萬(wàn)榮春 方藝蒙 曹寶山 馬慶巖 龔勛

摘要：通過(guò)測(cè)定焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（SH-CCT）曲線(xiàn)圖評(píng)定兩種Q345級(jí)別低Mo（約0.25 wt.%）耐火鋼焊接工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，Q1鋼當(dāng)實(shí)際冷卻時(shí)間t8/5>43s時(shí)，焊接的熱影響區(qū)以及熔合區(qū)附近不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，而當(dāng)t8/5<43s時(shí)，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有開(kāi)裂的可能；Q2鋼當(dāng)實(shí)際冷卻時(shí)間t8/5>44s時(shí)，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，而當(dāng)t8/5<44s時(shí)，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有開(kāi)裂的可能。此外，Jmat-pro軟件對(duì)Ac3的計(jì)算有一定的準(zhǔn)確性，但對(duì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線(xiàn)誤差較大，特別是Q2鋼的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差距更大，只具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低Mo；耐火鋼；焊接工藝

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)由于具有高強(qiáng)度、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，如鳥(niǎo)巢、世貿(mào)大廈等超高層和大跨度建筑。但由于鋼結(jié)構(gòu)的防火性能較差，通常需要在其表面刷涂耐火層，必然會(huì)增加其建筑成本并對(duì)環(huán)境造成污染[1]。耐火鋼的特點(diǎn)是在600℃時(shí)能保持三分之二的室溫屈服強(qiáng)度，

而普通建筑鋼在600℃時(shí)只能保持二分之一的室溫屈服強(qiáng)度[2-4]。由于耐火鋼具有的性能，其被大量應(yīng)用于超高層建筑等消防安全要求高的地方，尤其是美國(guó)“9.11事件”之后[4-6]。耐火鋼作為建筑用鋼，其焊接工藝性能備受重視，因此對(duì)其焊接工藝進(jìn)行計(jì)算評(píng)定具有重要意義。

本文將對(duì)兩種Q345級(jí)別低Mo（含量約0.25 wt.%）耐火鋼的焊接工藝進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。通過(guò)Jmat-pro軟件計(jì)算試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線(xiàn)和等溫轉(zhuǎn)變（TTT）曲線(xiàn)。采用焊接熱模擬方法，繪制Q1和Q2鋼焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（SH-CCT）圖，通過(guò)SH-CCT曲線(xiàn)圖和實(shí)際焊接過(guò)程的冷卻速度t8/5，對(duì)不同焊接工藝下粗晶區(qū)的組織及性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為Q345級(jí)別的低Mo耐火鋼的應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Q1和Q2兩種Q345級(jí)別20mm厚熱軋態(tài)的耐火鋼。Q1和Q2鋼的具體化學(xué)成分如表1所示。兩種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分基本接近，Q2鋼比Q1鋼多添加0.03 wt. %左右的Nb、V、Ti微合金元素。

試驗(yàn)鋼SH-CCT曲線(xiàn)圖測(cè)定。測(cè)試設(shè)備為BAHR Thermo analyse 熱膨脹快速相變儀。實(shí)驗(yàn)條件：奧氏體化溫度為1140℃，保溫時(shí)間為5min，以200℃/h升降溫度測(cè)Ac1、Ac3。試樣尺寸：直徑d=φ4mm，高度h=10mm。保溫后試樣冷卻速度分別為100℃/h、200℃/h、500℃/h、1000℃/h、（Ac1-RT）/50s、（Ac1-RT）/100s、（Ac1-RT）/500s、（Ac1-RT）/1000s，其中RT代表室溫。此外，還有利用Jmat-pro軟件計(jì)算Q1和Q2鋼CCT和TTT曲線(xiàn)。

對(duì)試驗(yàn)鋼SH-CCT曲線(xiàn)圖測(cè)定后的試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光，用4%的硝酸酒精浸蝕吹干，利用ZEISS 倒置式顯微鏡Axio Vert A1觀(guān)察組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝模擬計(jì)算

根據(jù)Q1的化學(xué)成分利用Jmat-pro軟件計(jì)算CCT和TTT曲線(xiàn)如圖1和圖2所示。從圖1中可發(fā)現(xiàn)Q1鋼Ac3的溫度為898.37℃。當(dāng)t8/5>4500s時(shí)，在焊接的熱影響區(qū)和熔合線(xiàn)附近可全部得到珠光體+鐵素體組織；150s項(xiàng)目基金：中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國(guó)外材料領(lǐng)域國(guó)防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目t8/5<4500s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到鐵素體+珠光體+貝氏體組織；2s項(xiàng)目基金：中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國(guó)外材料領(lǐng)域國(guó)防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目t8/5<150s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到鐵素體+貝氏體組織；t8/5<2s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到馬氏體組織。

根據(jù)Q2鋼的成分利用Jmat-pro軟件計(jì)算CCT和TTT曲線(xiàn)如圖2所示，Q2鋼Ac3的溫度為896.52℃。對(duì)比圖1和圖2可見(jiàn)，實(shí)際焊接過(guò)程的冷卻速度t8/5對(duì)焊接工藝下粗晶區(qū)的組織影響與Q1鋼相差不大。當(dāng)t8/5≥4500s時(shí)，在焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到珠光體+鐵素體組織；150s≤t8/5<4500s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到鐵素體+珠光體+貝氏體組織；2s≤t8/5<150s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到鐵素體+貝氏體組織；t8/5<2s時(shí)，焊接熱影響區(qū)熔合線(xiàn)附近可全部得到馬氏體+鐵素體組織。

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)SH-CCT曲線(xiàn)的對(duì)比

利用測(cè)定平衡臨界溫度的膨脹曲線(xiàn)，可以求得鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)如表2所示。從表2中可見(jiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差在27℃內(nèi)，誤差小于3%，相對(duì)來(lái)說(shuō)計(jì)算值還是具有參考價(jià)值的。

表3和表4分別為Q1和Q2鋼冷卻速度、冷卻時(shí)間、顯微硬度及組織的相互關(guān)系，試驗(yàn)鋼組織有鐵素體（F）、珠光體（P）、貝氏體（B）和馬氏體（M）。

利用表3和表4可以繪制出Q1和Q2鋼的SH-CCT曲線(xiàn)圖。圖3所示為Q1鋼SH-CCT曲線(xiàn)圖，從中可見(jiàn)SH-CCT曲線(xiàn)主要有4部分組織：F、P、B和馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線(xiàn)（Ms）之下部分。冷卻速度小于等于0.06℃/s時(shí)，組織完全為F；冷卻速度大于0.06℃/s且小于0.7℃/s時(shí)，Q1鋼的組織為F+P+B；冷卻速度為1.4℃/s時(shí)，Q1鋼的組織主要為B+F，M形成的冷卻速度大于7.01℃/s。圖4為Q2鋼SH-CCT曲線(xiàn)圖，當(dāng)冷卻速度小于0.06℃/s時(shí)，組織基本為F，冷卻速度大于0.06℃/s且小于0.68℃/s時(shí)，組織為F+P+B；冷卻速度大于0.68℃/s時(shí)，組織主要為B+F，M形成的冷卻速度要大于6.83℃/s。

表5和表6分別為Q1和Q2鋼冷卻速度和組織實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的關(guān)系。從表中可見(jiàn)Q1鋼的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值符合的相對(duì)較好，但誤差還是較大（>10%），而且冷速越高誤差也就越大。而Q2鋼的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本不能符合，誤差最小也在50%以上，這可能是Nb加入促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變因素對(duì)Jmat-pro軟件計(jì)算來(lái)說(shuō)有些困難。

2.3 通過(guò)SH-CCT曲線(xiàn)圖評(píng)定鋼材的冷裂傾向

利用SH-CCT曲線(xiàn)圖評(píng)定鋼材的冷裂傾向的方法及應(yīng)用如表7所示。

3 結(jié)論

（1）Jmat-pro軟件對(duì)Ac3的計(jì)算有一定的準(zhǔn)確性，但對(duì)CCT曲線(xiàn)誤差較大，特別是Q2鋼的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差距更大，只具有參考價(jià)值。

（2）利用SH-CCT曲線(xiàn)評(píng)定鋼的抗冷裂性。Q1鋼當(dāng)實(shí)際冷卻時(shí)間t8/5>43s時(shí)，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不產(chǎn)生裂紋，而當(dāng)t8/5<43s時(shí)，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有產(chǎn)生裂紋的可能；Q2鋼當(dāng)實(shí)際冷卻時(shí)間t8/5>44s時(shí)，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不產(chǎn)生裂紋，而當(dāng)t8/5<44s時(shí)，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有產(chǎn)生裂紋的可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉.熱處理對(duì)建筑高強(qiáng)度耐火鋼力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝， 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]萬(wàn)榮春，孫鋒，張瀾庭，等. Mo對(duì)耐火鋼高溫屈服強(qiáng)度的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 35（3）： 325-331.

[4]楊衛(wèi)芳.建筑用耐火鋼的開(kāi)發(fā)與性能研究[J].熱加工工藝， 2016， 45（22）： 67-69.

[5]萬(wàn)榮春.耐火鋼中Mo的強(qiáng)化機(jī)理及其替代研究[D].上海：上海交通大學(xué)， 2012.

[6]趙鴻金，周軍，齊亮，等.合金元素對(duì)Q460耐火鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的影響[J].金屬熱處理， 2016， 41（4）：96-99.

項(xiàng)目基金：中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國(guó)外材料領(lǐng)域國(guó)防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目

（作者單位：萬(wàn)榮春，渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程，渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后流動(dòng)站；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；曹寶山，遼寧順達(dá)機(jī)械制造（集團(tuán)）有限公司；馬慶巖，龔勛，葫蘆島軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心）