基于Jmat-pro计算的Q345级别耐火钢焊接工艺评定

万荣春 方艺蒙 曹宝山 马庆岩 龚勋

摘要：通过测定焊接热影响区连续冷却转变（SH-CCT）曲线图评定两种Q345级别低Mo（约0.25 wt.%）耐火钢焊接工艺。试验结果表明，Q1钢当实际冷却时间t8/5>43s时，焊接的热影响区以及熔合区附近不会产生开裂，而当t8/5<43s时，热影响区或熔合区有开裂的可能；Q2钢当实际冷却时间t8/5>44s时，焊接热影响区和熔合区附近不会产生开裂，而当t8/5<44s时，热影响区或熔合区有开裂的可能。此外，Jmat-pro软件对Ac3的计算有一定的准确性，但对连续冷却转变（CCT）曲线误差较大，特别是Q2钢的计算值与实测值差距更大，只具有参考价值。

关键词：低Mo；耐火钢；焊接工艺

随着经济社会的发展，钢结构由于具有高强度、绿色环保等优点被大量应用在建筑领域，如鸟巢、世贸大厦等超高层和大跨度建筑。但由于钢结构的防火性能较差，通常需要在其表面刷涂耐火层，必然会增加其建筑成本并对环境造成污染[1]。耐火钢的特点是在600℃时能保持三分之二的室温屈服强度，

而普通建筑钢在600℃时只能保持二分之一的室温屈服强度[2-4]。由于耐火钢具有的性能，其被大量应用于超高层建筑等消防安全要求高的地方，尤其是美国“9.11事件”之后[4-6]。耐火钢作为建筑用钢，其焊接工艺性能备受重视，因此对其焊接工艺进行计算评定具有重要意义。

本文将对两种Q345级别低Mo（含量约0.25 wt.%）耐火钢的焊接工艺进行计算评定。通过Jmat-pro软件计算试验钢连续冷却转变（CCT）曲线和等温转变（TTT）曲线。采用焊接热模拟方法，绘制Q1和Q2钢焊接热影响区连续冷却转变曲线（SH-CCT）图，通过SH-CCT曲线图和实际焊接过程的冷却速度t8/5，对不同焊接工艺下粗晶区的组织及性能进行预测，为Q345级别的低Mo耐火鋼的应用提供一定参考依据。

1 试验材料与方法

试验材料为Q1和Q2两种Q345级别20mm厚热轧态的耐火钢。Q1和Q2钢的具体化学成分如表1所示。两种试验钢的化学成分基本接近，Q2钢比Q1钢多添加0.03 wt. %左右的Nb、V、Ti微合金元素。

试验钢SH-CCT曲线图测定。测试设备为BAHR Thermo analyse 热膨胀快速相变仪。实验条件：奥氏体化温度为1140℃，保温时间为5min，以200℃/h升降温度测Ac1、Ac3。试样尺寸：直径d=φ4mm，高度h=10mm。保温后试样冷却速度分别为100℃/h、200℃/h、500℃/h、1000℃/h、（Ac1-RT）/50s、（Ac1-RT）/100s、（Ac1-RT）/500s、（Ac1-RT）/1000s，其中RT代表室温。此外，还有利用Jmat-pro软件计算Q1和Q2钢CCT和TTT曲线。

对试验钢SH-CCT曲线图测定后的试样进行镶嵌、研磨、抛光，用4%的硝酸酒精浸蚀吹干，利用ZEISS 倒置式显微镜Axio Vert A1观察组织形貌。

2 试验结果与分析

2.1 焊接工艺模拟计算

根据Q1的化学成分利用Jmat-pro软件计算CCT和TTT曲线如图1和图2所示。从图1中可发现Q1钢Ac3的温度为898.37℃。当t8/5>4500s时，在焊接的热影响区和熔合线附近可全部得到珠光体+铁素体组织；150s项目基金：中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目t8/5<4500s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到铁素体+珠光体+贝氏体组织；2s项目基金：中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目t8/5<150s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到铁素体+贝氏体组织；t8/5<2s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到马氏体组织。

根据Q2钢的成分利用Jmat-pro软件计算CCT和TTT曲线如图2所示，Q2钢Ac3的温度为896.52℃。对比图1和图2可见，实际焊接过程的冷却速度t8/5对焊接工艺下粗晶区的组织影响与Q1钢相差不大。当t8/5≥4500s时，在焊接热影响区熔合线附近可全部得到珠光体+铁素体组织；150s≤t8/5<4500s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到铁素体+珠光体+贝氏体组织；2s≤t8/5<150s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到铁素体+贝氏体组织；t8/5<2s时，焊接热影响区熔合线附近可全部得到马氏体+铁素体组织。

2.2 模拟计算结果与实测SH-CCT曲线的对比

利用测定平衡临界温度的膨胀曲线，可以求得钢的临界转变温度点如表2所示。从表2中可见计算值与实测值的差在27℃内，误差小于3%，相对来说计算值还是具有参考价值的。

表3和表4分别为Q1和Q2钢冷却速度、冷却时间、显微硬度及组织的相互关系，试验钢组织有铁素体（F）、珠光体（P）、贝氏体（B）和马氏体（M）。

利用表3和表4可以绘制出Q1和Q2钢的SH-CCT曲线图。图3所示为Q1钢SH-CCT曲线图，从中可见SH-CCT曲线主要有4部分组织：F、P、B和马氏体转变开始线（Ms）之下部分。冷却速度小于等于0.06℃/s时，组织完全为F；冷却速度大于0.06℃/s且小于0.7℃/s时，Q1钢的组织为F+P+B；冷却速度为1.4℃/s时，Q1钢的组织主要为B+F，M形成的冷却速度大于7.01℃/s。图4为Q2钢SH-CCT曲线图，当冷却速度小于0.06℃/s时，组织基本为F，冷却速度大于0.06℃/s且小于0.68℃/s时，组织为F+P+B；冷却速度大于0.68℃/s时，组织主要为B+F，M形成的冷却速度要大于6.83℃/s。

表5和表6分别为Q1和Q2钢冷却速度和组织实测值与计算值的关系。从表中可见Q1钢的实测值与计算值符合的相对较好，但误差还是较大（>10%），而且冷速越高误差也就越大。而Q2钢的实测值与计算值基本不能符合，误差最小也在50%以上，这可能是Nb加入促进贝氏体转变因素对Jmat-pro软件计算来说有些困难。

2.3 通过SH-CCT曲线图评定钢材的冷裂倾向

利用SH-CCT曲线图评定钢材的冷裂倾向的方法及应用如表7所示。

3 结论

（1）Jmat-pro软件对Ac3的计算有一定的准确性，但对CCT曲线误差较大，特别是Q2钢的计算值与实测值差距更大，只具有参考价值。

（2）利用SH-CCT曲线评定钢的抗冷裂性。Q1钢当实际冷却时间t8/5>43s时，焊接热影响区和熔合区附近不产生裂纹，而当t8/5<43s时，热影响区或熔合区有产生裂纹的可能；Q2钢当实际冷却时间t8/5>44s时，焊接热影响区和熔合区附近不产生裂纹，而当t8/5<44s时，热影响区或熔合区有产生裂纹的可能。

参考文献：

[1]李伟.热处理对建筑高强度耐火钢力学性能的影响[J]. 熱加工工艺， 2016， 45（22）： 197-199，202.

[2]Rongchun W， Feng S ， Lanting Z， et al. Effects of Mo on high-temperature strength of fire-resistant steel [J]. Materials and Design， 2012， 35： 335-341.

[3]万荣春，孙锋，张澜庭，等. Mo对耐火钢高温屈服强度的影响[J].北京科技大学学报， 2013， 35（3）： 325-331.

[4]杨卫芳.建筑用耐火钢的开发与性能研究[J].热加工工艺， 2016， 45（22）： 67-69.

[5]万荣春.耐火钢中Mo的强化机理及其替代研究[D].上海：上海交通大学， 2012.

[6]赵鸿金，周军，齐亮，等.合金元素对Q460耐火钢连续冷却转变曲线的影响[J].金属热处理， 2016， 41（4）：96-99.

项目基金：中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目

（作者单位：万荣春，渤海船舶职业学院材料工程，渤海船舶重工有限责任公司博士后流动站；方艺蒙，四川大学匹兹堡学院；曹宝山，辽宁顺达机械制造（集团）有限公司；马庆岩，龚勋，葫芦岛军民融合和新材料产业发展中心）