不同熱輸入條件下Q345E低合金鋼焊接過熱區(qū)的組織和沖擊性能

馬清波，黃顯峰，黃君輝，宋 菲

（1.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 100036；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 前言

Q345E低合金鋼是我國鐵路集裝箱貨車、焊接構(gòu)架轉(zhuǎn)向架鋼結(jié)構(gòu)的常用鋼材，一般采用MAG焊焊接。對于厚板（板厚≥10 mm）長大鋼結(jié)構(gòu)，為提高效率和保證質(zhì)量，經(jīng)常采用埋弧焊進行焊接。在進行埋弧焊工藝評定時發(fā)現(xiàn)，其焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊性能較MAG焊下降明顯，尤其是隨著焊接熱輸入的增加，其焊接過熱區(qū)的低溫沖擊性能降低更為明顯。為確保產(chǎn)品的使用性能，有必要針對埋弧焊焊接熱輸入對Q345E低合金鋼焊接接頭性能的影響進行深入的工藝試驗研究。

由于影響埋弧焊焊接熱輸入的工藝因素較多，如采用工藝評定方法進行試驗研究，工作量太大。熱模擬技術(shù)是指通過精確顯示熱加工過程中材料或部件的組織和性能變化來預(yù)測材料制備或熱加工過程中的問題[2]。本文采用熱模擬技術(shù)、顯微組織分析技術(shù)、硬度試驗和夏比沖擊試驗，對Q345E低合金鋼在不同焊接熱輸入下過熱區(qū)的組織和沖擊性能進行研究，為獲得合理的加工工藝提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 試驗材料及方法

試驗材料為Q345E低合金結(jié)構(gòu)鋼，熱軋狀態(tài)供貨，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 Q345E的化學(xué)成分 %Table 1 Chemical composition of Q345E materials

表2 Q345E的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Q345E materials

熱模擬焊接試驗在Gleeble3800熱模擬試驗機上完成，設(shè)定峰值溫度為1350℃，加熱速度為130℃/s，模擬熱輸入分別為1.35kJ/mm、1.75kJ/mm、2.23kJ/mm、2.68 kJ/mm、3.06 kJ/mm，熱模擬試樣尺寸為11 mm×11 mm×100 mm。熱模擬試驗后，對試件進行研磨、拋光，選用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，并在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。根據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗》，利用HV-50A型顯微維氏硬度儀測量不同焊接熱輸入下的維氏硬度分布，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷5 kgf（1.96 N），保持時間15 s，步長200 μm。對Q345E低合金鋼進行-40℃沖擊試驗。試件的缺口位置開在過熱區(qū)。試驗參照GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》在JB-300B300/150型沖擊試驗機上進行，試件尺寸10mm×10 mm×55 mm。利用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察沖擊試驗后的斷口形貌。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 金相組織

不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼的顯微組織如圖1所示。室溫下母材基體組織為帶狀分布的鐵素體和不規(guī)則珠光體。由圖1可知，當(dāng)焊接熱輸入為1.35 kJ/mm時，顯微組織為先共析鐵素體+珠光體以及少量板條馬氏體。出現(xiàn)板條馬氏體可能與熱模擬時高溫停留時間較短有關(guān)。當(dāng)焊接熱輸入為1.75 kJ/mm時，組織為個別部位細片狀先共析鐵素體沿晶界分布，晶內(nèi)有粒狀貝氏體和少量馬氏體。當(dāng)焊接熱輸入為2.23 kJ/mm時，顯微組織主要為珠光體+少量馬氏體，個別晶界有先共析鐵素體。當(dāng)焊接熱輸入為2.68 kJ/mm時，顯微組織為少量先共析鐵素體沿晶界分布，晶內(nèi)有珠光體和針狀鐵素體，此時韌性最佳。當(dāng)焊接熱輸入達到3.06 kJ/mm時，顯微組織為針狀鐵素體并出現(xiàn)魏氏組織。焊接熱輸入大小對Q345E低合金鋼熱影響區(qū)的顯微組織影響較大，高焊接熱輸入會使焊接熱影響區(qū)組織晶粒粗大，形成粗大的魏氏組織；低熱輸入會使焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體等淬硬組織[3-6]。

2.2 硬度試驗結(jié)果及分析

不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼的顯微硬度如圖2所示?？梢钥闯?，材料硬度與組織密切相關(guān)。當(dāng)熱輸入由1.35 kJ/mm逐漸增加到2.23 kJ/mm時，硬度普遍較高且變化不明顯。這是因為此時顯微組織主要由先共析鐵素體、馬氏體和貝氏體組成，顯微硬度相差不大，而馬氏體高強度、高硬度的特點導(dǎo)致材料硬度普遍較高。當(dāng)焊接熱輸入增大到2.68kJ/mm時，硬度下降較為明顯，這是因為組織中出現(xiàn)了針狀鐵素體，其顯微硬度低于之前的顯微組織。當(dāng)焊接熱輸入為3.06 kJ/mm時，硬度變化不再明顯。

2.3 沖擊試驗結(jié)果及分析

不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼粗晶區(qū)的沖擊功如圖3所示。Q345E的低溫沖擊功呈降低趨勢，在熱輸入2.68 kJ/mm時出現(xiàn)上升，沖擊功達到83 J。分析可知，沖擊性能的變化與組織密切相關(guān)，在熱輸入較低時組織主要由珠光體以及部分馬氏體組成，板條馬氏體不僅具有高強度和高硬度，還具有相當(dāng)高的塑性和韌性，因此沖擊性能較好。隨著熱輸入的增加，組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，沖擊韌性有所下降，但是當(dāng)熱輸入達到2.68 kJ/mm時，顯微組織中出現(xiàn)針狀鐵素體，其有效晶粒尺寸，尺寸參差不齊，彼此交叉分布，其間具有大角度晶界，這種組織特征使得低碳鋼具有連續(xù)的屈服行為[7]。而針狀鐵素體的沖擊性能較好，因此沖擊性能顯著升高。當(dāng)熱輸入達到3.06 kJ/mm時，魏氏組織的出現(xiàn)導(dǎo)致沖擊性能下降。

圖1 不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of Q345E lowalloy steel with different welding heat input

圖2 不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼的顯微硬度Fig.2 Microhardness of Q345E low alloy steel under different welding heat input

圖3 不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼熱影響粗晶區(qū)的沖擊韌性Fig.3 Impact toughness of heat affected coarse grain zone in Q345E low alloy steel with different heat input

2.4 沖擊斷口形貌

不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼粗晶區(qū)掃描斷口如圖4所示。

圖4 不同焊接熱輸入下Q345E低合金鋼熱影響粗晶區(qū)掃描斷口Fig.4 Q345E low alloy steel under different welding heat input heat affected coarse grain area scanning fracture

當(dāng)焊接熱輸入為2.68 kJ/mm時，試樣沖擊斷口表面出現(xiàn)韌窩，為韌性斷裂；其他焊接熱輸入試樣發(fā)生穿晶斷裂，斷口表面上的韌窩全部消失，被河流狀或扇形的解理小平面代替并有撕裂棱和伴隨有二次裂紋，斷口形貌為明顯的解理斷裂，沖擊性能較差。斷口形貌與試樣的沖擊性能吻合較好。

3 結(jié)論

（1）隨著焊接熱輸入的增加，過熱區(qū)組織由先共析鐵素體＋珠光體及部分馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w和針狀鐵素體組織，當(dāng)焊接熱輸入達到3.06 kJ/mm時，出現(xiàn)少量魏氏組織。

（2）隨著焊接熱輸入的增加，試件的顯微硬度逐漸降低。當(dāng)焊接熱輸入為1.35 kJ/mm時，顯微組織中有少量板條馬氏體，硬度最大。當(dāng)熱輸入為2.68 kJ/mm時，硬度下降較為明顯，主要原因是此時顯微組織主要為針狀鐵素。

（3）隨著焊接熱輸入的增加，沖擊功整體呈下降趨勢，但在焊接熱輸入為2.68 kJ/mm時出現(xiàn)上升，此時顯微組織為針狀鐵素體，沖擊功最大；斷口形貌為韌窩，沖擊功達到83 J。當(dāng)焊接熱輸入達到3.06 kJ/mm時，由于顯微組織中出現(xiàn)少量魏氏組織，沖擊功最低。