趙 卓,賀玉偉,王 磊,劉 楊

(東北大學材料科學與工程學院,沈陽 110819)

0 引 言

在建筑、橋梁、船舶等鋼結(jié)構(gòu)中采用Q460鋼等低合金高強度鋼(HSLA鋼),可有效提高鋼結(jié)構(gòu)的服役安全性,并實現(xiàn)輕量化[1-2]。鋼結(jié)構(gòu)大多以焊接方式連接而成,因此要求其鋼材具有良好的焊接性[3]。埋弧焊具有焊接生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量好、焊接成本低和適應(yīng)性強等特點,廣泛應(yīng)用于低合金高強度鋼的連接[4-6]。焊接時接頭區(qū)域會經(jīng)歷不同的熱歷史,發(fā)生相轉(zhuǎn)變而形成不同的顯微組織,從而影響到鋼結(jié)構(gòu)的力學性能[7-14]。

研究[15]表明,材料的應(yīng)變速率制約著其變形行為。不同應(yīng)變速率下材料的變形抗力不同,因此不能用靜態(tài)流變應(yīng)力公式進行動態(tài)流變應(yīng)力計算[16]。在應(yīng)變速率0.001 7～0.17 s-1下進行的拉伸試驗結(jié)果顯示,HSLA-300鋼的強度對應(yīng)變速率的變化不敏感,TRIP800鋼表現(xiàn)出中等程度的依賴關(guān)系,而DP800鋼的強度對應(yīng)變速率變化最為敏感[17-18]。CADONI等[19]指出,S690鋼在應(yīng)變速率200～1 000 s-1下的屈服強度保持在相同水平,未發(fā)生明顯變化。毛博文等[20]研究發(fā)現(xiàn),隨應(yīng)變速率由0.001 s-1躍升至800～1 400 s-1,HC340LA鋼的拉伸強度提高顯著。低合金高強度鋼的塑性變形與應(yīng)變速率緊密相關(guān)[18,21-24],但對其在應(yīng)變速率1～100 s-1下力學性能變化的相關(guān)研究卻較少;此外,關(guān)于我國最常用的Q460鋼焊接性能的研究工作也缺乏系統(tǒng)性?？紤]到鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭在強風、地震、海嘯等自然災(zāi)害條件下的服役安全[25-26],研究其在不同應(yīng)變速率下的動態(tài)力學行為十分重要。為此,作者以Q460鋼埋弧焊焊接接頭為研究對象,研究了應(yīng)變速率對母材及焊接接頭拉伸變形行為的影響,以期為Q460鋼結(jié)構(gòu)安全服役提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試樣制備與試驗方法

母材選用Q460熱軋鋼板,主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.17C,0.345Si,1.51Mn,0.10Nb,0.15V,0.12Ti,0.17Cr,0.50Ni,0.30Cu,0.007N,0.05Mo,0.001B,0.025P,0.025S,余Fe;顯微組織見圖1,主要由塊狀鐵素體和珠光體組成,兩相呈條帶狀交替分布,鐵素體和珠光體的平均晶粒尺寸分別為30,20 μm。焊接材料為CHW-S9鍍銅低合金高強度鋼埋弧焊絲。

圖1 Q460鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of Q460 steel

在Q460熱軋鋼板上截取尺寸為200 mm×100 mm×38 mm的待焊試樣,開單邊V型坡口,坡口面角度為30°,坡口間隙為7～10 mm。采用BH-PAW-150型第四代管道全位置自動焊機進行埋弧焊,采用對接接頭形式,共焊6層,焊前將待焊試樣在100 ℃下預(yù)熱40 min,焊接時層溫控制在130～170 ℃,焊接熱輸入為18～20 kJ·cm-1。

在焊接接頭上垂直于焊縫橫向取樣,使用體積分數(shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,利用OLYMPUS SZ61型體視顯微鏡、OLYMPUS GX71型光學顯微鏡(OM)和JSM-6510A型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織,利用OLYMPUS STM6型顯微鏡測量焊縫及熱影響區(qū)尺寸。采用401MVD型硬度計測定接頭截面顯微硬度,加載載荷為0.98 N,保載時間為15 s,從焊縫中心往母材方向取樣,焊縫區(qū)域每隔0.15 mm取點,母材區(qū)域每隔1 mm取點。

采用線切割在母材和焊接接頭距焊縫背面5 mm處垂直于焊縫(焊縫位于中心)切取如圖2所示的拉伸試樣,試樣厚度為2 mm,經(jīng)粗磨、拋光和清洗后,根據(jù)GB/T 228.1-2010,分別采用MTS810型材料試驗系統(tǒng)(核定應(yīng)變速率10-3～100s-1)和ZWICK HTM5020型高速試驗機(核定應(yīng)變速率101～102s-1)進行拉伸試驗,采用位移控制,應(yīng)變速率分別為0.001,0.01,0.1,1,10,100 s-1。采用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭組織及硬度分布

焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)的寬度約為2.7 mm。由圖3可知,熱影響區(qū)可細分為不完全重結(jié)晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)(即細晶區(qū))和粗晶區(qū)。這是因為焊接時不同區(qū)域受到不同焊接熱影響:距熔池越近,熱影響區(qū)溫度越高,其組織發(fā)生的相變重結(jié)晶越完全;但是在最靠近熔池的區(qū)域,由于受到較強的多道焊接熱循環(huán)的疊加作用,該區(qū)域溫度升高且在完全奧氏體化溫度停留時間較長,因此晶粒長大形成了粗晶區(qū)。

圖3 Q460鋼焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.3 Microstructures of heat-affected zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) incomplete recrystallization zone;(c) phase transformation recrystallization zone and (d) coarse-grained zone

由圖4可知,焊接接頭焊縫區(qū)(WZ)呈現(xiàn)柱狀晶、塊狀晶粒和均勻分布的細小晶粒等組織形態(tài)。放大后可以看出,柱狀晶內(nèi)為高密度的針狀鐵素體;塊狀晶粒由晶內(nèi)呈放射狀分布的針狀鐵素體和晶粒邊界的先共析鐵素體組成;細小晶粒是粒度均勻的多邊形鐵素體,周圍分布有少量珠光體和針狀鐵素體。

圖4 Q460鋼焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructures of weld zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) enlarged view of columnar grains;(c) enlarged view of blocky grains and (d) enlarged view of fine grains

由圖5可見:母材區(qū)的平均硬度為211 HV,硬度相對穩(wěn)定;焊縫區(qū)硬度值波動較大,平均硬度最小,為197 HV;熱影響區(qū)硬度在188～248 HV范圍內(nèi)波動,平均硬度最大,為227 HV。

圖5 Q460鋼焊接接頭截面顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution on cross-section ofQ460 steel weld joint

2.2 拉伸性能

由圖6可知:室溫下焊接接頭的準靜態(tài)(應(yīng)變速率為0.001 s-1)屈服強度、抗拉強度與母材Q460鋼均接近,但斷后伸長率明顯減小。這是因為焊縫區(qū)主要由柱狀晶構(gòu)成,相比于主要為等軸晶組織的母材,其在拉伸變形過程中協(xié)調(diào)變形能力較差,塑性降低。隨應(yīng)變速率增大,母材的屈服強度和抗拉強度呈增高趨勢,其中應(yīng)變速率在0.001～1 s-1范圍內(nèi)時強度增幅較小,應(yīng)變速率在10～100 s-1時,強度大幅提升,這表明母材的拉伸行為與應(yīng)變速率有關(guān);焊接接頭在應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1下的屈服強度和抗拉強度與準靜態(tài)相當,在應(yīng)變速率1～100 s-1下,強度相比于準靜態(tài)明顯增大,且增幅超過母材,表明焊接接頭的強度在高應(yīng)變速率下對應(yīng)變速率更加敏感。隨應(yīng)變速率增大,母材的斷后伸長率先大幅降低后單調(diào)增大,最小值出現(xiàn)在應(yīng)變速率為0.01 s-1時;焊接接頭的變化趨勢與母材相似,但變化趨勢較母材平緩,且最小值對應(yīng)的應(yīng)變速率為0.1 s-1。在6種應(yīng)變速率下,焊接接頭試樣斷裂位置均位于焊縫區(qū)。

圖6 母材及焊接接頭的室溫拉伸性能與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.6 Relationship between room temperature tensile properties and strain rate of base material and weld joint:(a) strength and (b) percentage elongation after fracture

由圖7和圖8可知:焊接接頭動態(tài)拉伸和準靜態(tài)拉伸斷口均主要由纖維區(qū)和剪切唇區(qū)組成,呈現(xiàn)典型韌性斷裂特征,應(yīng)變速率對微觀斷裂機制無明顯影響。動態(tài)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象相比于準靜態(tài)拉伸試樣更加明顯,表明其非均勻塑性變形加劇。準靜態(tài)拉伸斷口韌窩完整,放大后發(fā)現(xiàn)在韌窩底部有細小的第二相粒子,根據(jù)其尺寸并結(jié)合焊縫顯微組織分析,確定其為細小的碳化物。在拉伸變形過程中,微孔在碳化物邊界形核并不斷擴大至與其他微孔聯(lián)結(jié),形成微裂紋,微裂紋擴展連接成主裂紋導(dǎo)致斷裂[15]。

圖7 不同應(yīng)變速率下Q460鋼焊接接頭動態(tài)拉伸斷口的微觀形貌Fig.7 Micromorphology of Dynamic tensile fracture of Q460 steel weld joint under different strain rates:(a,d,g,j,m) at low magnification; (b,e,h,k,n) fiber zone and (c,f,i,l,o) shear lip zone

圖8 Q460鋼焊接接頭準靜態(tài)拉伸斷口的微觀形貌Fig.8 Microstructures of quasi-static tensile fracture of Q460 steel weld joint: (a) at low magnification;(b) fiber zone; (c) shear lip zone and (d) dimple and carbide

隨著應(yīng)變速率提高,動態(tài)拉伸試樣的頸縮趨于嚴重,韌窩先變小變淺隨后又變大變深。高應(yīng)變速率(10,100 s-1)下的拉伸斷口中出現(xiàn)較多直徑和深度均較大的韌窩,大韌窩周圍存在大量尺寸均勻的細小韌窩。剪切唇區(qū)的韌窩呈現(xiàn)拋物線型,且拋物線形狀隨著應(yīng)變速率的提高變得更加明顯?？傮w而言,應(yīng)變速率的變化雖然改變了焊接接頭中的韌窩形態(tài),但未改變其微觀斷裂機制。

3 結(jié) 論

(1) 室溫下Q460鋼埋弧焊焊接接頭的準靜態(tài)(應(yīng)變速率為0.001 s-1)屈服強度、抗拉強度與母材均接近,但斷后伸長率明顯減小。

(2) 母材強度隨應(yīng)變速率增大而增大,對應(yīng)變速率敏感;焊接接頭的屈服強度和抗拉強度在應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1下與準靜態(tài)相當,在應(yīng)變速率1～100 s-1明顯增大,即強度對高應(yīng)變速率敏感。母材、焊接接頭的斷后伸長率隨應(yīng)變速率增大均先降低后增大,最小值分別出現(xiàn)在應(yīng)變速率為0.01,0.1 s-1時,焊接接頭的變化幅度很小。

(3) 在不同應(yīng)變速率下,焊接接頭均斷裂于焊縫區(qū),準靜態(tài)、動態(tài)拉伸斷口均主要由纖維區(qū)和剪切唇區(qū)組成,接頭均發(fā)生韌性斷裂;動態(tài)拉伸斷口的頸縮現(xiàn)象相比準靜態(tài)更明顯,且隨著應(yīng)變速率增加而趨于嚴重,韌窩先變小變淺隨后又變大變深。應(yīng)變速率的增加改變了接頭拉伸斷口中的韌窩形態(tài),但未改變其微觀斷裂機制。