J390FR耐火鋼焊條模擬火災(zāi)條件下高溫性能

陳林恒， 劉厚濤， 陳波， 范益， 霍樹斌

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇省高端鋼鐵材料重點實驗室，江蘇 南京 210035；2.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 前言

國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)的大型建筑、高層建筑不斷涌現(xiàn)，建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火工藝設(shè)計已成為保證建筑安全的必要措施之一。普通建筑用鋼受熱時其強度和承載能力迅速降低，不能滿足設(shè)計要求[1-2]。耐火型高建鋼是一種具有優(yōu)異高溫性能的材料，在600 ℃高溫狀態(tài)下，耐火型高建鋼可以保持2/3 以上的室溫屈服強度，在火災(zāi)發(fā)生時，耐火鋼結(jié)構(gòu)的建筑具有更高的安全性[3-4]。目前國內(nèi)外耐火鋼板材包括傳統(tǒng)型和南京鋼鐵股份有限公司研發(fā)的“智能型”耐火鋼，其性能機理性研究相對完整，但是不同級別耐火鋼配套用焊材研究開發(fā)相對較少。通過對焊材生產(chǎn)廠商的調(diào)研，目前，國外僅有日本神鋼對不同級別耐火鋼配套用焊材進行研究開發(fā)，國內(nèi)尚無焊材生產(chǎn)廠商進行研制。因此，該研究是哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司為390 MPa級耐火鋼提供配套焊條，并研究耐火鋼焊條熔敷金屬高溫性能穩(wěn)定的機理，為不同級別耐火鋼配套焊材研究提供理論依據(jù)。

1 試驗方法

為了滿足390 MPa級耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能要求(性能要求見表1)，試驗中焊條用焊芯保持不變，通過焊條藥皮向熔敷金屬中過渡元素，調(diào)整合金元素含量，最終獲得三批次焊條小樣；焊接用試板是由南京鋼鐵股份有限公司提供，牌號是Q390FR，尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，開V形坡口，坡口角度45°焊接工藝參數(shù)見表2。焊后將試板加工成10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)夏比V形缺口沖擊試樣和φ10 mm的室溫和高溫拉伸試樣。金相試樣選擇焊態(tài)拉伸試樣和熱處理后經(jīng)過高溫拉伸試驗后的試樣進行金相觀察。金相試樣經(jīng)研磨拋光兩端面后采用腐蝕劑腐蝕10～30 s，觀察其金相組織形貌。

表1 390 MPa級耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能要求

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊條熔敷金屬化學(xué)成分

試驗通過改變焊條藥皮中不同合金元素含量，向熔敷金屬中過渡，主要包括C，Mn，Ni，Mo四種合金元素，并制備了三批次焊條小樣，焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表3。

表3 三批次焊條小樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 焊條熔敷金屬力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.2.1焊條熔敷金屬沖擊性能

焊條熔敷金屬低溫沖擊試驗按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》的要求進行，試驗結(jié)果見表4。從表4可以得出，三批焊條熔敷金屬低溫沖擊韌性均能滿足在-40 ℃下沖擊吸收能量大于34 J要求，低溫沖擊韌性在低強度耐火鋼配套焊條熔敷金屬性能較容易達到。

表4 三批次焊條小樣熔敷金屬沖擊性能

2.2.2焊條熔敷金屬拉伸性能

焊條熔敷金屬室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗分別按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗第2部分：高溫試驗方法》的要求進行，試驗結(jié)果見表5。熱處理狀態(tài)600 ℃×3 h是模擬經(jīng)歷火災(zāi)狀態(tài)下焊條熔敷金屬所經(jīng)歷的高溫情況。表3和表5分別為研制三批焊條小樣熔敷金屬化學(xué)成分和不同熱處理狀態(tài)下的拉伸性能，耐火鋼用焊材熔敷金屬主要考察室溫屈服強度、在遭受火災(zāi)情況下高溫屈服強度。

表5 三批次焊條小樣熔敷金屬拉伸性能

1號是傳統(tǒng)390 MPa級低合金結(jié)構(gòu)鋼配套焊條，其室溫屈服強度較高，超過標(biāo)準(zhǔn)中板材技術(shù)要求345～510 MPa，同時模擬火災(zāi)狀態(tài)的熱處理后，其高溫屈服強度會發(fā)生大幅度降低，從而喪失結(jié)構(gòu)鋼相應(yīng)的承載能力。

與1號焊條相比，2號和3號焊條均增加元素Mo的含量，其中3號焊條降低合金元素C和Mn含量。結(jié)果表明，2號焊條熔敷金屬室溫屈服強度超出了技術(shù)要求上限值，但高溫屈服強度強度提高。3號焊條熔敷金屬室溫屈服強度降低，高溫強度未發(fā)生明顯變化，能夠與標(biāo)準(zhǔn)中板材技術(shù)要求相匹配，因此3號焊條化學(xué)成分設(shè)計最為合理。

通過三批次焊條小樣熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能對比，合金元素C和Mn對室溫屈服強度影響作用較為明顯，隨著C和Mn合金元素含量降低，室溫屈服強度下降較為明顯，但對高溫屈服強度影響不大；Mo對室溫和高溫屈服強度均有顯著影響，尤其有利于提高焊條熔敷金屬高溫屈服強度。

2.3 焊條熔敷金屬微觀組織

2.3.11號焊條熔敷金屬微觀組織

圖1是1號焊條熔敷金屬在焊態(tài)和經(jīng)模擬二次火災(zāi)(600 ℃×3 h)狀態(tài)下微觀組織，白色區(qū)為先共析鐵素體，灰白區(qū)為貝氏體以及在晶界析出黑色區(qū)的碳化物。焊縫中心和前道焊縫熔敷金屬的重?zé)徇^熱區(qū)經(jīng)600 ℃高溫處理后，組織未發(fā)生明顯變化，均是由先共析鐵素體、貝氏體和少量晶界析出碳化物。前道焊縫熔敷金屬的重?zé)岵煌耆饏^(qū)，鐵素體晶界存在較多斷續(xù)狀的碳化析出物，呈一定方向性。分析認(rèn)為該區(qū)域經(jīng)過焊接熱循環(huán)過程，沿原焊縫柱狀晶組織方向分解析出的碳化物。這些碳化析出物不利于熔敷金屬力學(xué)性能[5]，從而降低了整體焊縫的高溫性能。

圖1 1號焊條熔敷金屬在焊態(tài)和經(jīng)模擬二次火災(zāi)狀態(tài)下微觀組織

2.3.22號焊條熔敷金屬微觀組織

2號焊條熔敷金屬在焊態(tài)和經(jīng)模擬二次火災(zāi)(600 ℃×3 h)狀態(tài)下的微觀組織，如圖2所示。焊縫中心均為典型的柱狀晶組織，由白色區(qū)的鐵素體+灰白區(qū)的貝氏體組成；前道焊縫熔敷金屬的重?zé)徇^熱區(qū)晶粒尺寸相對較大，組織均為白色區(qū)的鐵素體和灰黑區(qū)的貝氏體；前道焊縫熔敷金屬的重?zé)岵煌耆饏^(qū)，晶粒尺寸細(xì)小，組織均是由白色區(qū)的鐵素體、少量灰黑區(qū)的貝氏體和分布均勻的黑色M-A組成，且經(jīng)過600 ℃高溫回火后，M-A數(shù)量減少。

圖2 2號焊條熔敷金屬在焊態(tài)和經(jīng)模擬二次火災(zāi)狀態(tài)下微觀組織

Liu等人[6]研究認(rèn)為，溫度升高時，M-A組織中的馬氏體發(fā)生分解，硬度下降，殘余奧氏體也發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成回火馬氏體，同時M-A分解也生成碳化物分布于在鐵素體晶界，阻礙了晶界的相互融合和移動，防止晶粒粗化，從而保證高溫強度穩(wěn)定。同時，在600 ℃高溫，溶于M-A的Mn，Mo合金元素分解并移動到滲碳體中，阻止合金滲碳體長大，使合金滲碳體形成細(xì)小彌散的顆粒，保證了組織在600 ℃高溫下的穩(wěn)定性。

2.3.32號焊條熔敷金屬掃描電鏡組織

2號焊條熔敷金屬通過掃描電鏡觀察(如圖3所示)發(fā)現(xiàn)，其焊縫金屬是由先共析鐵素體、針狀鐵素體及晶界析出的碳化物，結(jié)合能譜分析發(fā)現(xiàn)(52號能譜分析區(qū)域是析出碳化物，53號能譜分析區(qū)域是針狀鐵素體，54號能譜分析區(qū)域是先共析鐵素體)，Mo元素主要以兩種形式存在，一是固溶于先共析鐵素體，二是在晶界處以碳化物形式析出。姚運等人[7]研究表明，在耐熱鋼中，當(dāng)Mo<0.3%，Mo元素主要以固溶在鐵素體中為主，600 ℃高溫狀態(tài)鐵素體化熱處理鋼屈服強度是通過固溶強化作用提高；Mo>0.3%時，出現(xiàn)析出相Mo2C，隨著Mo元素含量的增加Mo2C數(shù)量和尺寸明顯增加，其高溫屈服強度通過固溶強化和沉淀強化共同作用來提高。

圖3 2號焊縫金屬掃描電鏡下組織形貌

表6 EDS能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊縫金屬和前道焊縫熔敷金屬的重?zé)徇^熱區(qū)處于高溫區(qū)，伴隨著焊道的快速冷卻，來不及析出M-A組織。因此2號焊條熔敷金屬中焊縫金屬和前道焊縫熔敷金屬的重?zé)徇^熱區(qū)，高溫屈服強度增量主要依靠固溶強化和沉淀強化作用獲得。

3 結(jié)論

(1)研制的耐火鋼焊條熔敷金屬中合金元素C和Mn對室溫屈服強度影響作用較為明顯，隨著C和Mn合金元素含量降低，室溫屈服下降較為明顯，但對高溫屈服強度影響不大； Mo對室溫和高溫屈服強度均有顯著影響，尤其有利于提高焊條熔敷金屬高溫屈服強度。

(2)Mo含量較低的低合金高強鋼焊條熔敷金屬主要由先共析鐵素體、貝氏體和碳化析出物組成，前道焊縫熔敷金屬的重?zé)岵煌耆饏^(qū)的碳化物，主要在鐵素體晶界析出，呈一定方向性，使高溫屈服強度降低程度較大。

(3)研制的耐火鋼焊條熔敷金屬組織包括先共析鐵素體、貝氏體以及M-A，經(jīng)過高溫處理后，由于M-A組織分解，形成細(xì)小彌散的碳化物，阻止晶粒長大，保證了組織在600 ℃高溫下的穩(wěn)定性；Mo元素主要存在于焊縫金屬的先共析鐵素體和晶界析出的碳化物中，依靠固溶強化和沉淀強化在一定程度上提高了高溫屈服強度。