劉吉志，劉玉愛(ài)，李貞順

1 前言

Q690鋼是一種低碳貝氏體鋼，采用控軋+回火處理工藝生產(chǎn)，具有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，廣泛用于工程機(jī)械和礦山機(jī)械。Q690鋼焊接后會(huì)產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，這影響了焊接件的使用［1-2］?；鼗鹛幚砟芟Y(jié)構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力，同時(shí)也能改善熱影響區(qū)的組織及性能［3］。通常焊接作業(yè)中的回火處理是以消除焊接殘余應(yīng)力為目的，并未兼顧組織性能的優(yōu)化。本研究采用氣體保護(hù)焊接方法對(duì)Q690鋼進(jìn)行焊接，對(duì)不同溫度回火后的焊接粗晶區(qū)硬度、沖擊韌性進(jìn)行測(cè)試，探討回火對(duì)粗晶區(qū)組織和性能的影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用Q690鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接設(shè)備為YD-500氣體保護(hù)焊機(jī)，試樣采用K形坡口，坡口角度為45°，采用多層多道焊接工藝，層間溫度控制在100～150℃，焊接電流215 A，焊接電壓24.6 V，焊接速度2.42 mm/s，熱輸入為21.9 kJ/cm。焊后用HS620型數(shù)字式超聲波探傷儀探傷，在焊接接頭處截取試樣，在XCSL-17-18Y高溫實(shí)驗(yàn)爐中分別加熱至420、470、520、570、620、670 ℃保溫90 min，之后隨爐冷至300℃左右，再空冷至室溫。在焊縫處截取沖擊試樣，經(jīng)腐蝕確定熔合線位置，將缺口開(kāi)在距熔合線0.5 mm以內(nèi)的粗晶區(qū)。在JB30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20℃，在HV-1000型顯微硬度計(jì)上測(cè)定試驗(yàn)鋼試樣的維氏硬度，載荷為500 g，用QUANTA200型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察組織和斷口形貌。

表1 試驗(yàn)用Q690鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為不同溫度回火后Q690鋼粗晶區(qū)組織形貌，焊后粗晶區(qū)組織為條狀馬氏體，相鄰馬氏體條大致平行，420、470℃回火后馬氏體分解，在原奧氏體晶界及板條界處有碳化物析出（見(jiàn)圖1a、圖1b）。520、570℃加熱時(shí)有更多碳化物沿原奧氏體晶界及板條界析出（見(jiàn)圖1c、圖1d）。加熱溫度620℃時(shí)晶界處碳化物呈球狀，尺寸增加、數(shù)量減少，表明在此溫度時(shí)碳化物發(fā)生了聚集長(zhǎng)大（見(jiàn)圖1e）。670℃加熱后相鄰馬氏體板條合并，已難分辨板條界，碳化物呈片狀分布（見(jiàn)圖1f）。

圖1 不同溫度加熱90 min的粗晶區(qū)組織形貌

圖2為不同溫度90 min回火處理后粗晶區(qū)力學(xué)性能變化，隨回火溫度提高，硬度大體上呈連續(xù)下降趨勢(shì)，在570℃以下溫度加熱時(shí)硬度變化較小，在620℃以上溫度加熱時(shí)，硬度大幅降低。420、470℃回火后粗晶區(qū)沖擊韌性提高，520、570℃加熱后沖擊韌性顯著降低，620、670℃加熱后沖擊韌性再次升高。

圖2 不同溫度加熱90 min回火處理后粗晶區(qū)的力學(xué)性能

圖3 為試樣經(jīng)570℃90 min回火處理的沖擊斷口掃描電鏡二次電子像（SEM像），可見(jiàn)斷口存在兩種典型形貌，一是呈現(xiàn)多面體外形的冰糖狀形態(tài)，晶粒界面光滑；另一種為韌窩斷口（圖3箭頭所指），界面不光滑，存在大量的小韌窩。

圖3 570℃90 min回火處理后試樣的沖擊斷口形貌

4 分析討論

Q690鋼碳含量較低，焊后粗晶區(qū)組織為條狀馬氏體，回火前固溶的碳偏聚于板條馬氏體內(nèi)位錯(cuò)處，有較高的強(qiáng)化作用［4］，回火過(guò)程中碳化物脫溶析出，碳的固溶強(qiáng)化作用減弱，但晶界處析出的碳化物沉淀能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起強(qiáng)化作用，因此在較低溫度回火時(shí)，粗晶區(qū)硬度變化較小。在較高溫度回火時(shí)碳化物聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)化作用降低，粗晶區(qū)硬度大幅降低。

回火促使馬氏體分解，對(duì)提高韌性是有利的，但在520～570℃回火處理后韌性大幅降低，斷裂方式為沿晶斷裂，這說(shuō)明該溫度回火處理導(dǎo)致了晶界弱化，使晶界成為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道。520～570℃回火處理時(shí)晶體內(nèi)間隙原子脫溶速率顯著加快，雜質(zhì)原子偏聚晶界。Hill研究指出，雜質(zhì)原子偏聚晶界降低了鐵素體/滲碳體界面能［6］，因此雜質(zhì)原子偏聚與碳化物晶界沉淀互相促進(jìn)，導(dǎo)致了粗晶區(qū)組織脆化、沖擊韌性降低。其他溫度回火時(shí)，晶界處碳化物的聚集量未能引起材料回火脆的發(fā)生，其深入的原因還有待進(jìn)一步的量化分析。

5 結(jié) 論

焊后粗晶區(qū)組織為條狀馬氏體，570℃以下溫度回火后馬氏體分解，晶界處有碳化物析出，硬度變化較小；620℃以上溫度回火后，碳化物粗化，硬度大幅下降?；鼗鹛幚砟芴岣叽志^(qū)沖擊韌性，但在520～570℃回火時(shí)粗晶區(qū)沖擊韌性降低，沖擊斷口為沿晶斷裂，這種回火脆與該溫度區(qū)間熱處理時(shí)晶界處的雜質(zhì)原子偏聚與碳化物晶界沉淀有關(guān)。建議工程應(yīng)用Q690鋼時(shí)，焊接接頭避免在520～570℃溫度進(jìn)行回火處理。

［1］ 李貞順，李勝利，朱新德，等.熱循環(huán)方式對(duì)Q690 TMCP鋼粗晶區(qū)組織和性能的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2014（2）：121-125.

［2］ 孟堯，羅鵬，胡聰，等.熱循環(huán)峰值溫度對(duì)Q690鋼熱影響區(qū)組織與韌性的影響［J］.熱加工工藝，2013（17）：43-45.

［3］ 尹士科，高穎.焊后熱處理對(duì)焊縫金屬力學(xué)性能的影響［J］.機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2013（4）：1-5.

［4］ 徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體［M］.北京：科學(xué)出版社，1980.

［5］ 陸湄江.高強(qiáng)度鋼的回火脆性與斷裂方式轉(zhuǎn)換［J］.安徽工學(xué)院學(xué)報(bào)，1985（1）：13-25.

［6］ Hill RGC,Martin JW.A Fractographic Study of Some Temper-Brittle Steels［J］.Metal Treatment and Drop Forging，1962，29：301-306.