（材料学专业论文）细晶组织耐候钢焊接接头组织与性能研究.pdf

钢铁研究总院硕士学位论文 摘要 细晶组织0 9 c u p t i r e 和0 9 c u p c r n i 耐候钢是基于铁道工业发展提出的高速、重载、安全的 战略要求而开发的细品组织耐候钢，在保持良好的耐大气腐蚀性能的同时，其强度得到了大幅度 提高。细品组织耐候钢主要作为结构材料来使用，能否广泛应用在一定程度上取决于其焊接接头 的性能。由于晶粒细小，细晶组织耐候钢焊接过程中可能会出现组织粗化和接头软化等问题，从 而造成接头性能的下降。因此，细晶组织耐候钢焊接性的研究具有十分重要的理论意义和实用价 值。 本研究测定了细晶组织耐候钢和热轧耐候钢的焊接连续冷却曲线，并通过热模拟实验研究了 不同焊后冷却速度对热影响区组织和力学性能的影响。以热模拟中对应的热输入进：f j c 0 2 气体保 护焊接，对细晶组织耐候钢和热轧耐候钢实际焊接接头进行组织和力学性能的对比研究，确定最 佳的细品组织耐候钢的焊接工艺。结果表明细品组织0 9 c u p t i r e 钢a c l 为7 1 0 c ，a c 3 为9 1 5 c ； 0 9 c u p c r n i 钢a c l 为7 5 0 c ，a c 3 为9 0 0 c 。当冷却速度较大( t s 5 8 s ) 时，两种细晶组织耐候钢热 影响区粗晶区( c g h a z ) 组织以贝氏体组织为主；随着冷却速度的变慢，贝氏体板条数量减少， 板条宽度增大，在原奥氏体品界上逐渐析出先共析铁素体；当冷却速度更慢( t s 5 1 8 s ) 时，显 微组织由大量的铁素体和珠光体组成，且原奥氏体晶粒明显粗化，先共析铁素体含量增加。细晶 组织耐候钢粗品区随着冷却速度的变慢冲击值呈下降趋势。二次热循环的峰值温度和顺序对细晶 组织耐候钢的组织和性能影响较大，其中峰值温度为1 3 4 5 + 1 3 4 5 c 时，两种细晶组织耐候钢综 合性能较好；0 9 c u p t i r e 钢经历1 3 4 5 + 9 0 0 和9 0 0 + 1 3 4 5 的热循环后，组织粗大，同时韧性 较低。采用小的焊接热输入( s 1 3 8 k j e m ) 和多道焊时，细晶组织耐候钢焊接接头可获得较好的 力学性能，无硬化和软化现象；随着焊接热输入的增加，冲击韧性下降，在热影响区处出现轻微 软化现象，软化区较窄。p r e 复合耐候钢c 0 2 气体保护焊焊接接头具有较好的综合性能，接头组织 细小，接头具有较高的低温韧性和良好的抗拉强度，且无硬化和软化现象。 关键词：耐候钢；焊接：组织：力学性能 钢铁研究总院硕士学位论文 a b s t r a c t t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s o f h i g hs p e e d ，h e a v yl o a d e da n ds a f er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n ，f i n eg r a i n e da n t i w e a t h e r i n g0 9 c u p t i r ea n d0 9 c u p c r n is t e e l sa r eb e i n g d e v e l o p e d w h i l et h eg o o da t m o s p h e r i cc o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p r e t yi sr e m a i n e d ，t h e i r s t r e n g t h c a nb er e m a r k a b l yi n c r e a s e d t h e a p p l i c a t i o ns c o p e o ff i n e g r a i n e d a n t i w e a t h e r i n gs t e e l sd e p e n d so nt h e i rw e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s eo ft h e i rf i n eg r a i n s t r u c t u r e ，s o m ep r o b l e m s ，s u c ha sm i c r o s t r u c t u r ec o a r s e n i n g , l o c a ls o f t e n i n g , e t c ，w i l l p r o b a b l yo c c u ri nw e l d e dj o i n t s ，w h i c h c a l lr e d u c et h ep r o p e r t i e so ff i n e g r a i n e d a n t i w e a t h e r i n gs t e e l t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nf i n eg r a i n e da n t i - w e a t h e r i n gs t e e lw e l d i n g h a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n da p p l i c a t i o na s p e c t s w e l d i n gc c t c u r v e so ff i n eg r a i n e da n t i w e a t h e r i n gs t e e la n dh o t r o l l e ds t e e lw e r e m e a s u r e d ，a n dm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a ta f f e c t e dz o n eo ft h ef i n e g r a i n e da n t i w e a t h e r i n g s t e e l sw i t hd i f f e r e n t c o o l i n gr a t e w e r es t u d i e db yu s i n g t h e r m a l - s i m u l a t i o n t h eo p t i m a lw e l d i n gp a r a m e t e r so ft h ef i n eg r a i n e da n dt h eh o t - r o l l e d s t e e l sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l d e dj o i n t s ，w h e r ec 0 2g a ss h i e l d e dw e l d i n gw i t hh e a ti n p u tc o r r e s p o n d i n gt ot h a to f t h e r m a l s i m u l a t i o nt e s tw a su s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea c la n da c 3o f0 9 c u p t i i 也 s t e e la r e7 1 0 ( 2a n d9 1 5 。c r e s p e c t i v e l y t h ea c la n da c 3o f0 9 c u p c r n is t e e la r e7 1 0 ( 2 a n d9 0 0 ( 2 ，r e s p e c t i v e l y w i t hh i g h e rc o o l i n gr a t e ( t s s l 8 s ) ，t h ec g h a zm i c r o s t r u c t u r em a i n l yc o n s i s t so ff e r r i t ea n dp e a r l i t e ，t h eo r i g i n a l a u s t e n i t eg r a i ns i z ei sc o a r s e n e d ，a n dt h ea m o u n to fp r o e u t e c t o i df e r r i t ei n c r e a s e s i m p a c t t o u g h n e s sd e c r e a s e sg r a d u a l l yw i t hd e c r e a s i n gc o o l i n gr a t e t h ep e a kt e m p e r a t u r e sa n d t h e i rs e q u e n c eo fd o u b l et h e r m a lc y c l e sh a v es t r o n ge f f e c to nt h eh a zm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o ff i n e g r a i n e da n t i w e a t h e r i n gs t e e l s w h e nt h ep e a kt e m p e r a t u r e s a r e 1 3 4 5 。c + 1 3 4 5 。c ，t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so f t h et w os t e e l sa r eg o o d w h e nt h ep e a k t e m p e r a t u r e sa r e13 4 5 + 9 0 0 a n d9 0 0 十13 4 5 m i c r o s t m c t u r eo f0 9 c u p t i r es t e e l i s c o a r s ea n di m p a c tt o u g h n e s si sl o w e r w h e nt h ew e l d i n gh e a ti n p u ti ss m a l l ( 13 8 k j c m ) i i 钢铁研究总院硕十学位论文 a n dm u l t i - p a s s e sw e l d i n gi sa d o p t e d ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l d e dj o i n tc a l lb e a c h i e v e d ，w h i c hd o e s n th a r d e na n ds o f t e nr e m a r k a b l y t h ev a l u eo fi m p a c tt o u g h n e s sa n d t h ew i d t ho fs o f t e n e dz o n ed e c r e a s ew i t hl a r g e rh e a ti n p u t j o i n t sb yc 0 2 g a ss h i e l d e d w e l d i n go fp r eb e a r i n ga n t i - w e a t h e r i n gs t e e lh a v eg o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s b e c a u s eo fi t sf i n em i c r o s t r u c t u r e t h e yh a v eh i g hl o w - t e m p e r a t u r et o u g h n e s sa n dt e n s i l e s t r e n g t h ，w i t h o u tr e m a r k a b l eh a r d e n i n ga n ds o f t e n i n g k e y w o r d s ：a n t i w e a t h e r i n gs t e e l ；w e l d i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 钢铁研究总院硕十学位论文 1 1 前言 第一章研究背景 研发高强度低成本的钢铁材料是当今世界钢铁行业的趋势，高强度耐候钢的工业 开发，对推动我国铁道车辆和集装箱技术的发展具有十分重要的意义。随着重载、提 速的铁路主要技术政策的制定，选用高强度、高耐候的结构钢以降低车辆自重、提高 整车性能问题显得尤为突出和迫切。 含p 的耐大气腐蚀用钢作为一种明显延长构件使用寿命的结构钢，由于其在节约 资源、保护环境等方面的特殊意义，始终受到世界各国的普遍重视，应用范围也比较 广泛。在我国，其主要的应用领域为铁路车辆和集装箱制造行业。目前，主要使用屈 服强度不小于2 9 5 m p a 和不小于3 4 5 m p a 的两种级别的热轧材以及屈服强度不小于 3 1 0 m p a 的冷轧材( 板带) 1 。现在，人们期望用在铁路车辆和集装箱上的材料，能够 使构件既轻又有高的强度，既有高的碰撞承受能力又有较小的自重。在加工和装配方 面，既要有好的冷弯、冲压成型性，又要有良好的焊接性能；在使用寿命方面，要求 整体构件具有良好的耐大气腐蚀性能和关键部件的耐疲劳性能、好的抗冲撞性能等。 我国铁路和集装箱业发展的战略重点是提速与重载，选用高强度、高耐大气腐蚀 性和高焊接性能结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显得尤为突出和迫切。目 前本钢对常规工艺生产的耐候钢通过微合金化和控轧控冷工艺开发出细晶组织的耐 候钢0 9 c u p c r n i 和0 9 c u p t i r e a 2 ，其高强度、良好的韧性将极大的推动我国铁路 车辆和集装箱业的发展。细晶组织0 9 c u p t i r e 和0 9 c u p c r n i 钢是在传统热轧钢合金 体系基本不变的前提下添加少量微合金元素n b ，通过控扎控冷技术手段将铁素体晶 粒细化至5 9 i n 左右。此钢在保持良好的耐大气腐蚀性能的同时，强度得到了大幅度 提高，因此细晶组织耐候钢具有广阔的应用前景。 根据工业发达国家统计，每年钢铁总产量的4 0 左右需经过焊接才成为工业产 品，对于结构钢，这个比例则要高得多。因此，如果一种钢铁材料不具备优良的焊接 性，那么它也很难变为车辆、集装箱、桥梁等现代化设施为工业所应用，同样这种细 晶组织的耐候钢也不例外。细晶组织耐候钢焊接热影响区组织粗化是其工程应用面临 的主要问题，工业实验板卷的焊接性能的优劣是高强度细晶粒耐大气腐蚀钢板是否能 8 钢铁研究总院硕士学位论文 工业化应用的关键，因此，研究该钢的焊接性能具有十分重要的意义。通过细晶组织 耐候钢的焊接性研究，将有助于推进耐候钢的开发和工业应用进程。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 耐候钢的发展 耐大气腐蚀钢通常称之为耐候钢。据统计，约有百分之八十的金属结构件是暴露 在大气中使用，因耐大气腐蚀损失占金属总的锈蚀损失一半以上。因此，大气腐蚀问题 很早就引起各国的注意。1 9 3 3 年美国u s s t e e l 公司开发了u s sc o r t e n 钢。 “c o r t e n ”是“c o r r o s i o n - t e n s i o n 的缩写，是耐腐蚀高强度的意思起初该钢都是进 行涂漆使用，主要应用在货车制造上。自销售以来的2 0 年间，仅应用c o r t e n 钢 制造的货车就在1 9 万辆以上，若加上其他公司应用同类钢种制造的货车已超过3 0 万辆以上。 日本1 9 5 7 年开始销售铜系的c u p l o n 钢。耐候钢在同本正式提供实用是从1 9 6 3 年开始，在当时的国铁车辆及桥梁上全部都是涂漆使用。在建筑物上从1 9 6 5 年开始， 屋顶、百叶窗、钢骨、外装面板等暴露在外部，用裸钢或者相当于裸钢的表面处理状 态，每年在几个建筑物上使用。2 0 世纪7 0 8 0 年代后期几乎都是涂漆使用。然而以 后由于补修涂漆、再涂漆在桥梁整体上出现了费用的问题，并且随着技术的进步、腐 蚀环境的改善等，逐渐地使无涂漆使用成为了中心。日本生产的7 8 0 n 耐候钢屈服强 度e 6 5 0 m p a ，现在除了强度方面的提高外，又有一些耐候性更好的新钢种陆续被研究 出来。 我国从2 0 世纪6 0 年代起广泛研制耐候钢，8 0 年代着手耐候钢的攻关并投入批量 生产，进入9 0 年代，已开发出一批钢号，其中有c u 、p 系列和c u 、p 、c r 、n i 系列， 0 9 c u p t i r e 和0 9 c u p c r n i 已成为主导材料。耐候钢在我国主要应用于铁路车辆以及 集装箱的制造方面。我国新造车用耐候钢大约每年用量为2 0 万吨，主要用于旧有铁 路的维修和改造、机车及车辆的制造与维修。目前我国已成为世界集装箱板第一生产 和出口大国，我国生产的集装箱量约占世界消耗量的7 0 。1 9 9 5 年我国集装箱制造 业消耗耐候钢达到7 9 万吨，1 9 9 6 年为9 7 万吨，1 9 9 7 年到2 0 0 0 年消耗量稳步增长， 9 钢铁研究总院硕士学位论文 2 0 0 0 年已达1 8 0 万吨，2 0 0 5 年约为2 3 2 万吨。随着我国对外贸易的发展，集装箱板 的需求也将有较大幅度的增长，2 0 0 6 年，我国对耐候钢材的需求量也将大幅度增长 3 4 。 在表卜1 中收录了国内外的常用耐大气腐蚀钢，列出了各钢号的化学成分及强度 级别。 表1 一l 国内外耐大气腐蚀钢 强度 产 化学成分( ) 0s 钢号 地肝a cs ig npc un ic r 其它 美 o 2 50 2 0o 0 70 2 50 0 3 c o r t e n a0 1 20 6 5 3 4 5 国一o 7 50 5 00 1 50 5 5一l2 5 美0 1 0o 1 5o 9 00 2 5o 4 0v0 0 2 c o r t e nb0 0 4 03 4 5 国一0 1 9一o 3 01 2 50 4 00 6 50 1 0 美 o 1 0o 1 5o 7 00 2 5o 4 0v0 0 2 c o r t e n b - q0 0 4 0 4 8 0 国o 1 90 3 0一1 2 50 4 0一o 7 0一o 1 0 日o 2 50 2 0o 0 70 2 50 0 3 s p a - h0 1 20 6 53 4 5 本一o 7 50 5 0一o 1 5一o 6 01 2 5 日o 1 50 6 00 2 5o 4 0 y a 一一t e n 6 0o 1 6 0 0 3 5t i o 1 54 6 0 本一o 5 5一1 4 00 5 0o 6 5 日0 2 00 4 0v 0 1 0 c u p t e n s oo 1 9o 5 51 4 0 0 0 4 3 5 0 本o 6 01 2m o 0 3 5 韩o 1 50 0 6o 2 5 p a w s 5 00 1 24 0 9 0t i o 1 53 4 5 国0 3 5o 1 3o 5 0 韩 0 1 50 1 50 4 0m o o 3 0 g p 0 s t e n 8 0o 1 61 2 0 0 0 3 0 3 9 0 国0 3 50 5 0o 8 0v 0 1 0 宝 0 1 50 0 60 2 0 b 4 9 0 n q ro 1 21 2 0t i o 1 0 3 9 0 钢 一o 5 5 一o 1 2、o 4 0 1 0 钢铁研究总院硕七学位论文 武0 1 00 2 00 0 7o 2 5o 2 00 3 0 0 9 c u p c 州io 1 23 4 5 钢- 0 4 00 5 00 1 2一o 4 5o 5 00 6 5 鞍o 2 0o 2 00 0 70 2 5 0 8 c u p v r eo 1 2r e o 2 02 9 5 钢 0 4 00 5 00 1 2一o 4 5 本o 2 5o 2 0 o 0 7o 2 5o 1 2o 0 3 0 9 c u p c r n io 0 93 1 0 钢 一o 5 0o 5 0一o 1 20 5 0一o 6 51 2 5 1 2 2 焊接性的研究 过去生产的合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于氧化提纯、加工成形和 相变热处理。而对其焊接性考虑较少，这给焊接技术及焊接生产带来了诸多不便。最 近几十年来，国内外已注重从冶金入手从根本上解决钢的焊接性问题。近二十年来我 国的冶金工作者也已经对此引起重视，并通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷 等工艺措施生产出了强度高、焊接性优良的耐大气腐蚀钢，这为焊接用合金结构钢的 发展做出了新的贡献。 日本n k k 公司采用先进的t m c p 技术，并添加适当的微合金元素，控制淬火工艺， 开发出了5 7 0 m p a 级和7 8 0 m p a 级的低预热型桥梁用钢板。这种钢板实现了强度与韧性 最佳的配合，并具有优良的焊接性，这种 k 乇p c m ( 焊接裂纹敏感性指数) 钢的开发已 扩大至1 0 0 r a m 板厚的耐候钢的应用。n k k 公司生产的耐候钢( 海岸用耐候钢) ，可以 无涂装地使用于飘散盐分较多的沿海地域。这种海岸用耐候钢的牌号为 c u p l o y 4 0 0 一c l ( 4 0 k g ) 、c u p l o y 4 0 0 一c l ( 5 0 k g ) 除具有较高的耐候性，并且焊接 性也比原来的耐候钢又大幅度的改善。该钢的机械性能及可焊性见表1 2 5 。我国于 1 9 9 8 年在国家重大基础研究发展规划中启动了“新一代钢铁材料重大基础研究 的 “9 7 3 项目”。该研究的最终目标是将占我国钢产量6 0 以上的碳素钢、低合金钢和 合金结构钢等“三类”钢的强度和寿命提高一倍，耐候钢焊接性的研究作为其研究子 课题之一。r 本在1 9 9 7 年启动了s t x - 2 1 “超级钢铁材料”科学研究项目，主要研究 开发8 0m p a 级易焊接的铁素体一珠光体钢、耐延迟破坏和疲劳破坏的1 5 0 0m p a 级超高 强度钢、超临界压力发电设备用铁素体耐热钢和海滨地区用钢等。韩国也于1 9 7 7 年开 始了一个历时十年的2 l 世纪结构钢项目，其中包括6 0 0m p a 级耐候钢及其焊接性究。 1 1 钢铁研究总院硕七学位论文 表1 2日本耐候钢的主要性能 t a b l e1 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fj a p a n e s ea n t i w e a t h e r i n gs t e e l 1 3 细晶耐候钢的特点 选用目前最常用的2 种耐候钢0 9 c u p c r n i 和0 9 c u p t i r e ，添加微合金元素n b ，采用 变形诱导铁素体相变( d i f t ) 原理，获得细晶组织，使强度有较大提高，同时韧性、焊接 性和腐蚀性与原耐候钢0 9 c u p c r n i 和0 9 c u p t i r e 相当或提高。有关这方面的研究工作， 钢铁研究总院在理论基础研究和工业性试制方面取得了较大进展，同时宝钢、武钢、 本钢、鞍钢、攀钢等钢厂也在耐候钢的开发和生产上积累较多的经验。 1 3 1 细晶耐候钢的化学成分 试验选用目前在铁道车辆和集装箱行业大量使用的两种耐候钢，即本溪钢铁公司 工业大生产的0 9 c u p c r n i 和0 9 c u p t i r e ，同时在钢中添加微合金元素n b ，并分别经 过控扎控冷制成晶粒尺寸为4 - - 一5 b m 的细晶粒耐候钢，钢板厚度为6 m m 。细晶粒耐 候钢的化学成分见表1 - 3 。 钢铁研究总院硕十学位论文 注：其中l 群为热轧t 艺生产的0 9 c u p t i r e ，2 为t m c p 工艺生产的细晶组织0 9 c u p t i r e 注：其中3 j f i 为热轧工艺生产的0 9 c u p c r n i ，甜为t m c p 上艺生产的细品组织0 9 c u p c r n i 耐候钢中的合金元素主要起两个作用，一是确保钢具有优良的耐大气腐蚀性能； 二是配合生产工艺，提高钢的强度和韧性，满足工程使用需要。钢中加入c u 、p 元素， 主要是提高钢的耐大气腐蚀性能。c u p 系钢具有优良的耐大气腐蚀性能是由于p 元素 在钢腐蚀过程中，富集在钢的基体表面锈层中，促进形成致密的非晶态羟基氧化铁， 起到保护钢基体，降低腐蚀速率，提高钢的耐蚀性的作用。c u 、p 元素在钢中除改善 钢的耐蚀性能外，还是很强的固溶强化元素，它们能使钢的强度显著提高。 细晶组织耐候钢是在热轧钢合金化系基本不变的基础上，添加0 0 2 0 0 3 的合金 元素n b ，通过控轧控冷工艺研制而成。其中n b 作为一种重要的合金元素，可通过晶粒 细化的途径来改善钢铁的强度和韧性的平衡。在奥氏体中n b 以n b ( c ，n ) 析出，析出 物的数量依靠于温度和c 、n 的数量。当钢被加热超过a c 。时，细小的n b ( c ，n ) 就马上析 出。随着加热温度升高，n b ( c ，n ) 析出物增加并逐步溶解到奥氏体中。较低温度下奥 氏体内的细4 , i b ( c ，n ) 析出，通过作用于晶界的钉扎机制，阻止晶粒长大，从而获得 细晶组织。而当提高加热温度时，n b ( c ，n ) 析出物将粗化和溶解，将导致奥氏体晶粒 的粗化。 1 3 2 细晶耐候钢的轧制特点 细晶耐候钢采用控制轧制和控制冷却工艺生产，a s t m 和j i g 已经把这一工艺列 入标准之中，命名为t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 。在a s t m 标准 1 3 钢铁研究总院硕 学位论文 a 8 4 1 a 8 4 1 m 中定义为：“t m c p 从应用多年的控制轧制工艺演变发展而来，是新 代控制轧制工艺。t m c p 通过在钢中复合添加微台金元素以及从袄坯加热至轧后冷 却进行控制，生产出细晶粒的产品。因此，可以在规定尺寸板厚的基础上达到较高的 力学性能 6 。t m c p 要求对整个工艺过程轧制温度及轧制压下率进行精确的控制。 实验用耐候钢的轧制工艺见表卜4 所示。 表1 4 实验用耐候钢的轧制工艺 t a b l e l - 4r o l l i n g p a r a m e t e r so f a n t i w e a l h e r i n gs t e e l i n t h e e x p e r i m e n t 1 3 3 细晶耐候钢的组织 目前，耐候铜在冶金制造中采用非控轧技术生产，钢带组织较粗，以铁索体+ 珠 光体为主，铁索体晶粒尺寸约为2 0 m ( 如图1 - 1 a 、c ) 。细品耐候钢在合盒化系基本不 变的日日提下，通过t m c p 手段将铁素体晶粒细化至5 “m 以下( 如图卜l b 、d ) ，在保持 良好的耐大气腐蚀性能的同时，钢带的强度也大幅度地提高f 7 1f 8 。 霆 ( a ) 热轧0 9 c u p i i r e 钢0 ) 控轧枉玲0 9 c u p t i r e 铜 澜 钢铁研究总院硕士学位论文 - 。 7， ： 一。 7 ：、 ： j 一- ：? | 。 i i 、j ，r ，。j ，r 。：，。一，t ，譬一。 【c ) 热轧0 9 c u p c r n i 钢( d 啦轧控冷0 9 c u p c r n i 铜 图i - 1 耐候钢的金相组织 f i g1 1m i c r o s t r u c t u r eo f a n t i - w e a t h e r i n gs t e e l 1 4t b c p 与热轧耐候钢焊接h a z 特点的比较 t m c p 耐候钢作为新一代钢铁材料，其特征与热轧耐候钢材料相比，主要是材料 中原始铁索体晶杜尺寸大小的差别，而焊接是直接关系到新一代钢铁材料未来应用的 关键技术，在焊接热作用下，焊接热影响区h a z 会发生 | l 化，成为整个焊接接头性 能的薄弱环节。因此对比热轧时候钢研究t m c p 耐候钢对焊接h a z 耜化的影响， 具有重要意义 9 1 0 。 t m c p 耐候钢随着原始铁索体品粒尺寸的不断减小，快速加热时的材料转变温度 ( a c ，和a d ) 不断降低，同时奥氏体品粒长大的粗化温度下降，柑品区( c g h a z ) 变宽。原始铁襄体晶粒尺寸越小，所得到的初始舆氏体的尺寸就越小，而其最终热影 响区 1 品区奥氏体的品粒就越大 1 l 】。 14 1h a l 的昌粒长大 在焊接热循环作用下，铁索体向奥氏体转变后，在晶界表面能的作用下，大晶粒 吞并小品粒，导致品粒长大 1 2 1 3 。假设品粒长人是m 扩敞控制，其动力是晶粒界 面能的降低，齄个过程不需要形核，在固定温t _ 楚t 时，龃粒的k 犬速度为： i d g 一专“p 一南 ( 1 3 ) 其中g 一舳粒尺寸k 一动力学常数，q 一材料的激酒能，r 一气体常数，t t 5 钢铁研究总院硕十学位论文 一温度，是时间t 的函数。 在焊接热循环的作用下，由于晶界表面能减小的驱动，晶粒会长大。单位体积的 晶粒长大驱动力为： a g = 2 y g b g ( 卜4 ) 其中，g t , 为晶界表面能，g 为平均晶粒直径 由式( 卜3 ) 、( 卜4 ) 可知，晶粒长大速度和晶粒长大驱动力都与晶粒直径成反 比，晶粒直径越小，热影响区晶粒长大的速度就越快。 热轧耐候钢带组织较粗，以铁素体+ 珠光体为主，铁素体晶粒尺寸约为1 5 1 x m 。而 t m c p 耐候钢铁素体晶粒细化至5 9 m 以下，由此可得知t m c p 耐候钢比热轧耐候钢 在热影响区具有更大的晶粒长大倾向，所以研究热轧和t m c p 耐候钢焊接h a z 晶粒 长大，及其对性能的影响是非常必要的。 1 ，4 2 热影响区的软化 与热轧耐候钢相比，t m c p 耐候钢焊接接头热影响区软化也是其遇到的不可避免 的问题，大线能量焊接的情况下尤为突出为了不损失整个接头的承载能力，工程上 常采用一些措施使热影响区的宽度尽量减小。 t m c p 耐候钢是经由特殊的轧制过程得到，经过塑性变形而造成晶格畸变，为此 储存了大量畸变能。在焊接热循环的作用下，由于原子具备了足够的活动能力，偏离 平衡位置的能量较高原子，将向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，畸变 能也将逐渐释放出来而发生形变回复和再结晶。形变回复和再结晶造成位错密度的下 降，因此会导致材料硬度与强度的下降。因此，细晶粒耐候钢在焊接热循环作用下的 软化问题也应引起注意。图1 2 则反映了t m c p 钢在焊接热循环作用下的软化现象 1 4 1 5 。 1 6 钢铁研究总院硕+ 学位论文 d i s t a n c ef r o mf u s i o nl i n e ( m m ) 图卜2t m c p 钢焊接接头的软化 f i g 1 - 2s o f t e n i n gp h e n o m e n ao fw e l d e dj o i n to ft m c p s t e e l 1 4 。3 焊接接头非平衡组织 焊接热影响区在不同峰值温度和冷却速度的焊接热循环作用下，发生组织转变形 成一系列不平衡的组织并呈现梯度性特征。焊接工艺参数对耐候钢接头的低温冲击性 能影响较大，当采用小线能量的规范焊接时，由于热输入较小，焊缝及热影响区晶粒 较细小，具有比较良好的缺口韧性；随着热输入量的增大，焊缝和热影响区中晶粒有 较大幅度的增加，降低了冲击缺口韧性 1 6 1 7 。焊接工艺的变化，会引起焊接热输 入在较大范围内变化，使得冷却速度在较大范围内变动，造成h a z 显微组织的比例 和形态大不一样。因此，热影响区虽属于母材的一部分，但是受焊接热过程的影响， 使它发生了与母材原始组织不同的变化，一般情况下其性能往往不如母材甚至焊缝。 在焊接热循环对细晶粒钢的组织和性能影响中，奥氏体粒径受姚的影响很大，在条 件允许的情况下，应尽可能采用低热输入焊接，加快焊接冷却速率。 因此研究不同焊接热输入条件下热轧和t m c p 耐候钢焊接h a z 热影响区的组织 和性能，确定出合理的焊接热输入是t m c p 耐候钢焊接需要研究的关键问题之一。 对比热轧耐候钢，细晶粒耐候钢焊接h a z 存在h a z 晶粒粗化、h a z 不平衡组织 转变及软化等关键问题，这些问题直接对接头的强韧性造成影响，所以耐候钢的焊接 要严格控制焊接热输入量，合理的线能量才能保证其具有良好的低温冲击性能 1 4 。 t m c p 和热轧耐候钢在焊接热循环作用下不平衡组织转变的规律及其对接头性能的 1 7 一1o墨一8_ip矗z 钢铁研究总院硕士学位论文 影响，也有待研究。因此必须对细晶组织耐候钢的焊接性和焊接工艺原则的制定做出 明确的回答。 1 50 9 c u p tir e 幂口0 9 c u p c r ni 的区另0 目f j ，应用于机车车辆和集装箱的耐候钢主要是热轧0 9 c u p t i r e 和0 9 c u p c r n i ， 与普通碳素结构钢和普碳低合金钢相比，耐大气腐蚀力高出2 3 倍 1 8 1 9 。 1 5 1 化学成分 0 9 c u p c r n i 钢中的耐大气腐蚀元素主要是c u 、p 、c r 和n i 。c r 元素能促使钢表面 形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。试验用耐候钢中c 晗量在0 4 8 左右，n i 含 量在0 1 3 左右。c r 本身并不能显著地提高钢的耐大气腐蚀能力，但是，如果c r 与c u ， p ，s i 等元素匹配，其耐大气腐蚀性能就显著地提高。当c r 与c u 同时加入钢中时，效 果尤为明显。同时研究认为添加c r 元素还可以阻止干湿交替过程中，干燥时f e 3 + - - f e 2 + 的还原反应，从而提高钢的耐候性。n i 是一种比较稳定的元素，加入n i 禽皂使钢的自腐 蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性。n i 是对耐大气腐蚀性能有效的元素，它对 耐大气腐蚀性能的作用随其含量增加而增大。稳定锈层中富集n 馆皂有效抑n c l 。离子 的侵入，促进保护性锈层生成，降低钢的腐蚀速率 2 0 。此外，n i 还可以抑制c u 引 起的热脆性。 与0 9 c u p c r n i 钢不同，0 9 c u p t i r e 钢中耐大气腐蚀元素主要是t i 和微量r e 。 0 9 c u p t i r e 钢是结合中国资源开发的c u p 系耐大气腐蚀用钢。由于钢中加入c u 、p 、 r e 三种提高钢材耐大气腐蚀性能的元素，具有优良的耐大气腐蚀性能，同时也具有 较好的加工性能和焊接性能。r e 元素是极其活泼的元素，它可以提高钢的耐大气腐 蚀性能。这种元素作用为 2 1 ：( 1 ) r e 是很强的脱氧剂和脱硫剂，主要对钢起净化作用， 氧、硫最终含量分别为4 0 p p m ，1 4 0 p p m ，减少了钢中有害的夹杂总量，夹杂物与金属接 触面这类的腐蚀场所减少，降低腐蚀源点；( 2 ) r e 元素的加入可细化晶粒，还能在钢材 表面形成致密的稀土氧化膜；( 3 ) r e 加入含p 钢中，可使p 的宏观偏析减少，可使p 在晶界和铁素体界面上的偏聚减少3 0 ，r e 使p 在晶界偏析量减少，这样，p 一在该钢中 钢铁研究总院硕士学何论文 的分布更合理；( 4 ) 钢液中r e 降低c u 的活度，提高c u 的溶解度，提高了c u 在钢中的 利用率；( 5 ) 稀土在晶界上的富集，可以提高晶界部分的电位，并抑制碳向该处偏聚； ( 6 ) 稀土对氢的溶解作用很大，使阴极强烈极化。这些都在不同程度上提高了钢的腐 蚀稳定性。t i 在钢中主要是细化晶粒，产生细晶强化和改善钢的塑性。 钢的腐蚀性能与钢中的化学成分有直接的关系。0 9 c r p t i r e a 钢板由于钢中含适 量的c r 、n i 、c u 、p 、t i 抗腐蚀元素，耐腐蚀能力是普碳钢板的1 7 1 9 倍 2 2 ，且 0 9 c u p t i r e a 钢经稀土处理，钢板具有良好的冲击韧性和冷加工性能。0 9 c u p c r n i 钢耐腐蚀能力是普碳钢的2 2 8 2 6 倍，达到了美国c o r t e n a 钢和日本s p a 的钢水平。 1 5 2 力学性能 化学成分对力学性能有直接的影响。合金元素的质量分数越高则强度指标也越 高。控轧控冷0 9 c u p t i r e 钢的屈服强度4 9 0n m m 2 ，控轧控冷0 9 c u p c r n i 钢的力学 性能优于0 9 c u p t i r e 钢，屈服强度可达5 3 5n m m 2 ，其差异见表1 - 5 。其l 撑、3 撑分别 为热轧工艺生产的0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p c r n i ，2 拌、铺分别为控轧控冷工艺生产的 0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p c r n i 。 表卜5 实验用耐候钢的力学性能 t a b l el - 5m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n t i w e a t h e r i n gs t e e lf o r t h ee x p e r i m e n t 1 5 3 成本 生产0 9 c u p c r n i 钢所需的合金成本较高，尤其是n i ，非常昂贵 2 3 。因此在大 批量生产时，0 9 c u p c r n i 钢所需的成本远远高于0 9 c u p t i r e 钢。目前，0 9 c u p c r n i 适用制造铁路客车、餐车、冷藏车等的结构件、冲压件与装饰件，推广可应用于建 筑和其它交通车辆的制造等。0 9 c u p t i r e 适于制造铁路货物车及矿石车等的结构件 与焊接件。 l q 钢铁研究总院硕士学位论文 1 5 4 目前研究 焊接热影响区c c t 图是表征钢的热影响区金属在各种连续冷却条件下转变温度 和终了温度、转变开始时间和终了时间，以及转变的组织、室温硬度与冷却速度之 间关系的曲线图。c c t 图有利于研究在一定焊接条件下热影响区的组织性能，对合 理制定焊接工艺及参数有重要的指导意义。 热轧0 9 c u p t i r e 钢焊接热影响区连续冷却转变图( 简称焊接热影响区c c t 图) 见图卜3 。焊接冷却时间t 8 5 与热影响区组织组成的关系见图卜4 1 - 2 4 。 图卜3 热轧0 9 c u p t i r e 钢焊接热影响区连续冷却转变 f i g 1 - 3c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc h iv eo f0 9 c u p t i r es t e e lb yh o t - r o l l i n g 钢铁研究总院硕+ 学位论文 摹 键 鼎 繇 鼎 冷却时间t g 5 s 图卜4 热轧0 9 c u p t i r e 钢焊接冷却时间t 8 ，5 与热影响区组织组成的关系 f i g 1 4r e l a t i o n s h i po ft 8 5a n dm i c r o s t r u c t u r ec o m p o s i t i o no f0 9 c u p t i r e s t e e lb y h o t - r o l l i n g 热轧0 9 c u p c r n i 钢( 即w s p a 钢) 是武汉钢铁公司研制的属于c u p c r - n i 系的屈 服强度3 1 5 m p a 级的高耐候钢。该钢不但具有优良的耐大气腐蚀性能，而且具有良好 的成型性和焊接性能。热轧0 9 c u p c r n i 钢焊接热影响区连续冷却转变图( 简称焊接热 影响区c c t 图) 见图1 - 5 2 5 。焊接冷却时间t 8 ，5 与热影响区组织组成的关系见图卜6 【冽。 图1 5 热轧w s p a 钢焊接连续冷却转变曲线( s h c c t ) f i g 1 5c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc u i v eo fw s p a s t e e lb yh o t - r o l l i n g 2 l 钢铁研究总院硕士学位论文 孚 铬 四 确 舞 冷却时同t8 ，5 1 s 图i - 6w s p a 钢焊接冷却时间t 8 5 与h a z 组织组成的关系