焊接热输入对超低碳贝氏体钢热影响区CGHAZ组织性能影响

徐春华 谢淑贤 王海瑞

摘要：为探索不同焊接热输入对超低碳贝氏体钢焊接接头热影响区（CGHAZ）粗晶区显微组织和冲击性能的影响，采用Gleeble 3500热模拟试验机模拟不同热输入，研究热输入对Q420qEN钢接头热影响区粗晶区的显微组织和冲击韧性的影响，并采用扫描电镜、示波冲击和透射电镜等技术对钢热影响区粗晶区进行了表征。结果表明，随着焊接热输入的变化，热影响区粗晶区的显微组织变化明显，板条贝氏体和粒状贝氏体的含量发生相应变化;同时，随着焊接热输入由18 kJ/cm增加到30 kJ/cm，接头热影响区粗晶区在-20 ℃下的冲击韧性先增加后减小。

关键词：超低碳贝氏体钢;热模拟;热影响区;显微组织;冲击性能

0    前言

超低碳貝氏体钢具有高强度、良好的冲击韧性和焊接性[1]，能够满足较恶劣环境下焊接性的要求等特点，目前被国际上誉为21世纪环保绿色钢种，是21世纪最有前景的钢种之一。它广泛地应用于油气管线、重型机械、铁路运输等方面。由于我国经济发展不均衡，资源分布不平均的特殊的人文和地理因素，使得铁路运输的优势非常突出。但是铁路的运营条件较为恶劣，像运输物资的铁路货车需要常年在较为恶劣的环境下运行，要求铁路货车车辆钢结构具有良好的承载力和耐腐蚀性能，要求钢轨材料具有较高的综合性能，其中高性能、低成本的超低碳贝氏体钢在铁路运输行业得到了广泛的应用和推广[2]。

20世纪60年代人们开始研究超低碳贝氏体钢，80年代后得到应用和发展，先是应用于高压管线，然后逐步应用于大型机械构件、船舶和海洋设施等。21世纪以后，美国和日本等国家对超低碳贝氏体钢的研究更为重视，研发出抗拉强度达590 MPa的桥梁和建筑用的特厚超低碳贝氏体钢[3]，加拿大研制了一种铁路辙叉心轨用超低碳贝氏体钢。目前，我国对高强度超低碳贝氏体钢的研究已经进入成熟阶段，其中400～700 MPa级钢已经能够批量生产，并应用于大型结构设施。这类钢含碳量极低，以低碳贝氏体为基体，高强度韧性的合金钢[4-5]通过固溶强化、细晶强化、位错及组织强化等方式强化，具有良好的焊接工艺性和抗氢致裂纹的能力[6-7]，在保证良好韧性的同时又能保证较高的强度，能够满足恶劣条件下钢材的焊接性，焊前无需预热，无需热处理[8]。目前是能与传统的铁素体钢、珠光体钢、马氏体淬火回火钢并列的一类新钢种。

文中研究的高强度超低碳贝氏体钢Q420qEN为工程机械焊接用钢，目前在成分设计、加工工艺、组织控制和强韧性能方面取得一定的突破，但是对其焊接性方面的研究相对较少，而焊接热输入对接头组织性能影响的研究极为重要。文中采用Gleeble3500热模拟试验机，通过模拟不同热输入对焊接热影响区粗晶区（CGHAZ）的显微组织和冲击韧性的影响，为钢材Q420qEN的焊接工艺参数选择提供试验依据。

1 试验材料及工艺

研究选用的超低碳贝氏体钢为420 MPa耐候钢，钢板牌号Q420qEN，通过50 kg真空炉热轧成厚度为15 mm的钢板，其化学成分如表1所示。

在试验钢板上截取尺寸为80 mm×10.5 mm×10.5 mm的钢锭作为焊接热模拟试样，在Gleeble-3500热模拟试验机上模拟实际焊接热影响区粗晶区的加热和冷却过程，试验工艺参数如表2所示，其中焊接热输入覆盖板材埋弧焊（SAW）和熔化极气体保护焊（FCAW）的工艺参数范围[9]。

在热模拟试验后的钢锭上截取金相试样，经机械研磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用场发射电子显微镜（SEM）进行组织分析和断口形貌观察，采用透射电镜（TEM）观察显微组织的内部结构。热模拟试验后的试样沿轧制方向截取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样，缺口方向为钢板厚度方向，在试验温度为-20 ℃的条件下进行示波冲击试验，得到不同焊接热输入下的示波曲线。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

热影响区粗晶区（CGHAZ）的主要组织为板条贝氏体、铁素体和粒状贝氏体。板条贝氏体在显微镜下观察呈条状或针叶状，其组织均由平行的贝氏体片层组成，具有高强度、硬度、韧性和耐磨性等良好的综合力学性能;粒状贝氏体是在铁素体基体中分布有岛状物，岛状组织由马氏体和残余奥氏体组成，又称为M-A岛[10-11]。粒状贝氏体中的M-A岛排列无序，长条状、尖角状的M-A岛易引起应力集中，萌生裂纹，在实际生产焊接过程中必须控制其含量。

三组焊接热输入下CGHAZ的显微组织如图1所示。由图1a可知，当热输入为18 kJ/cm时，焊接接头CGHAZ的组织主要为板条贝氏体和粒状贝氏体，粒状贝氏体和板条贝氏体呈相间分布;由图1b可知，当热输入达到24 kJ/cm时，CGHAZ中的贝氏体呈板条状规则分布;当热输入增加到30 kJ/cm，如图1c所示，此时CGHAZ组织主要为粒状贝氏体，显微组织有明显的粗化趋势。

不同焊接热输入下接头的TEM微观组织形貌如图2所示，接头组织由粒状贝氏体铁素体、板条贝氏体铁素体以及M-A组元构成。由图2a、2b可知，随着热输入的增大，组织更加均匀细化，板条贝氏体以一定的取向平行排列，与SEM组织分析相一致。但当热输入由24 kJ/cm增加到30 kJ/cm时（见图2c），CGHAZ中的粒状贝氏体铁素体占主导地位，同时M-A的尺寸和数量均显著增加，晶粒尺寸明显粗化。

2.2 示波冲击分析

为了进一步研究不同热输入对CGHAZ冲击韧性的影响，又进行了示波冲击试验，它能清晰地反映试样冲击破断过程中各阶段的能量变化、破断特征及裂纹扩展速率与断口形貌等。不同热输入下试验钢CGHAZ的示波曲线如图3所示，从裂纹萌生开始，经历了载荷最大的位置和裂纹失稳扩展的过程。 冲击韧性试验结果如表3所示，Wi为裂纹形成能量，裂纹失稳扩展点之后为裂纹扩展功Wp，它对应于裂纹放射扩展区、纤维扩展区和撕裂唇，Wt为总冲击功，可表示为：Wt=Wi +Wp。由表3可知，当热输入为24 kJ/cm时，CGHAZ的总冲击功最高，为213 J;裂纹形成能量热输入为30 kJ/cm时，总破断功最低，因此热输入为24 kJ/cm时，试验钢的冲击韧性最好，18 kJ/cm时次之，30 kJ/cm时冲击韧性最差。裂纹形成能量Wi和裂纹扩展能量Wp同样能够反映出材料的抗裂纹萌生和扩展的能力。由表3可知，三组不同热输入下裂纹形成能量相差甚少，但是裂纹扩展能量差异较大，热输入为24 kJ/cm时，裂纹扩展能量最大158 J，热输入为18 kJ/cm约为热输入为24 kJ/cm时的62%，热输入为30 kJ/cm时约为热输入24 kJ/cm时的30%。因此热输入为24 kJ/cm时，试件的抗裂纹扩展能力最强。冲击试样被冲断时，冲击功越大，剪切断面率和侧膨胀值越大。由表3可知，当热输入为24 kJ/cm时力学性能最好，为韧性断裂;当热输入增加至30 kJ/cm时，试件的力学性能最差，为脆性断裂。

2.3 断口分析

上述各试样的冲击断口形貌如图4所示。当热输入为18 kJ/cm时（见图4a），CGHAZ为韧性断裂和脆性断裂共存的准解理断裂形式，剪切断面率达40%。由图4b可知，当热输入为24 kJ/cm时，为韧性断裂形式，剪切断面率达85%，此时断口表面仍存在大量的韧窝，同時存在较小的河流花样的解理平台，以及大量带有细小韧窝的韧性撕裂带。解理面交界处的韧性撕裂带在裂纹扩展和止裂过程中有助于耗散能量[12]，韧性断裂带的存在有助于获得较高的冲击韧为韧性断裂和脆性断裂共存的准解理断裂的形式性[13]。而当热输入达到30 kJ/cm时（见图4c），断口中解理面的尺寸明显增大，撕裂带较少，其剪切断面率已经降低至24%，呈现出明显的脆性断裂的形式。对比可知，当热输入为24 kJ/cm时CGHAZ的塑性韧性最好，18 kJ/cm时次之，30 kJ/cm时韧性最差，发生脆性断裂。

3 结论

（1）当热输入为18 kJ/cm时，焊接接头CGHAZ的组织主要为板条贝氏体和粒状贝氏体，两种结构相间分布;当热输入为24 kJ/cm时，焊接接头CGHAZ的组织主要为板条贝氏体，贝氏体板条以一定的取向平行排列;当热输入为30 kJ/cm时，CGHAZ晶粒有明显的长大现象，粒状贝氏体增加，板条马氏体减少。当热输入不断增加时，组织晶粒也不断长大。

（2）随着热输入的增大，组织晶粒发生变化进而引起试板力学性能的变化。当热输入为18 kJ/cm时，CGHAZ断裂方式为脆性断裂和韧性断裂共存的方式断裂;当热输入为24 kJ/cm时，CGHAZ断口存在大量的韧窝，发生韧性断裂;当热输入为30 kJ/cm时，CGHAZ为脆性断裂。

（3）当焊接结构选用钢材Q420qEN时，应通过调整焊接速度、焊接电压、焊接电流等因素将热输入控制在24 kJ/cm左右，以保证焊接结构获得良好的综合力学性能。

参考文献：

李继红，陈阳阳，任晓龙，等. 超低碳贝氏体钢埋弧焊焊缝金属的组织与力学性能[J]. 机械工程材料，2016，40（1）：43-46.

Liu C，Zhao Z B，Northwood D O. Mechanical properties of heat affected zone in Bainitic high strength low alloy steel[J]. Materials Science and Technology，2002（18）：1325-1328.

贾坤宁，姜秋月，王敏. 高强度桥梁钢焊接粗晶热影响区中粒状贝氏体对韧性的影响[J]. 金属热处理，2011（12）：47-49.

Ueki S，Matsumura T，Mine Y，et al. Microstructural fatigue crack growth in single-packet structures of ultra-low carbon steel lath martensite[J]. Scripta Materialia，2019（173）：80-85.