許 可，吳開(kāi)明，王紅鴻，李 麗，覃展鵬，吳年春

（1.武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081；2.高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081；3.南京鋼鐵集團(tuán)有限公司研究院，江蘇 南京，210035）

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的一種重要形式，已成為中國(guó)建筑行業(yè)未來(lái)主要的發(fā)展方向，建筑鋼材也有著良好的發(fā)展前景［1］。雖然鋼結(jié)構(gòu)建筑施工速度快、空間大、重量輕，但其有一個(gè)很大的弱點(diǎn)，即耐火極限低。為適應(yīng)現(xiàn)代建材發(fā)展趨勢(shì)，具有耐火性能的建筑用鋼——耐火鋼應(yīng)運(yùn)而生［2－3］。Q420FRE鋼是一種新型的智能抗震耐火鋼，具有良好的高溫力學(xué)性能，且有著良好的塑性和較低的屈強(qiáng)比，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可為建筑物的結(jié)構(gòu)提供加強(qiáng)保護(hù)［4］，滿足高層建筑的使用要求。

在制造和安裝過(guò)程中，建筑鋼結(jié)構(gòu)承受載荷及應(yīng)力分布等與所采用的焊接方法、焊接工藝、接口型式等因素密切相關(guān)。耐火鋼焊接熱影響區(qū)性能的優(yōu)劣是保證其結(jié)構(gòu)完整性、安全性的關(guān)鍵因素。而焊接熱輸入是影響焊接熱影響區(qū)組織、力學(xué)性能及抗裂性的重要工藝參數(shù)?；诖耍疚尼槍?duì)新開(kāi)發(fā)的40mm厚智能型Q420FRE耐火鋼板，采用全自動(dòng)埋弧焊方法（SAW）在不同熱輸入條件下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究焊接熱影響區(qū)微觀組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律，以期為此類鋼種的實(shí)際焊接提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用40mm厚Q420FRE耐火鋼采用低碳設(shè)計(jì)并進(jìn)行Nb、Ti復(fù)合微合金化和Mn、Mo適度合金化，碳當(dāng)量（Ceq）和冷裂紋敏感指數(shù)（Pcm）相對(duì)較低，耐火鋼顯微組織如圖1所示，其化學(xué)成分如表1所示。由圖1中可見(jiàn)，試樣的顯微組織主要由粒狀貝氏體（B）和少量針狀鐵素體（AF）構(gòu)成。Q420FRE耐火鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 Q420FRE鋼的化學(xué)成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of Q420FRE steel

表2 Q420FRE鋼的力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of Q420FRE steel

1.2 試樣制備

將3塊尺寸為40mm×230mm×500mm的鋼板加工成坡口形式為X型的焊接試板，在其他參數(shù)相同的情況下，分別以15、30、75kJ·cm－1的熱輸入量進(jìn)行埋弧焊焊接。焊接材料采用牌號(hào)為BHW－9＋XUN121的國(guó)產(chǎn)埋弧焊焊絲及配套焊劑。焊接后放置24h，使用X射線和超聲波對(duì)試板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。采用線切割設(shè)備在每件試板截取3個(gè)拉伸試樣，在熔合線及熔合線外1、3、5、7mm處各取3個(gè)沖擊韌性試樣。

1.3 分析檢測(cè)

根據(jù)GB／T228—2002測(cè)定Q420FRE鋼室溫下的抗拉強(qiáng)度Rm1，根據(jù)GB／T4338—2006測(cè)定在600℃下分別保溫10min和30min鋼試樣的抗拉強(qiáng)度 Rm2，根據(jù) GB／T229—2007在JB－30A型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行－40℃時(shí)的低溫沖擊韌性試驗(yàn)。打磨拋光焊接試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，并采用BUEHLER MicroMET5101型維氏硬度計(jì)測(cè)定其顯微硬度。

將50kJ·cm－1熱輸入下的焊接接頭試樣制備成透射電鏡萃取碳復(fù)型樣品，在JEM－2100F型透射電鏡中對(duì)試樣中的析出相進(jìn)行形貌觀察和電子衍射分析，用INCA能譜儀對(duì)析出相進(jìn)行成分分析，觀察部位為熔合線外0.5～1.0mm區(qū)域。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱影響區(qū)Q420FRE鋼組織的變化

熱輸入為75kJ·cm－1時(shí)焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域的材料顯微組織如圖2所示，粗晶區(qū)的材料顯微組織如圖3所示。圖2、圖3與圖1進(jìn)行對(duì)比可知，試樣熔合線及粗晶區(qū)奧氏體晶粒粗化現(xiàn)象不明顯，材料組織類型及組成也沒(méi)有發(fā)生明顯變化，均為粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，細(xì)晶區(qū)組織為鐵素體＋珠光體組織，未相變區(qū)組織為粒狀貝氏體和針狀鐵素體。

15、30kJ·cm－1焊接熱輸入條件下得到的試樣熱影響區(qū)微觀組織與75kJ·cm－1熱輸入條件下熱影響區(qū)顯微組織類似。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)所用Q420FRE鋼板組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，焊接熱輸入條件并未對(duì)其熱影響區(qū)材料組織類型及組成產(chǎn)生顯著影響。

2.2 熱輸入對(duì)熱影響區(qū)Q420FRE鋼硬度的影響

圖4為不同熱輸入條件下熱影響區(qū)Q 420FRE鋼硬度隨距熔合線距離的變化曲線。由圖4可見(jiàn)，隨著熱輸入的增大，熱影響區(qū)寬度增加，材料平均硬度值降低。另外在試驗(yàn)采用的焊接熱輸入條件下，熱影響區(qū)材料硬度HV0.5值約在150～200范圍內(nèi)，與母材硬度值接近，且在低熱輸入條件下軟化現(xiàn)象不顯著，這與材料顯微組織結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果相吻合。

圖2 焊接接頭熱影響區(qū)Q420FRE鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

圖3 焊接接頭粗晶區(qū)Q420FRE鋼的顯微組織Fig.3 Optical microstructure of Q420FRE steel in the coarse－crystalline region of welded joint

2.3 熱輸入對(duì)熱影響區(qū)Q420FRE鋼力學(xué)性能的影響

不同熱焊接接頭的拉伸性能如表3所示。從表3中可以看出，隨著熱輸入的增大，熱影響區(qū)Q420FRE鋼的高溫、室溫抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但均滿足表1所示的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 熱影響區(qū)Q420FRE鋼的硬度曲線Fig.4 Hardness curve of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

表3 焊接熱影響區(qū)Q420FRE鋼的力學(xué)性能Table3 Mechanical properties of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint

試板焊接熱影響區(qū)材料低溫沖擊吸收能曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，在15～75kJ·cm－1的焊接熱輸入范圍內(nèi)，焊接熱影響區(qū)材料低溫沖擊韌性大致隨熱輸入的增加而降低，但仍保持在240～330J的高水平。

圖5 －40℃焊接熱影響區(qū)Q420FRE鋼的沖擊韌性分布Fig.5 Impact toughness distribution of Q420FRE steel in the heat－affected zone of welded joint at the temperature of－40℃

3 討論

3.1 Nb－Ti微合金化對(duì)Q420FRE鋼高溫力學(xué)性能的影響

碳氮化物析出是耐火鋼高溫強(qiáng)化的主要機(jī)制。其中，Nb元素通過(guò)與碳結(jié)合，析出細(xì)小、彌散的NbC以達(dá)到析出強(qiáng)化的目的。NbC等強(qiáng)化相在沉淀時(shí)與基體保持共格，在其周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，且這些強(qiáng)化相的熔點(diǎn)和硬度相對(duì)較高，與基體晶胞類型不同，因此在高溫下很穩(wěn)定，既不容易溶解，又不易聚集長(zhǎng)大。Ti元素與C、N元素的親合能力很強(qiáng)，易形成Ti的碳氮化物，也能起到析出強(qiáng)化的作用，并為Nb的碳氮化物的形成提供形核點(diǎn)。此外，Ti元素可有效抑制耐火鋼中奧氏體晶粒長(zhǎng)大，尤其對(duì)高溫區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的抑制作用更為明顯。隨Ti含量的增加，由于發(fā)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化，耐火鋼的強(qiáng)度相應(yīng)提高。

由JMatPro熱力學(xué)計(jì)算軟件得試驗(yàn)鋼Nb、Ti碳氮化物的析出曲線，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，600～700℃溫度區(qū)間內(nèi)Nb－Ti碳氮化物含量最高。圖7為50kJ·cm－1條件下焊接接頭試樣中析出相形貌及EDS能圖譜。由圖7可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼在高溫條件下析出大量細(xì)小、均勻分布的（Nb，Ti）（C，N），這是 Q420FRE耐火鋼保持良好高溫強(qiáng)度的重要原因。

圖6 試驗(yàn)鋼Nb－Ti碳氮化物析出與溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the pricipitation of Nb－Ti carbonitrides and temperature

圖7 試驗(yàn)鋼Nb－Ti碳氮化物析出物形貌及EDS圖譜Fig.7 TEM micrograph and EDS spectra of Nb－Ti carbonitride precipitate

3.2 低碳量設(shè)計(jì)對(duì)Q420FRE鋼的組織穩(wěn)定性的影響

粒狀貝氏體的形成主要依賴兩個(gè)因素：連續(xù)冷卻和低碳含量［5］。試驗(yàn)鋼采用0.04～0.06%的低含碳量設(shè)計(jì)，有效提高了貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，有利于獲得穩(wěn)定的粒狀貝氏體組織，使得熱影響區(qū)材料硬度保持相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，粒狀貝氏體組織中分布著一些M／A島，也可起到復(fù)相強(qiáng)化作用，使Q420FRE耐火鋼熱影響區(qū)組織具有較好的強(qiáng)韌性［6］。

3.3 Ti－Al復(fù)合脫氧與微合金化對(duì)Q420FRE鋼組織強(qiáng)韌性的影響

采用Ti－Al復(fù)合脫氧與微合金化可以得到微細(xì)復(fù)合夾雜物粒子，這些粒子不僅起到釘扎奧氏體晶界的作用，抑制粗晶區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，而且還為針狀鐵素體的形成提供形核質(zhì)點(diǎn)，有利于熱影響區(qū)組織的細(xì)化［7］。針狀鐵素體組織由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)而具有良好的強(qiáng)韌化效果［7－8］。因此，裂紋擴(kuò)展必受到彼此咬合、交錯(cuò)分布的細(xì)小針狀鐵素體板條束的阻礙，從而有效地提高了Q420FRE耐火鋼的組織強(qiáng)韌性。

4 結(jié)論

（1）在15～75kJ·cm－1的焊接熱輸入條件下對(duì)Q420FRE耐火鋼進(jìn)行埋弧焊焊接，焊接熱影響區(qū)組織穩(wěn)定，熔合線、粗晶區(qū)和未相變區(qū)組織為粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體，細(xì)晶區(qū)組織為鐵素體＋珠光體。

（2）在較小焊接熱輸入（15～30kJ·cm－1）條件下，熱影響區(qū)材料軟化不明顯，在較大焊接熱輸入（75kJ·cm－1）條件下，熱影響區(qū)材料出現(xiàn)較大程度的軟化。

（3）焊接熱影響區(qū)材料表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫韌性，這主要是由于智能型抗震耐火鋼Q420FRE采取了低碳和Nb－Ti復(fù)合微合金化設(shè)計(jì)，使得其在較大范圍的焊接熱輸入條件下，仍能組織穩(wěn)定且不易粗化。

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