶界（大于等于15°），晶界角度分布比例如圖6所示。EBSD結(jié)果表明，隨著熱輸入的提高，大角度晶界密度降低，其主要原因是：熱輸入增加，組織中板條貝氏體數(shù)量減少，粒狀貝氏體數(shù)量增加，晶粒尺寸增加。結(jié)合圖6和圖3可知，較高的大角度晶界密度有利于抑制裂紋擴(kuò)展。不同熱輸入下，焊接熱模擬粗晶區(qū)晶粒取向均呈多樣化，多方向的晶粒取向使粗晶區(qū)在宏觀性能上表現(xiàn)出各向同性。

圖4 金相組織Fig.4 Microstructures of CGHAZ

圖5 焊接熱模擬粗晶區(qū)EBSD晶粒取向圖Fig.5 EBSD orientation image maps of CGHAZ

圖6 焊接熱模擬粗晶區(qū)晶界分布比例Fig.6 Grain boundary distribution ratio diagram of CGHAZ

總體而言，隨著熱輸入的增加，粒狀貝氏體數(shù)量增多，晶粒尺寸粗化，大角度晶界密度降低，抑制裂紋擴(kuò)展的能力下降，導(dǎo)致焊接熱模擬粗晶區(qū)沖擊功降低。由此可見，試驗中Q420qNH鋼焊接熱輸入適應(yīng)性不宜超過36 kJ/cm。

2.2 熱模擬粗晶區(qū)電化學(xué)性能

為確定焊接熱輸入對Q420qNH鋼焊接粗晶區(qū)耐蝕性能的影響規(guī)律，采用電化學(xué)方法測試t8/5為10s、20s、30s時焊接粗晶區(qū)熱模擬試樣的耐蝕性能。

電化學(xué)試驗結(jié)果如表4所示，極化曲線和阻抗圖普分別如圖7、圖8所示，阻抗采用圖9所示等效電路擬合。結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入（t8/5）的提高，腐蝕電流密度呈上升趨勢，交流阻抗值呈下降趨勢，即焊接粗晶區(qū)的耐蝕性呈下降趨勢；結(jié)合熱模擬粗晶區(qū)組織可知，隨著熱輸入的提高，粒狀貝氏體增多，作為碳化物形成元素的Cr會在M/A島中富集，固溶含量減少，而且該組織轉(zhuǎn)變過程也會導(dǎo)致粗晶區(qū)C等元素的不均勻分布，從而降低粗晶區(qū)耐蝕性。

表4 電化學(xué)擬合結(jié)果（材料：Q420qNH）Table 4 Electrochemical fitting results of samples

3 結(jié)論

（1）Q420qNH鋼焊接熱模擬粗晶區(qū)吸收沖擊功隨著t8/5增加而降低。隨著熱輸入的增加，粒狀貝氏體數(shù)量增加，組織晶粒粗化，大角度晶界密度降低，造成其吸收沖擊功降低。

圖7 焊接熱模擬粗晶區(qū)電化學(xué)極化曲線Fig.7 Polarization curves of CGHAZ

圖8 焊接熱模擬粗晶區(qū)Nyquist圖Fig.8 Nyquist plots of CGHAZ

圖9 等效擬合電路示意Fig.9 Schematic of equivalent fitting circuit

（2）Q420qNH鋼焊接熱模擬粗晶區(qū)電化學(xué)測試結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入（t8/5）的提高，腐蝕電流密度呈上升趨勢，交流阻抗值呈下降趨勢，即焊接熱模擬粗晶區(qū)的耐蝕性呈下降趨勢。

（3）從高強耐候鋼焊接熱影響粗晶區(qū)力學(xué)性能及腐蝕性能考慮，50 mm厚Q420qNH鋼焊接熱輸入不宜超過36 kJ/cm，為保障足夠的富余量，最好控制在30 kJ/cm。