Q690D低合金高強(qiáng)鋼模擬焊接熱影響區(qū)的組織和性能

朱梓坤，韓陽(yáng)，張舟，張義，周龍?jiān)?/p>

摘要： 使用Gleeble-3500熱模擬機(jī)對(duì)Q690D低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行了焊接熱模擬，得到了一次和二次焊接熱循環(huán)時(shí)不同峰值溫度和冷卻時(shí)間下的熱影響區(qū)組織，并進(jìn)行了顯微組織觀察、硬度測(cè)試、沖擊性能測(cè)試及斷口形貌分析。結(jié)果表明，一次焊接熱循環(huán)時(shí)，隨著焊接熱循環(huán)峰值溫度的增加，試樣顯微組織逐漸粗化，并由粒狀貝氏體組織向上貝氏體和板條馬氏體組織轉(zhuǎn)變，硬度增加，沖擊性能惡化。熱循環(huán)峰值溫度為900 ℃時(shí)，沖擊吸收能量最大為78.95 J;峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，沖擊吸收能量最小值僅為17 J。沖擊斷口由延性斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變。在同一峰值溫度下，隨著冷卻時(shí)間t8/5的增加，試樣硬度降低，而沖擊吸收能量也隨之降低。二次焊接熱循環(huán)時(shí)，試樣顯微組織晶粒粗大，主要為板條馬氏體，且硬度更高，沖擊性能繼續(xù)惡化，沖擊吸收能量最低值僅為24.99 J，沖擊斷口主要為解理斷離和準(zhǔn)解理斷裂，說(shuō)明二次焊接熱循環(huán)導(dǎo)致試樣性能變差。

關(guān)鍵詞： 焊接熱循環(huán); 低合金高強(qiáng)鋼; 熱影響區(qū); 顯微組織

中圖分類號(hào)： TG 406

Microstructure and properties of simulated heat affected zone of

Q690D low alloy high strength steel

Zhu Zikun1， Han Yang2， Zhang Zhou2， Zhang Yi2， Zhou Longzao1

（1. Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China;

2. First Engineering Co.， Ltd.， China Construction Third Bureau， Wuhan 430048， China）

Abstract： Gleeble-3500 thermal simulator was used to simulate the welding heat of Q690D low alloy high strength steel， and the microstructure of the heat-affected zone under different peak temperatures and cooling times during the first and second welding thermal cycles was obtained. The microstructure observation， hardness test， impact property test and fracture morphology analysis were carried out. The result showed that in the first welding thermal cycle， with the increase of the peak temperature of the welding thermal cycle， microstructure of samples became gradually coarsened， the granular bainite transformed to upper bainite and lath martensite， the hardness increased and the impact performance deteriorated. When the thermal cycle peak temperature was 900 ℃， the maximum impact energy absorption was 78.95 J. When the peak temperature was 1 350 ℃， the minimum impact energy absorption was only 17 J. The impact fracture changed from ductile fracture to dissociative fracture. At the same peak temperature， as the cooling time t8/5 increased， the hardness of the sample decreased and the impact performance deteriorated. In the second welding thermal cycle， microstructure of samples was coarse grain， mainly lath martensite， the hardness was higher and the impact performance continued to deteriorate. The lowest value of impact energy absorption was only 24.99 J， and the impact fracture was mainly cleavage fracture and quasi cleavage fracture， which indicated that the performance of samples deteriorated due to the second welding thermal cycle.

Key words：? ?welding thermal cycle; low alloy high strength steel; heat-affected zone; microstructure

0前言

Q690D屬于低合金高強(qiáng)鋼，具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和韌性及良好的焊接性和耐腐蝕性能，在建筑、橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是在Q690D的焊接過(guò)程中， 焊縫兩側(cè)在焊接熱源作用下形成的溫度場(chǎng)使近縫區(qū)不同部位的母材受到了不同熱循環(huán)作用：靠近熔合線的粗晶區(qū)由于受到的熱循環(huán)峰值溫度高，是焊接接頭中組織最粗大，性能最薄弱的區(qū)域[4-5];處于Ac1～Ac3之間溫度范圍的熱影響區(qū)，有一部分組織發(fā)生了固態(tài)相變，產(chǎn)生晶粒尺寸不均勻，導(dǎo)致性能的變化[6]。而對(duì)于多層多道焊，后續(xù)焊道的熱源對(duì)之前的熱影響區(qū)仍有影響，使得其組織更加復(fù)雜，因此對(duì)焊接熱影響區(qū)的組織和性能進(jìn)行研究對(duì)于保證焊接接頭質(zhì)量具有重要的意義。由于熱影響區(qū)很小，通常只有幾毫米，但各個(gè)區(qū)域的組織和性能區(qū)別較大，使用實(shí)際焊接試驗(yàn)的方式較難對(duì)各區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分，而使用Gleeble熱模擬機(jī)進(jìn)行焊接熱模擬則可以獲得不同熱影響區(qū)的組織，方便對(duì)其組織形態(tài)和性能進(jìn)行研究[7-10]。

文中通過(guò)使用Gleeble-3500熱模擬機(jī)，對(duì)試樣進(jìn)行一次和二次焊接熱循環(huán)模擬，以獲得各熱影響區(qū)的組織，并對(duì)其力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行測(cè)試觀察，研究一次和二次熱循環(huán)作用下不同熱循環(huán)峰值溫度和t8/5冷卻時(shí)間下的組織和性能。

1試驗(yàn)方法

熱模擬試樣如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[11]計(jì)算Q690D的Ac1為724 ℃，Ac3為847 ℃。使用Gleeble-3500熱模擬機(jī)模擬焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的峰值溫度為1 350 ℃，另設(shè)峰值溫度為1 150 ℃作為對(duì)照組，用于對(duì)比峰值溫度1 350 ℃下的組織，同時(shí)也為觀察粗晶區(qū)原奧氏體晶粒的長(zhǎng)大行為。模擬焊接熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)的峰值溫度分別為900 ℃和800 ℃[12]。各峰值溫度下的冷卻速度t8/5為10 s，30 s，50 s。

選取二次熱循環(huán)峰值溫度1 350 ℃，900 ℃，800 ℃以分別模擬未變粗晶區(qū)、過(guò)臨界粗晶區(qū)、臨界粗晶區(qū)，設(shè)置二次熱循環(huán)冷卻速度t8/5為30 s。具體熱模擬試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。將熱模擬試樣在熱電偶處切開(kāi)，作為顯微組織觀察面，試樣尺寸為11 mm×11 mm×8 mm。試樣經(jīng)不同粒度的砂紙打磨，然后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光。最后用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。并使用維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)試樣進(jìn)行3次硬度測(cè)試后取平均值，所用加載條件為1.96 N。將熱模擬試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，沖擊試驗(yàn)溫度為-20 ℃，將試樣置于低溫槽中保溫20 min，待溫度降低到要求后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每一條件下沖擊3個(gè)試樣，沖擊吸收能量取平均值，并對(duì)沖擊試樣斷口進(jìn)行SEM分析。2結(jié)果分析

2.1一次焊接熱循環(huán)的組織和性能

2.1.1顯微組織觀察

一次焊接熱循環(huán)時(shí)，不同峰值溫度和冷卻時(shí)間t8/5下的顯微組織如圖2～圖5所示。通過(guò)各峰值溫度的組織圖片，能夠明顯看到隨著峰值溫度的提高，晶粒呈現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)大的過(guò)程。峰值溫度為800 ℃，處于Ac1～Ac3之間，基體組織沒(méi)有完全奧氏體化，新的奧氏體晶粒較細(xì)小，組織主要以粒狀貝氏體+鐵素體組織為主。

峰值溫度為900 ℃時(shí)，母材在剛完全奧氏體化后隨即冷卻，原奧氏體晶粒來(lái)不及進(jìn)一步長(zhǎng)大，冷卻后組織明顯細(xì)化，主要為細(xì)小的粒狀貝氏體。峰值溫度為1 150 ℃時(shí)，奧氏體晶粒得以長(zhǎng)大，在較快的冷卻速度下，得到板條狀馬氏體和貝氏體組織，而且可以看到在t8/5=30 s時(shí)，晶粒明顯相較于10 s和50 s時(shí)更小。峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，處于完全淬火區(qū)的粗晶區(qū)，晶粒明顯長(zhǎng)大，組織主要為板條馬氏體，粗大的板條馬氏體呈束狀排列交錯(cuò)分布于原奧氏體晶粒內(nèi)，一個(gè)原奧氏體晶粒中平均含有若干個(gè)板條束，似筐籃狀，呈典型板條馬氏體形貌特征。但隨著t8/5時(shí)間的增加，板條馬氏體組織開(kāi)始明顯減少，并出現(xiàn)粒狀貝氏體組織。

2.1.2硬度測(cè)試分析

一次焊接熱循環(huán)時(shí)，不同峰值溫度和冷卻時(shí)間t8/5的硬度如圖6所示。同時(shí)，測(cè)得母材的硬度為249 HV，與各熱影響區(qū)硬度進(jìn)行比較?？梢钥闯觯谙嗤睦鋮s速度下，隨著熱模擬峰值溫度的增大，熱影響區(qū)的硬度隨之增加;而在相同的峰值溫度下，除峰值溫度為1 150 ℃，t8/5為30 s的點(diǎn)外，硬度隨冷卻速度的減小而減小。粗晶區(qū)主要為板條馬氏體和貝氏體的混合組織，這2種組織都具有較高的硬度，所以粗晶區(qū)的硬度最大，最高可達(dá)432 HV。隨著冷卻速度的降低，粗晶區(qū)組織中板條馬氏體的含量不斷減少，粒狀貝氏體的含量不斷增加，而貝氏體的硬度相較于板條馬氏體更低，同時(shí)粗晶區(qū)的晶粒不斷粗化，使得該區(qū)硬度不斷降低。細(xì)晶區(qū)各冷卻速度下硬度變化不明顯，且略高于母材硬度。不完全淬火區(qū)組織中含有大量的鐵素體組織，且晶粒大小不均勻，其硬度在熱影響區(qū)中最低，且隨著冷卻速度的降低，臨界區(qū)的硬度變化不明顯。

2.1.3沖擊試驗(yàn)結(jié)果及斷口分析

Q690D鋼的低溫沖擊吸收能量為74.8 J，熱模擬試樣沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，沖擊吸收能量很低，并且隨著冷卻時(shí)間t8/5的延長(zhǎng)，沖擊吸收能量呈現(xiàn)出一個(gè)下降的趨勢(shì)，該區(qū)的顯微組織主要為粗大的板條馬氏體組織，由于過(guò)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致組織性能惡化，沖擊韌性很差。在峰值溫度為1 150 ℃時(shí)，沖擊韌性好于峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，但仍處于較低水平。同樣，隨著冷卻時(shí)間t8/5的延長(zhǎng)，試樣的沖擊韌性也表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。模擬細(xì)晶區(qū)的峰值溫度為900 ℃，母材在剛完全奧氏體化后隨即冷卻，原奧氏體晶粒來(lái)不及進(jìn)一步長(zhǎng)大，從而在冷卻終了時(shí)容易得到細(xì)晶組織，使得沖擊值較于粗晶區(qū)有較大的提升。同時(shí)，在冷卻時(shí)間t8/5為10 s和30 s時(shí)，沖擊吸收能量相差不大，但當(dāng)其增加到50 s時(shí)，沖擊吸收能量有一個(gè)較大幅度的下降。峰值溫度為800 ℃時(shí)正處于該母材的部分淬火區(qū)，即在鋼的Ac1～Ac3之間，該區(qū)的沖擊韌性表現(xiàn)為略高于峰值溫度為1 150 ℃的淬火粗晶區(qū)，但低于細(xì)晶區(qū)。

對(duì)冷卻速度t8/5為30 s的沖擊斷口的放射區(qū)進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖7和圖8所示。對(duì)宏觀斷口形貌分析可知，峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，整個(gè)切口斷面放射區(qū)所占比例極大，在斷口缺口附近幾乎看不到纖維區(qū)，整個(gè)斷口較為平整，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的金屬光澤，呈亮灰色，有明顯的結(jié)晶顆粒，表現(xiàn)為結(jié)晶狀斷口;峰值溫度為1 150 ℃時(shí)，斷面放射區(qū)比例很大，在缺口附近的纖維區(qū)僅有一小部分，形貌特征與峰值溫度為1 350 ℃時(shí)相似;峰值溫度為900 ℃時(shí)，剪切唇區(qū)和纖維區(qū)所占比例最大，斷口產(chǎn)生了明顯的宏觀塑性變形，斷口粗糙，呈暗灰色，韌性斷裂傾向增大，說(shuō)明該區(qū)韌性最好;峰值溫度為800 ℃時(shí)，剪切唇區(qū)和纖維區(qū)的面積較峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時(shí)更大，但不及峰值溫度為900 ℃時(shí)的面積。對(duì)顯微斷口形貌進(jìn)行分析可知，峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時(shí)，可以看到整個(gè)斷面被大量的解理臺(tái)階，“河流花樣”、“舌狀花樣”所占據(jù)，表現(xiàn)為典型的解理斷口特征;峰值溫度為900 ℃時(shí)，有很多細(xì)而小的韌窩，局部區(qū)域有大的顯微空洞，表明為延性斷裂，在部分韌窩中心底部存在著白色的顆粒物，為第二相質(zhì)點(diǎn)或折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒。峰值溫度為800 ℃時(shí)，有許多短而彎曲的撕裂棱線條，表現(xiàn)出明顯的“河流花樣”特征，同時(shí)在局部區(qū)域又有反映韌性斷口特征的韌窩出現(xiàn)，斷面上有凹陷和二次裂紋的出現(xiàn)，屬于韌性斷裂和解理斷裂之間的準(zhǔn)解理斷口。

2.2二次焊接熱循環(huán)的組織和性能

2.2.1顯微組織觀察

二次焊接熱循環(huán)不同峰值溫度的顯微組織如圖9所示，由于第一次熱循環(huán)溫度較高，導(dǎo)致晶粒粗化，在經(jīng)歷了二次熱循環(huán)后，主要的顯微組織仍為板條馬氏體，隨著二次熱循環(huán)峰值溫度的降低，上貝氏體、粒狀貝氏體開(kāi)始增多，晶粒粗化程度有所降低。當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，主要組織為板條馬氏體，且其晶粒尺寸相較于單次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃時(shí)更大，因此性能惡化更為嚴(yán)重。當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度為1 150 ℃時(shí)晶粒尺寸有所減小，其主要組織仍為板條馬氏體，當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度進(jìn)一步降低到900 ℃，800 ℃時(shí)，出現(xiàn)了部分上貝氏體組織和粒狀貝氏體組織?？偟膩?lái)說(shuō)，在一次熱循環(huán)時(shí)過(guò)高的峰值溫度試樣晶粒尺寸都較大，韌性較低，雖然二次熱循環(huán)峰值溫度較低時(shí)，對(duì)組織晶粒的細(xì)化有一定作用，但是程度有限，試樣仍然硬度高、韌性低，綜合性能較差。

2.2.2硬度測(cè)試分析

二次焊接熱循環(huán)的顯微硬度測(cè)試值見(jiàn)表3，隨著二次熱循環(huán)峰值溫度的上升，熱模擬試樣的硬度也逐漸增加。與一次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃、冷卻時(shí)間t8/5為30 s的熱模擬試樣相比（硬度為389.43 HV），經(jīng)歷了二次熱循環(huán)的熱模擬試樣硬度值都更高，即使二次熱循環(huán)的峰值溫度為800 ℃和900 ℃，此時(shí)應(yīng)當(dāng)為臨界粗晶區(qū)和過(guò)臨界粗晶區(qū)，其硬度值仍要比389.43 HV更高，說(shuō)明二次熱循環(huán)峰值溫度較低時(shí)對(duì)試樣的軟化作用并不明顯，甚至?xí)?dǎo)致試樣更硬，韌性惡化。

2.2.3沖擊試驗(yàn)結(jié)果及斷口分析

沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比一次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃、冷卻時(shí)間t8/5為30 s時(shí)的低溫沖擊吸收能量26.9 J，在經(jīng)歷第二次熱循環(huán)后，第二次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃，1 150 ℃，900 ℃時(shí)，沖擊吸收能量均〗略低于26.9 J，僅當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度為800 ℃時(shí)，沖擊吸收能量為28.47 J，略大于26.9 J，說(shuō)明二次熱循環(huán)對(duì)沖擊吸收能量沒(méi)有明顯的改善作用，甚至當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度大于900 ℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖擊性能降低。

對(duì)不同峰值溫度下沖擊試樣斷口的放射區(qū)進(jìn)行觀察，得到的SEM圖片如圖10和圖11所示。對(duì)宏觀斷口形貌分析可知，當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度為1 150 ℃和1 350 ℃時(shí)，試樣的宏觀斷面由平整的結(jié)晶狀斷口變?yōu)槌霈F(xiàn)了很多空洞且凹凸不平，說(shuō)明其韌性惡化已經(jīng)十分嚴(yán)重，試樣脆性很大。與單次熱循環(huán)峰值溫度為1 350 ℃的熱模擬試樣相比，二次熱循環(huán)峰值溫度為800 ℃和900 ℃時(shí)，試樣纖維區(qū)面積和剪切唇區(qū)面積略有增加，但是其斷面仍為平坦的結(jié)晶狀斷口。對(duì)顯微斷口形貌進(jìn)行分析可知，隨著二次熱循環(huán)峰值溫度升高，試樣由準(zhǔn)解理斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變。二次熱循環(huán)峰值溫度為800 ℃時(shí)，斷口上出現(xiàn)了大的撕裂棱，存在密集細(xì)小的韌窩帶，解理刻面較小。二次熱循環(huán)峰值溫度為900 ℃時(shí)，韌窩帶變少，解理平臺(tái)更大，出現(xiàn)了更多的解理斷裂特征。二次熱循環(huán)峰值溫度為1 150 ℃時(shí)?！昂恿骰印钡摹爸Я鳌毕鄬?duì)短小，解理平面更加平直，放射區(qū)已經(jīng)找不到韌窩出現(xiàn)，并出現(xiàn)了部分大的空洞。當(dāng)二次峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，可以分辨出很多解理平臺(tái)，且有很多大的空洞和二次裂紋出現(xiàn)，此時(shí)試樣脆性很大，為典型的解理斷裂。

3結(jié)論

（1）一次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣，隨著熱循環(huán)峰值溫度的增加，顯微組織晶粒逐漸粗化，由粒狀貝氏體組織向上貝氏體和板條馬氏體組織轉(zhuǎn)變;二次熱循環(huán)熱模擬試樣晶粒粗大，顯微組織主要為板條馬氏體組織，隨著二次熱循環(huán)峰值溫度降低，開(kāi)始出現(xiàn)部分上貝氏體和粒狀貝氏體組織。

（2）一次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣，隨著峰值溫度的增加，試樣的顯微硬度逐漸增大，且隨著冷卻時(shí)間t8/5的增加，顯微硬度呈下降趨勢(shì);二次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣，隨著峰值溫度的增加，顯微硬度逐漸增大，且比單次熱循環(huán)的熱模擬試樣硬度更大，說(shuō)明二次熱循環(huán)即使峰值溫度較低，仍會(huì)導(dǎo)致試樣硬度增加。

（3）一次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣，峰值溫度為900 ℃時(shí)，試樣的沖擊吸收能量最高，韌性最好，峰值溫度為1 350 ℃時(shí)，試樣韌性惡化，沖擊吸收能量最低，隨著冷卻時(shí)間t8/5的增加，試樣的沖擊吸收能量呈下降趨勢(shì);二次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣韌性較差，為脆性斷裂，沖擊吸收能量為20～30 J。

（4）一次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣，峰值溫度為1 350 ℃和1 150 ℃時(shí)，為解理斷裂，微觀斷口形貌出現(xiàn)大量解理臺(tái)階、“河流花樣”形貌，峰值溫度為900 ℃時(shí)，為延性斷裂，斷口面由大量的韌窩，韌窩中心底部存在第二相粒子或夾雜物，峰值溫度為800 ℃時(shí)，為準(zhǔn)解理斷裂;二次焊接熱循環(huán)熱模擬試樣為準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂，二次熱循環(huán)峰值溫度越高，試樣的解理斷裂特征約明顯，脆性越大。

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收稿日期： 2021-09-22

朱梓坤簡(jiǎn)介： 碩士研究生;主要從事高強(qiáng)鋼焊接方面的研究;779690021@qq.com。

周龍?jiān)绾?jiǎn)介：通信作者，博士，副教授;主要從事電子封裝技術(shù)、焊縫金屬?gòu)?qiáng)韌化、焊接冶金過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變過(guò)程、焊接工藝及設(shè)備研究;lzzhou@hust.edu.cn。