高强高韧Q420qE桥梁钢SHCCT曲线测试与焊接工艺制定

谯明亮，王同良，康双双

（1.南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏南京210035；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004）

前言

中国铁路桥梁正在向高速、重载、大跨和整体焊接节点方向发展，这对桥梁钢提出了更高的要求[1]。不仅要求钢板本身的强韧性匹配，同时为满足焊接制造要求，焊接接头同样要求具有优良的性能，桥梁设计构造复杂，厚度规格繁多，焊接施工难度大。能否满足高质量的不同形式的焊接要求，是需要研究和解决的关键技术问题。目前桥梁设计广泛使用的是Q345~Q370qE，而高性能Q420qE目前用量较少，缺乏系统的研究。

SHCCT（Simulated Heat Affect Zone Continuous Cooling Transformation）曲线可以反应钢材经历热循环后，不同冷却速度条件下各相的转变开始和终了温度，可以比较准确的判断焊接热影响区的组织、性能。并可以通过不同冷速条件下的组织、硬度变化初步评定钢板的焊接性，并为焊接工艺的制定提供参考。本文利用Gleeble 3500对高强高韧Q420qE进行SHCCT曲线测定，分析了不同冷速条件下组织、硬度变化规律，提出了适合高强高韧Q420qE焊接的热输入范围。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

试验钢为南钢提供的Q420qE工业试制钢板，利用260 mm连铸坯生产的18 mm厚Q420qE。试验钢坯料经铁水预处理、转炉冶炼、LF＋RH精炼等冶炼工艺后，S、P等杂质元素含量水平很低，实际成分如表1所示。

表1 Q420qE钢板的化学成分 （wt%）

1.2 试验方法

热模拟试样从Q420qE工业试制钢板上取样，试样尺寸Φ6×80 mm，在Gleeble-3500试验机上进行了SHCCT曲线测定[2]，具体工艺如图1所示：试验钢奥氏体化温度为1 350℃，保温时间3 s，加热速度 100 ℃/s，之后分别以 1、1.5、2、3、5、10、15、25、50℃/s的冷速冷却到200℃。通过热膨胀仪实时采集膨胀曲线，利用切线法确定相转变温度点。针对不同冷速样品，观察金相组织形态，测试了维氏硬度。结合测试和观察结果，绘制了试验钢的SHCCT图，分析了冷却速度对组织形态的影响规律。通过Gleeble 3500自带HAZ软件包，利用Rykalin 2D模型根据冷速反推大致的焊接热输入，初步提出了适合高强高韧Q420qE焊接的热输入范围。之后采用该模型模拟了试验钢在20、30、40、50、60 kJ/cm线能量下的热循环工艺过程，试样尺寸为10.5×10.5×75 mm，以验证根据SHCCT曲线推测的热输入范围，具体工艺参数如图2所示。

用线切割在热电偶附近的截面取样，磨制抛光后用4%的硝酸酒精腐蚀，在Axiover-200MAT金相显微镜下观察不同冷速模拟试样的金相组织形态；之后在FM-300型显微硬度计上进行维氏硬度测试，载荷10 kg，加载时间10s，测试时每个试样在热电偶所在截面打6个点，取平均值作为对应冷速下的硬度值；用线切割截取热电偶附近试样，机械减薄至70 μm，电解双喷后在JEM2100F型透射电镜下观察精细TEM组织。

为测试焊接热循环试样低温冲击韧性，将焊接热循环试样按GB/T 229加工成V形缺口冲击样品，缺口沿板厚方向开取，尖端位于热电偶所在截面，进行冲击功检验。

图1 SHCCT曲线测工艺模拟示意图

图2 模拟焊接热循环工艺图

2 实验结果与讨论

2.1 试验钢的SHCCT曲线

利用切线法对不同冷速下试验钢的热膨胀曲线进行处理，相变开始和相变终了温度如表2所示。结合金相组织和显微硬度，试验钢的SHCCT曲线如图3所示。可以看出，在1～50℃/s的范围内，相变开始温度和终了温度随冷速的增加而降低；在1～5℃/s冷速范围内，组织类型主要以粒状贝氏体（GB）为主并含有少量的针状铁素体（AF）。随着冷速的进一步增加到10℃/s，开始出现板条贝氏体（LB）；当冷速为＞15～50 ℃/s时，针状铁素体消失，且随着冷速的增加，板条贝氏体含量增多、粒状贝氏体含量减少。

表2 不同冷速下相变开始和终了温度

图3 Q420qE工业试制钢板SHCCT图

2.2 冷速对显微组织的影响

观察了试验钢在不同冷速下的金相组织，见图4所示。可以看出，当冷速较低，为1℃/s时，组织类型主要以粒状贝氏体为主，且晶粒尺寸粗大，如图4 a）所示。当冷速增加到5℃/s时，组织类型仍以粒状贝氏体为主，与1℃/s试样相比，其晶粒尺寸明显细化；针状铁素体仅占少数。当冷速为10℃/s时，开始出现板条贝氏体，且粒状贝氏体晶粒尺寸进一步减小；当冷速增加到25℃/s时，组织类型变为以板条贝氏体为主，粒状贝氏体的含量进一步降低尺寸进一步减小。

图5为冷速为1℃/s和25℃/s时的TEM组织。可以看出，冷速较低为1℃/s时，贝氏体铁素体基体呈大块状，且位错密度较低；M-A岛呈块状，主要分布在贝氏体铁素体基体的三角晶界处。冷速较高为25℃/s时，贝氏体铁素体基体呈细条状或杆状；M-A岛呈也呈条状分布于细长的贝氏体铁素体基体之间。

2.3 冷速对显微硬度的影响

利用Rykalin 2D模型根据T8/5时间反推的大致焊接热输入如表3所示，试验钢不同冷速下硬度随冷速的变化趋势如图6所示。

图4 典型冷速下试验钢金相组织

表3 不同线能量下试验钢的硬度

图5 典型冷速下试验钢TEM组织

从图6可以看出，随着冷速的增加，硬度逐渐升高。当冷速≤3℃/s时，组织类型主要以粗大的粒状贝氏体为主，如图4 a)所示，硬度值基本维持在210左右。当冷速提高到5℃/s时，硬度迅速提高到240，此时，粒状贝氏体组织明显细化，如图4 b)所示，硬度提高。当冷速提高到10℃/s时，组织中开始出现板条贝氏体，且粒状贝氏体晶粒尺寸进一步细化，如图4 c)所示，硬度进一步提高；随着冷速提高到50℃/s，板条贝氏体含量增加、尺寸细化，硬度基本呈线性增加趋势。通常来说，晶粒尺寸粗大的粒状贝氏体低温冲击韧性很差，焊接热影响区应尽量避免这类组织类型[3-5]；板条贝氏体由于存在Block结构，可以有效的细化原始奥氏体晶粒，同时Block界通常为大角度晶界，可以有效阻碍裂纹的扩展，提高低温冲击韧性[6-8]。

图6 试验钢显微硬度与冷速的关系

2.4 典型线能量对焊接热影响区粗晶区韧性的影响

试验钢不同焊接线能量下的模拟焊接热影响区粗晶区（CGHAZ）的维氏硬度和-40℃冲击功如表4所示。可以看出试验钢模拟CGHAZ的-40℃冲击功随线能量的增加而降低。当线能量为20 kJ/cm时，冲击功较高，为188 J；当线能量为40 kJ/cm时，冲击功为49 J，满足铁路钢桥制造规范-40℃低温冲击功不低于47 J的要求，并且，实际焊接通常为多层多道焊接，通过适当调整焊丝角度，可以使前一道焊缝的粗晶区进入后道焊缝的正火区范围内，细化粗晶区组织，进一步提高焊接接头热影响区的低温冲击韧性；当线能量进一步增加到60 kJ/cm时，-40℃冲击功降低至9 J。通过模拟不同热输入试验硬度与SHCCT测试试验硬度对比可知，HV10≥225时，模拟粗晶区低温冲击韧性满足使用要求，SHCCT对应的大致冷速为3℃/s，热输入大致为45 kJ/cm，因此，可以初步判断适合高强高韧Q420qE焊接的热输入范围是45 kJ/cm以下。

3 结论

1）高强高韧Q420qE钢SHCCT冷速为1~10℃/s时，组织类型主要以粒状贝氏体为主，当冷速超过10℃/s时，开始出现板条贝氏体。

2）随冷速的增加，相变开始和终了温度降低，贝氏体铁素体基体晶粒尺寸细化，由块状逐渐变为条状，维氏硬度随冷速的增加而增加。

表4 试验钢模拟CGHAZ冲击性能测试结果

3）初步推断高强高韧Q420qE钢适合焊接的热输入范围是45 kJ/cm以下。

[1]张黎杰,朱卫华,刘海宁.我国钢桥的发展 [J].山西建筑,2007,33(11):353-354.

[2]牛济泰.材料和热加工领域的物理模拟技术[M].国防工业出版社,1999.

[3]于庆波.M/A岛对粒状贝氏体钢冲击韧性的影响 [J].热加工工艺,2012,41(24):41-42.

[4]方鸿生,白秉哲,郑秀华,等.粒状贝氏体和粒状组织的形态与相变[J].金属学报,1986(4):6-11，142-143.

[5]王端军,付志斌,夏乾峰,等.焊接热输入对X90管线钢CGHAZ组织和冲击性能的影响[J].天津冶金,2014(1):23-25.

[6]Gao G,An B,Zhang H,et al.Concurrent enhancement of ductility and toughness in an ultrahigh strength lean alloy steel treated by bainite-based quenching-partitioning-tempering process[J].Materials Science&Engineering A,2017.

[7]Liu L,Xiao H,Li Q,et al.Evaluation of the Fracture Toughness of X70 Pipeline Steel with Ferrite-bainite Microstructure[J].Materials Science&Engineering A,2017,688:388-395.

[8]Wang X L,Wang Z Q,Dong L L,et al.New insights into the mechanism of cooling rate on the impact toughness of coarse grained heat affected zone from the aspect of variant selection[J].Materials Science&Engineering A,2017,704.