新型Q-P-T工藝對(duì)Q690鋼組織與性能影響的研究

孫 林，李洪鵬，王克偉，蘇 震，徐新樂，孫 波，董達(dá)善，賈曉帥，潘 慶

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.上海海事大學(xué)，上海 201306；3.上海交通大學(xué)，上海 200240；4.江西耐普礦機(jī)新材料股份有限公司，江西 上饒 334000)

屈服強(qiáng)度為690 MPa的高強(qiáng)鋼，因其性能優(yōu)異和經(jīng)濟(jì)效益顯著，已廣泛應(yīng)用于能源、交通、建筑和工程機(jī)械等行業(yè)。Q690鋼板作為微合金高強(qiáng)度鋼比傳統(tǒng)碳錳鋼具有更優(yōu)越的強(qiáng)度和韌性[1]。目前，TMPC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低合金高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)過程[2]，而對(duì)于高強(qiáng)鋼，仍采用傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)熱處理(淬火-高溫回火)生產(chǎn)工藝，通過調(diào)質(zhì)處理改善高強(qiáng)度中厚鋼板的組織和力學(xué)性能[3]。采用調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)鋼，因其良好的性能在世界各國高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)中占據(jù)很大份額。

淬火是使鋼強(qiáng)化并獲得某些特殊使用性能的主要方法，其目的是使奧氏體化后的工件獲得盡可能多的馬氏體，然后配以不同溫度回火，從而獲得各種需要的性能[4]。Speer等[5]提出的淬火-碳分配(Q-P)工藝，使淬火鋼中含有馬氏體基體以提高強(qiáng)度，保留一定量的殘余奧氏體保證一定的塑性和韌性。賈曉帥等[6]研究表明，經(jīng)Q-P-T處理后的Q235鋼強(qiáng)度得到了大幅度的提升。徐祖耀[7]研究表明，對(duì)高強(qiáng)剛采用“淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝”，可進(jìn)一步提高高強(qiáng)鋼的性能。高有進(jìn)等[8]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)屈服強(qiáng)度為900 MPa的高強(qiáng)鋼板進(jìn)行焊接時(shí)，SHT900D鋼有較強(qiáng)的淬硬傾向，焊接過程中應(yīng)采取必要的措施來防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。馮偉等[9]對(duì)一種980 MPa級(jí)低碳貝氏體高強(qiáng)鋼焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)的各個(gè)區(qū)域的性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該鋼種隨著峰值溫度的升高，韌度提高，細(xì)晶區(qū)成為最薄弱環(huán)節(jié)，通過相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析和TEM透射電鏡確定了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的微觀機(jī)理。蔣慶磊等[10]對(duì)Q550高強(qiáng)鋼焊接接頭在不預(yù)熱條件下，選擇不同的合金焊絲，采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)焊接Q550高強(qiáng)鋼，研究焊縫微觀組織和焊接接頭的力學(xué)性能，分析沖擊試樣斷口形貌。

本文焊接性能是評(píng)價(jià)鋼材使用性能的主要標(biāo)志之一，怎樣獲得優(yōu)良焊接接頭成為發(fā)展690 MPa高強(qiáng)鋼的關(guān)鍵。研究Q-P-T熱處理工藝對(duì)Q690鋼焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，以及不同的回火溫度對(duì)QPT690鋼焊接接頭的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

Q690鋼化學(xué)成分見表1。

表1 Q690鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

試驗(yàn)采用手工焊接，焊條型號(hào)為GEL-118M，尺寸為φ3.2 mm×350 mm，電流適用范圍為90～130 A，焊接電壓為25 V，焊接速度約為21 cm/min。其化學(xué)成分見表2。

表2焊條的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

CMnSiCrNiMoPSV0.0821.690.350.132.290.380.0100.0080.01

采用線切割方法對(duì)焊接試板進(jìn)行加工，制備拉伸和沖擊等試樣。按照GB/T 2649—1989《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法》和GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，選取拉伸試樣加工成標(biāo)稱寬度為81 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在Zwick/Roell標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)標(biāo)距為20 mm，拉伸應(yīng)變速率為0.5 mm/min。沖擊試驗(yàn)按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工成10 mm×10 mm×55 mm，并開2 mm深V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在PTM2200-D1型沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。按照GBT 2654—2008來確定焊接接頭硬度試驗(yàn)各測(cè)量點(diǎn)的位置，并利用洛氏硬度儀(型號(hào)為500RA)進(jìn)行硬度(HRC)測(cè)量。

對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕。腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液。采用LEICA DM6000M多功能金相顯微鏡和電鏡掃描對(duì)試樣顯微組織進(jìn)行觀察。

斷口掃描試驗(yàn)樣品制作過程如下：首先應(yīng)保持沖擊和拉伸后的試樣斷面的整潔，用AbrasiMet250型砂輪切片制成長(zhǎng)度為10 mm的試樣；然后將制好的試樣用酒精或者丙酮清洗，再用熱風(fēng)吹干；最后密封保存，防止斷口被氧化或者生銹。斷口掃描分析所用的試驗(yàn)設(shè)備為FEI SIRION200型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同工藝對(duì)焊接接頭的影響

2.2.1 不同工藝對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

不同工藝對(duì)應(yīng)的焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。焊接接頭力學(xué)性能見表3。

圖1 QPT690和Q690焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣Rp0.2/MPaRm/MPaA/%強(qiáng)塑積/MPa%Q690焊接接頭480.36641.865.663 632.92QPT690焊接接頭536.60675.606.374 303.57

從試驗(yàn)得出，QPT690焊接接頭有近700 MPa的抗拉強(qiáng)度和6.37%的延展率。相比母材的接頭而言，其延伸率變化不明顯，但焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有了明顯提高。

從表3的數(shù)據(jù)可知，QPT690焊接接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都得到提高，強(qiáng)塑積的值比Q690板的大，性能更優(yōu)。

對(duì)本試驗(yàn)Q690板而言，GEL-118M型焊條強(qiáng)度高于Q690板本身，受焊接熱源的影響，焊接接頭硬度隨焊縫中心距離的增大而降低(見圖2)。從硬度曲線也同樣可以發(fā)現(xiàn)，距焊縫中心10 mm左右的熱影響區(qū)，其硬度最低。因?yàn)楹附訉?duì)試件熔化處理，故其焊縫及熱影響區(qū)的硬度相似，QPT處理并不能明顯影響焊縫硬度。

圖2 硬度分布曲線

2.1.2 不同工藝對(duì)焊接接頭微觀組織的影響

焊接工藝參數(shù)和焊材影響著焊縫金屬合金元素，進(jìn)而影響不同顯微組織的形成。而焊接接頭的顯微組織決定了焊接接頭的力學(xué)性能，如奧氏體晶粒的大小、馬氏體含量等，所以，不同的焊接材料和不同的熱輸入會(huì)帶來較大差異的力學(xué)性能。

在不同倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡下QPT690焊接接頭的顯微組織如圖3所示。由圖3可看出其微觀組織的組成與大致分布。

圖3 不同倍數(shù)下Q690和QPT690焊接接頭的顯微結(jié)構(gòu)

比較Q690和QPT690的顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，兩者焊縫區(qū)因重熔顯微組織并沒有太大差異。而熔合區(qū)及熱影響區(qū)，對(duì)于經(jīng)Q-P-T熱處理工藝加工的焊接接頭，存在大量馬氏體和殘余奧氏體，其組織晶粒更加細(xì)化，會(huì)使得性能優(yōu)于母材。

2.1.3 斷口分析

觀察Q690和QPT690的焊接接頭拉伸斷口，從宏觀上相比可以發(fā)現(xiàn)，Q690的斷口存在韌窩和撕裂棱等韌性斷口特征，同時(shí)也存在大量平整刻面等脆性斷口特征，可判斷為準(zhǔn)解理斷口，而QPT690的斷口撕裂棱更為明顯，QPT690相對(duì)有更明顯的塑性變形，其斷面取向與最大切應(yīng)力的方向是相同的，初步判定是韌性斷裂。

通過掃描電鏡下觀察焊接接頭斷口微觀形貌(見圖4)可以發(fā)現(xiàn)，Q690焊接試樣韌窩形狀呈拋物線形，斷口內(nèi)存在河流花樣(如圖4中Q690鋼焊接接頭所示)，可以確定其為準(zhǔn)解理斷裂，其斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)晶粒粗化部位；而QPT690鋼顯微空洞周邊均勻增長(zhǎng)，斷裂之后形成近似圓形的等軸韌窩，韌窩直徑大且深(如圖4中QPT690鋼焊接接頭所示)。通過兩者斷口韌窩的比較可以發(fā)現(xiàn)，較之Q690而言，QPT690焊接接頭強(qiáng)度高，熱影響區(qū)晶粒存在晶粒細(xì)化現(xiàn)象。

圖4 不同倍數(shù)下Q690和QPT690焊接接頭拉伸斷口的形貌

2.2 不同回火溫度對(duì)QPT690焊接接頭的影響

碳鋼在回火時(shí)，其強(qiáng)度和硬度會(huì)有所降低，但是其塑性、韌性和均勻性會(huì)有所提高。一般來說，隨著回火溫度的升高，可有效地消除淬火帶來的內(nèi)應(yīng)力，降低金屬材料的強(qiáng)度和硬度，并且使材料的塑性及韌性有所提高。但是應(yīng)注意會(huì)發(fā)生回火脆性現(xiàn)象，在某個(gè)溫度段內(nèi)，淬火鋼的回火溫度上升其沖擊韌性反而降低。

本文設(shè)定了3種不同的回火溫度(300、350和400 ℃)，通過測(cè)試QPT690焊接接頭性能與微觀組織觀察來測(cè)定其影響。

2.2.1 不同回火溫度對(duì)QPT690焊接接頭力學(xué)性能的影響

3種回火溫度下拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，具體數(shù)值見表4。

圖5 3種回火溫度下拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

回火溫度/℃Rp0.2/MPaRm/MPaA/%300362. 0542413.044 114.438 61350390.891452.834 112.146 31400402.857 8459.540 111.183 56

沖擊試樣V型坡口距焊縫27 mm，不同回火溫度下的沖擊韌性見表5。

表5 不同回火溫度下的沖擊韌性

3種回火溫度焊接接頭硬度變化曲線如圖6所示。

由表5的韌性數(shù)據(jù)和圖6的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，隨回火溫度的提高，韌性指標(biāo)改變并不顯著，但強(qiáng)度和硬度有所提高，焊接接頭的綜合力學(xué)性能得以改善。

圖6 不同回火溫度焊接接頭硬度比較

2.2.2 不同回火溫度對(duì)QPT690焊接接頭微觀組織的影響

光學(xué)顯微鏡500×和1 000×下不同回火溫度的顯微組織如圖7所示。由圖7可知，隨著溫度升高，回火強(qiáng)化使得晶粒細(xì)化，性能提高。因回火馬氏體的存在，使其具有高硬度和耐磨性，但塑性下降。

圖7 不同回火溫度下QPT690焊接接頭顯微結(jié)構(gòu)

2.2.3 斷口分析

不同回火溫度的斷口顯微結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可知，回火溫度越高，韌窩多且直徑大而深，其塑性越差，強(qiáng)度越好；反之，溫度越低，其塑形越高，而強(qiáng)度降低。

圖8 不同回火溫度下斷口顯微形貌

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1) Q690高強(qiáng)鋼經(jīng)Q-P-T處理后，奧氏體碳含量進(jìn)一步增加，使奧氏體穩(wěn)定性得到提高，并獲得大量板條馬氏體，組織的變化使得經(jīng)Q-P-T工藝處理后的Q690鋼的綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝和母材。

2) 采用相同焊接工藝分別對(duì)QPT690和初始Q690鋼板進(jìn)行無預(yù)熱焊接，通過比較板材焊接接頭的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，QPT690焊接接頭的性能優(yōu)于Q690：QPT690焊接接頭的屈服強(qiáng)度為536.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為675 MPa，而Q690焊接接頭的屈服強(qiáng)度為480 MPa，抗拉強(qiáng)度為641 MPa。

3)比較不同回火溫度對(duì)Q690焊接接頭力學(xué)性能及微觀組織的影響，結(jié)果顯示：由于焊接熱源的影響，熱影響區(qū)金屬性能有所降低，低溫回火降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，保持高硬度和耐磨性；隨著溫度的上升，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都有所上升，但塑性略有下降；沖擊韌性從300 ℃到400 ℃先下降后上升，因?yàn)樘蓟锏奈龀龊碗s質(zhì)的偏聚，在350 ℃有明顯的回火脆性表現(xiàn)；中溫回火可獲得高的屈服極限、彈性極限和韌性配比；不同溫度熱影響區(qū)的硬度值變化是隨溫度越高，其下降越快，且隨著回火溫度升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會(huì)提高。