（材料学专业论文）nb对大线能量焊接高强度低合金钢热影响区组织和性能的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 本文采用气电立焊和热模拟研究了实验室试制的两种不同铌量钢热影响区的组织和 性能，并对工业试制的含铌高强度低合金钢的焊接性能进行了研究。 实验室试制两种不同铌含量钢的实际焊接结果表明，焊接接头组织可划分为：焊缝、 粗晶区、细晶区和不完全淬火区。在8 0 k j 饷左右的大热输入条件下，随着铌含量从0 0 1 4 变为0 1 7 ，粗晶区的宽度增加约1 5 m m ，而总的热影响区宽度从7 5 m m 增加到8 m m 左 右。粗晶区的组织则由低铌钢的针状铁素体和晶界铁素体组织变为高铌钢的粒状贝氏体， 细晶区和不完全淬火区及母材的组织则由铁素体和珠光体转变为铁素体和贝氏体，这与铌 的固溶抑制晶界铁素体的形核，推迟转变开始温度，促进了粒状贝氏体形成有关。 实验室试制两种不同铌含量钢的焊接热模拟结果表明，不同峰值温度模拟后的组织比 实际焊接热影响区各个区域的组织粗大，但组织类型基本一致。不同热输入模拟焊接粗晶 区的结果表明，随着热输入的增大，粗晶区的组织发生了显著变化，低铌钢粗晶区组织由 g b 和一定量的a f 为主，逐渐转变为p f 和a f ，最后完全转变为p f 和p 。而高铌钢粗晶 区组织则由g b 和少量的m ，变为b + f ，最后变为p f 。 硬度测试结果表明，焊缝由于含有大量针状铁素体硬度最高，而在靠近熔合线附件的 粗晶区和不完全淬火区出现一定的软化，且高铌钢热影响区的硬度高于低铌钢，这与不同 峰值温度模拟焊接热影响区的硬度结果相一致。另外，随着热输入的增大，两种钢粗晶区 的硬度均不断降低。 工业试制含铌低合金高强钢的实验结果表明，在4 2 k j c m 和5 5 u c i i l 的实际线能量焊 接时，粗晶热影响区仍具有良好的低温冲击韧性。 关键词：铌，大线能量焊接，热影响区，组织，性能 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fh e a ta f f e c t e dz o n e s ( h a z ) i nt w o d i f f e r e n tn bc o n t e n ts t e e l sm e l t e di nl a b o r a t o r yw e r ei n v e s t i g a t e db ya c t u a le l e c t r o g a sw e l d i n g a n dw e l d i n gs i m u l a t i o n ，t h ew e l d i n gp r o p e r t i e so fn b c o n t a i n i n gh i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t e e l ( h s l a ) p r o d u c e di ni n d u s t r yw e r ea l s os t u d y i e d t h er e s u l t so fa c t u a lw e l d i n gs h o w e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e so f w e l d i n gj o i n t sc o n s i s t e do f w e l dm e t a l ，c o a r s e - g r a i n e dr e g i o n ，f i n e g r a i n e dr e 西o na n di n c o m p l e t eq u e n c h e dr e g i o n a tl a r g e h e a ti n p u to f8 0 k j c m ，t h ew i d t ho fc o a r s e - g r a i n e dh e a ta f f e c t e dz o n e ( c g h a z ) i n c r e a s e d a p p r o x i m a t e l y1 5 m mw h e nt h ec o n t e n to fn bi n c r e a s e df r o m0 014 t oo 17 ，t h ew h o l eh a z w i d t hv a r i e df r o m7 5 m mt o8 m m w i t hl o wn bc o n t e n ts t e e l t h em i c r o s t m c t u r e so fc g h a z w e r ea fa n dg f ( g r a i nb o u n d a r yf e r r i t e ) ，w h i c hw a sg r a n u l a rb a i n i t e ( g b ) w h e nn bc o n t e n t i n c r e a s e d c o r r e s p o n d i n g l y , t h em i c r o s t r u c t u r e so ff i n e g r a i n e dr e g i o n ，i n c o m p l e t eq u e n c h e d r e g i o na n db a s em e t a lv a r i e df r o mp o l y g o n a lf e r r i t e ( p f ) a n dp e a r l i t et of e r r i t ea n db a i n i t e t h e s e c h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r e sc a nb ea t t r i b u t e dt ot h en bi ns o l i ds o l u t i o n ，w h i c hs u p p r e s s e dg f n u c l e a t i o n ，d e c r e a s e dt r a n s f o r m a t i o ns t a r tt e m p e r a t u r ea n dp r o m o t e dt h ef o r m a t i o no fg b r e s u l t so fw e l d i n gs i m u l a t i o nw i t hd i f f e r e n t p e a kt e m p e r a t u r e i n d i c a t e dt h a tt h e m i c r o s t r u c t u r e so fh a zw e r ec o a r s e rt h a nt h a to fa c t u a lw e l d i n g , b u tt h et y p eo fm i c r o s t r u c t u r e s w a si nag o o da c c o r d a n c e w e l d i n gs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e so f c g h a zw e r eo b v i o u sd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n th e a t i n p u t w i t hl o wn bc o n t e n t ，t h e m i c r o s t r u c t u r e sv a r i e df r o mp r e d o m i n a t e l yg ba n da ft op fa n da f , f i n a l l yt h e yc o m p l e t e l y c h a n g e dt op fa n dpw i ml a r g eh e a ti n p u t w h i l et h em i c r o s t r u c t u r e so fh i g hn bc o n t e n ts t e e l v a r i e df r o mg ba n dal i t t l ea m o u n to fm a r t e n s i t et ob a i n i t ea n df e r r i t e ，t h e nt r a n s f o r m e dt op e v i c k e r s h a r d n e s st e s t ss h o w e dt h a tt h ew e l dm e t a lh a dh i g h e s th a r d n e s sb e c a u s eo fa l a r g ea m o u n to fa c i c u l a rf e r r i t e , b o t ht h ec o a r s e - g r a i nr e g i o nn e a rf u s i o nl i n ea n di n c o m p l e t e q u e n c hr e g i o ns o f t e n e da f t e rw e l d i n g t h eh a r d n e s so fs t e e lw i t hh i g hn bc o n t e n tw a sal i t t l e h i g h e rt h a nt h a to ft h es t e e lw i t hl o wn bc o n t e n t w e l d i n gs i m u l a t i o na l s os h o w e dt h a tt h e v i c k e r s h a r d n e s sd e c r e a s e w i t hh e a ti n p u ti n c r e a s i n g r e s u l t so fn b - c o n t a i n i n gh s l as t e e lp r o d u c e di ni n d u s t r ys h o w e dt h a tt h es t e e lh a dg o o d l o wt e m p e r a t u r ed u c t i l i t yw i t hah e a ti n p u to f 4 2 k j e ma n d5 5 k j e mw e l d i n g k e yw o r d s ：n b ，l a r g eh e a ti n p u tw e l d i n g , h e a ta f f e c t e dz o n e ，m i c r o s t m c t u r e ，p r o p e r t i e s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：_ 鞠f 呈猩日期：碎：z 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：翻益超 指导教师签名： 日 期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 前言 近年来，随着管线、桥梁、海上采油平台、高层建筑钢结构、压力容器越来越多地采 用大规格、高强度钢板，要求钢板可以采用大幅度提高焊接效率的单面埋弧焊、气电焊或 电渣焊等大线能量焊接技术进行焊接。而随着焊接线能量的提高，焊接热影响区峰值温度 将达到或超过1 4 0 0 ，从而使c o h a z 晶粒粗化倾向更加明显，造成焊接热影响区( n a z ) 的性能( 强度和韧性) 恶化，易产生焊接冷裂纹等问题。因此，如何在追求高强度的同时改 善h a z 的韧性成为迫切需要解决的课题。 为了提高韧性和焊接性能，必须降低钢中的碳含量和碳当量，而采用t m c p 可以弥补 强度的损失，保证钢材具有足够的强度和韧性。对于目前国内外广泛采用的t m c p 钢，其 强化过程的基础是控制轧制，而n b 是这一过程中不可缺少的元素，同时n b 作为低合金高 强钢常用的微合金化元素可以通过固溶强化和第二相强化提高钢的力学性能，但钢中是否 有必要添加n b 及添加多少n b 均与钢板的实际使用状态有关，如果使用过程中经受大热输 入焊接，则应根据其对强度的有利影响和韧性的不利影响综合考虑，但目前n b 对焊后热 影响区组织和韧性的影响还不完全清楚，有必要对此进行研究。 围绕上述问题，本课题首先通过对实验室试制的不同n b 含量钢进行了实际焊接与热 模拟研究，考察了n b 及焊接热循环对大线能量焊接热影响区的组织与性能的影响，然后 在此基础上对工业试制的含铌结构钢也进行了实际焊接与热模拟研究。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 大线能量焊接技术介绍 我国年钢铁消耗已经突破3 亿吨，其中钢结构的使用量高达1 5 亿吨，包括建筑、桥 梁、机动车辆等钢结构产业。钢结构未来向大型化发展，采用5 0 k j c m 以上大线能量焊接 将是必然趋势。而单面埋弧焊、气电立焊及电渣焊等大线能量焊接技术因其熔敷效率高、 焊接速度快、焊接质量好、节约能源、操作方便且易于自动化等优点，成为现代钢制结构 制造行业中应用最为广泛的高效焊接技术。下面对这3 种在结构制造行业应用最为广泛的 大线能量焊接技术进行介绍。 1 1 1 单面埋弧焊 单面埋弧焊技术是采用较大的焊接电流( 1 0 0 0 a 左右) ，在背面用衬垫强迫成型条件 下，将焊件一次焊透从而获得双面焊缝的一种焊接工艺【l - 2 。根据所用衬垫的不同，单面埋 弧焊技术又可分为焊剂铜衬垫法( f c b 法) 和焊剂垫法( r f 法) 。f c b 法是在坡口背面 放铜板，铜板之上均匀地铺一层焊剂，利用通气软管等简单的上升机构将铜板压紧在坡口 背面，只在正面焊接一道，背面也能形成焊道。f c b 法原理见图1 1a 。r f 法是将含有热 硬化性树脂粉末的焊剂放入皮带式或槽型的r f 装配架内上层，其下部是装有铺底焊剂的 焊剂袋，再下部是膨胀用的通气软管，依靠膨胀将焊剂压紧在坡口背面，同样是正面焊接 一道，背面也能形成焊道。r f 法原理见图1 1b 。单面埋弧焊技术可应用于船舶、钢结构、 桥梁等钢板的焊接。 f lb 篱 图1 1 ( a ) f c b 法和( b ) r f 法原理图 1 1 2 气电立焊 气电立焊是采用自动控制上升系统、配用专门的药芯焊丝、以c 0 2 或a r + 0 2 气体保 护进行自动单面焊双面一次成型的高效大线能量焊接技术【，其工艺过程稳定、操作简便、 焊缝质量优良，生产效率比手工电弧焊高l o 倍以上。气电立焊多用于大型石油储罐、高 炉、巨型船舶的大立缝焊接，其原理如图2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 2 气电立焊原理示意图i l i 1 1 3 电渣焊 电渣焊是利用电流通过导电的液体熔渣所产生的电阻热使金属熔合的一种大线能量 熔焊方法【3 】。为了保持熔池形状，必须辅以铜冷滑块( 内通冷却水) 强制焊缝成形。电渣 焊的热源来自焊丝自身的电阻热和渣池热，渣池最高温度达2 0 0 0 左右，渣池内产生剧烈 的涡流，使温度比较均匀，从而使工件边缘熔化。电渣焊的原理如图1 3 所示。 图1 3 电渣焊的原理示意图1 i 1 2 大线能量焊接对钢铁材料组织性能的影响 焊接时伴随这热量输入，由于母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，经历的热循环 不同，使得整个焊接热影响区的组织和性能不均匀分布【4 】。如图1 4 所示，在焊缝金属区， 钢本身发生熔化。在熔合线和未受热影响的基体材料之间形成h a z 。紧靠熔合线的基体金 属温度接近钢的固相线温度，因此，该区域显微组织迅速粗化，成为粗晶热影响区 ( c g h a z ) 。随着距熔合线距离的增大，热循环峰温下降，在某一区域达到的一个温度范围 相当于正火温度，这个区域为细晶热影响区( f g h a z ) 。离熔合线的距离再进一步增大时， 钢被加热进入奥氏体和铁素体的两相区和不发生任何相变区。这两个区域分别为两相区和 亚临界热影响区。从一个区到另一个区的过渡是连续的。在多层焊接情况下，一次形成的 热影响区显微组织将经受二次过程。如生成两相区或亚临界粗晶热影响区，情况则变得更 为复杂。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 焊接热循环过程伴随h a z 中微观组织而变化，相变组织主要取决于材料的淬透性和 冷却速度等等，可能的相变组织包括铁素体、珠光体、上贝氏体、下贝氏体、马氏体等。 通常情况下，c g h a z 的韧性一般都较低，其原因在于奥氏体晶粒粗化和粗大相变组织( 晶 界铁素体和侧板条铁素体) 的生成。因此，大线能量焊接用钢的合金设计和焊接工艺均非 常重视细化h a z 组织。 图1 4 低碳微合金高强钢焊接热影响区的温度分布与状态图的关系卅 ( a ) 热影响区的组织分布；( b ) 铁碳相图；( c ) 焊接热循环曲线 ( 图中t m - 峰值温度，t g - 晶粒长大温度) 1 3 改善大线能量焊接性能的途径 大线能量焊接时，熔合线区域h a z 长时间停留在较高温度，其奥氏体晶粒显著长大， 加上相变温度区域的冷却速度小，导致h a z 的组织粗大化，韧性下降。因此，h a z 的韧 性成为制约钢大线能量焊接的关键因素。 为了改善h a z 的韧性，国内外相继开展了大量的研究工作【5 - 1 0 1 ，提出的改善韧性的方 法主要有降低c 含量和c e q 、利用微合金元素和氧化物夹杂细化奥氏体晶粒、获得韧性好 的组织如针状铁素体以及贝氏体组织的超低碳钢、通过改进生产工艺提高韧性等。 1 3 1 合理的成分设计 大线能量焊接用钢成分设计的基本思路： ( 1 ) 降低c 含量，限制裂纹敏感性组成，确保钢板具有优异的焊接性能。 ( 2 ) 采取最佳微合金化处理，即添加必要的微合金元素( n i 、c r 、m o 、n b 、v 、t i 、 b 等) ，确保大焊接线能量钢在低c 的前提下仍具有高强度。同时通过t m c p 工艺的综合 运用，以其中一些元素的碳氮化物或氧化物为核心，形成很小的析出相，钉扎晶粒在大线 能量焊接高温下的长大。 c ：碳含量降到0 1 0 以下，甚至 o 0 5 ，或更低，可以显著细化m a 组元，从而 改善大线能量焊接h a z 的韧性，降低钢的焊接裂纹敏感性。通常控制为c e q _ 5 0 k j c m 的抗大线能量焊接性能。其他关于船板钢、海洋建筑 构件用钢、桥梁用耐候钢、建筑结构用钢的开发情况如下【3 i 】： 船板钢：随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用钢的屈服强度也从3 1 5 m p a 增加 到3 5 5 m p a 。最近的趋势是使用屈服强度更高的高价值钢板，比如3 9 0 m p a 的屈服强度。 日本已经开发出系列适应大线能量焊接的船用板。如j f e 公司采用m a c s ( m u l t i p u r p o s e a c c e l e r a t e dc o o l i n gs y s t e m ) s e 艺研制了y p 3 9 0 船用厚钢板，该钢低n ，含有少量的n b 并 添加了r e m t i 焊接接头大线能量条件下仍具有良好的低温韧性。试验测试结果表明， 钢板的性能以及在1 4 7 - 2 7 4 k j c r n 线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。此外， 日本还采用e w e l 技术开发了y p 3 5 5 m p a 级l p g 低温船用板。抗拉强度5 2 0 m p a ，承受的 焊接线能量为1 0 6 k j c m ；而其开发的q 3 9 0 m p a 钢板，在6 0 0k j c m 的输入能量下仍具有 良好的焊接性能。 海洋建筑构件用钢：随着石油工业的发展。濒海构件也用到了极地和深海地区。随着 强度的提高和厚度的增加。用于濒海的钢板必须满足4 0 下的c t o d 值，落锤试验时零 脆转变温度t n d t 低于8 5 以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。日本最初应用于 寒冷地区能源开发的大线能量焊接厚板为y p 3 6 0m p a 结构钢板，最大厚度7 0 m m ，能够承 受1 3 0 k j e r a 的线能量。适应更高强度的需要，通过控制c e q 和p c m ，降低c 、n 、s i 和p 成分以及r e m - t i 处理并控制t i n 比。并运用了控制轧制和加速冷却工艺( m a c s ) ，日本 研制出厚7 5 m m 和1 0 1 2 m m 的y p 4 2 0 级钢板。因为加入了1 1 的n i ，这些钢板的低温韧 性也不错。 桥梁用耐候钢：现在的桥梁需要大量焊接。日本k a w a s a k i 钢铁公司利用组织控制技术 研制了超低碳贝氏体耐候钢s m a 5 7 0w t m c ，钢中加入了n i 、c u 、c r 、m o 和p 合金元 素，含碳量约0 0 2 。通过调整m n 量，按强度分为三个等级：4 0 0 m p a 级、4 9 0 m p a 级和 5 7 0 m p a 级。钢板厚2 5 - 7 5i 1 1 t i 。在2 0 0k j c r n 的热输入条件下h a z 冲击功超过4 7 j 。用 这些耐候钢制造的桥梁不用涂漆，降低了制造和维护成本。 建筑结构用钢：采用j f ee w e l 技术。日本研制了包括s a 4 4 0 e 在内的系列高韧性建 筑结构钢，形成了从4 9 0 m p a 到5 9 0 m p a 的系列建筑结构钢。运用a c r 技术严格控制了 t i 、n 含量。生产出6 0 m m 和l o o m m 厚的s a 4 4 0 e 板材，其抗拉强度为5 9 0 7 4 0 m p a ，屈 服强度约4 6 0 m p a 。在6 3 0 k j c m 埋弧焊和1 0 0 0 k j c m 电渣焊条件下，h a z 无明显粗化，焊 缝金属组织为细小的针状铁素体，奥氏体晶界处未发现粗大先共析铁素体。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 1 5n b 对大线能量焊接用钢h a z 组织和性能的影响 低合金高强钢h a z 的韧性主要取决于晶粒度、组织、特别是大线能量焊接下m a 组 元及杂质元素。而n b 作为强有力的析出元素和固溶元素能提高钢的淬透性，显著影响热 影响区的组织和m a 组元的形态特征，从而对韧性有重要的影响。 荆洪阳等人的研究【3 3 】指出n b 量对c g h a z 中m a 组元的形态和的韧性有很大影响， 降低钢材的n b 含量能够减少细长m a 组元的含有率，从而控制c g h a z 的韧性。因此进 行实际钢材化学成分设计时，在满足强度要求的条件下，应尽量降低套m 的含量，从而控 制焊接热影响区粗晶区的韧性。文献【3 4 的研究则指出，n b 对热影响区的影响与钢的化学 成分和热输入有关，当热输入小时( 1 5 3 0 c m ) ，套m 含量对韧性影响不明显；当热输入 大时( 6 ) ，n b 的影响比较明显，韧性严重恶化，这是由于n b 可能促进粒状贝氏 体等脆性组织的形成有关。 最近，张英乔等【3 5 3 7 】采用热模拟实验研究了奎m 对不同焊接热输入时粗晶区组织、韧 性和转变动力学的影响，也得到了类似的结果。研究发现在6 0 - l o o 大热输入下，由 于冷却速度缓慢高温停留时间长，n b 的添加使粗晶区转变开始温度下降，抑制铁素体转变 促进粒状贝氏体的形成而导致韧性严重恶化。小热输入时，含n b 钢低碳自回火马氏体数 量较多，但韧度较好，与以细板条贝氏体组织为主的不含n b 钢相比韧性仅有小幅下降， 此时n b 对韧度无明显影响。 由上可知，钢中是否有必要添加n b 与钢板的使用状态有关。如果使用过程中经受大 热输入焊接，则应根据n b 对强度的有利影响和对热影响区韧性的不利影响综合考虑。 1 6 本文的研究目的、意义和主要内容 焊接是低合金高强度钢能否实现其应用价值的最重要的加工手段。而大线能量焊接技 术和工艺具有减少制造成本、节约资源和能源、提高制造效率、提高结构和制品的可靠性 等一系列优点。因此，大线能量焊接用钢及其技术对于提高制造能力和产品竞争力具有重 要的意义。我国正处于高速、持续、稳定的发展时期，储备原油球罐、油气管线、大型桥 梁、船舶军舰等大型结构、设备、设施等的建设需要大量的大线能量用钢，以满足国民经 济和国防建设快速发展的需要。因此，研究和开发低成本、高性能的大线能量焊接低合金 高强度钢对于我国的国民经济、社会发展和国防建设具有重要的意义。 但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。 特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能( 强度、韧性) 恶化， 易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。因此大线能量焊接用钢的开发必 须进行合理的成分设计、冶炼设计、组织设计与控制、生产工艺控制等，但这是一条任重 而道远的道路，需要研究人员和社会各界完成大量的工作，克服重重困难，结合大线能量 焊接用钢在实践中的应用情况，不断改进，最终开发出具有低成本、高性能的大线能量焊 接低合金高强度钢。本课题主要针对实验室试制和工业试制的含) 低合金高强钢，进行 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 实际焊接与焊接热模拟的初步研究，考察n b 及焊接热循环对大线能量焊接热影响区的组 织与性能的影响，同时采用热压连结的方法对焊接热影响区和焊缝中不同氧化物诱导针状 铁素体的形成也进行了探讨。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 在实验室试制了两种不同铌含量钢，通过实际焊接和热模拟实验，对焊接热影 响区的组织、硬度进行分析，讨论n b 含量及焊接热循环对焊接热影响区组织和硬度的影 响，最后对焊接接头进行力学性能测试。 ( 2 ) 对工业试制的含n b 低合金高强钢进行大热输入的焊接热模拟，对热模拟试样进 行组织观察与力学性能测试。然后采用不同的焊接方法及焊接线能量进行实际焊接实验， 考察焊接热影响区的组织并进行力学性能测试。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章实验室试制不同铌含量钢热影响区组织与性能研究 2 1 实验材料 试验钢板采用实验室试制的不同铌含量钢，材料的化学成分如表2 1 所示。试验用钢 经真空冶炼浇成铸锭后，再加热到1 2 0 0 ( 2 保温2 l l ，然后在9 0 0 c 进行锻造成厚度约为2 0 m m 的钢板，抗拉强度为5 0 0 m p a 左右。 表2 1 试验钢的化学成分( 砒) 试样编号 cs im nt ia in b l 撑0 0 9 50 1 71 3 l0 0 1 40 0 5 40 0 1 4 2 撑o 0 7 50 1 81 5 70 0 1 60 0 2 6o 1 7 表2 2 焊接工艺参数 试样编号焊接材料电流电压焊接速度线能量保护气体 avc m m i nk j c ml m i n l 群 d w s 4 3 g3 8 03 59 2 l 8 6 6 c 0 22 5 2 撑 d w s 4 3 g3 6 0 3 6 1 0 2 8 7 5 6 c 0 22 5 表2 3 由1 6 r a m 药芯焊丝d w s - 4 3 g 的化学成分和力学性能 牌号 cs im npsm on i髓 d w s 一4 3 go 0 80 3 51 6 30 0 1 40 0 10 1 7 0 0 2 o 0 2 l k l r m a a k v m 口a呼a - 2 0 ，j 力学性能 4 7 0 6 0 0 2 7 6 2 2 2 实验方法 2 2 1 实际气电立焊实验 在轧态钢板上纵向取样加工成如图2 1 所示的尺寸，4 0 0 m i n x l 5 0 m m x 2 0 m m ，4 0 0 单v 形坡口，采用气电立焊( e g w ) 平板对接，单面焊双面成形，焊接线能量约8 0 k j e r a 。具 体焊接工艺参数如表2 2 所示，焊接材料采用巾1 6 m m 的药芯焊丝d w s - 4 3 g ，其化学成分 和力学性能如表2 3 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 jl j l 轧向 4 i】0 】 r + 1c n ， 4 0 0 卜1 5 0 m m - - 4 图2 1 试样加工尺寸 2 2 2 焊接热模拟实验 焊接热模拟试验在g l e e b l e 15 0 0 试验机上进行，热模拟试样的尺寸为ll m mxll m n u n 5 5 n u n ，加热速率5 0 0 s ，加热峰值温度为1 3 2 0 ，峰值温度停留时间2 s ，初始温度为 2 0 。焊接热循环曲线采用r y k a l i n2 d 数学模型计算，如式2 1 2 3 所示。式中e 是线能 量，单位j c m ；万为板厚，单位t i n ；a 为热导率，单位j ( c m s ) ；p 为密度，单位g c m 3 ； c 为比热容，单位j ( g ) ；t 是时间，单位s ；，为某点离电弧中心的距离，单位c r l l ，可 由2 2 式计算，其中t 一为热循环的峰值温度。 m ，= 詈击叫一砑r 2 e 乙却压 ( 2 1 ) ( 2 2 ) = 氅 ( 击) 2 _ ( 击) 2 亿3 ) 对于试验用钢，模拟厚度2 0 m m 钢板所经历的焊接热过程，根据文献州计算时采用 2 = 0 2 9 j c m ，c p = 6 7 j c m 3 ，得到不同t s 5 时间对应的线能量如表2 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 表2 4 焊接热模拟工艺参数 e 2 03 05 0 8 01 1 01 5 0 e l e r a t 8 5 ，sl l2 56 91 7 63 3 46 2 l c o o l i n gr a t ef r o m 2 7 31 24 - 3 51 70 9 0o 4 8 8 0 0 t o5 0 0 ，s ( 1 ) 模拟不同焊接热输入条件下热影响区粗晶区的组织和性能 加热峰值温度t p 固定为1 3 2 0 ( 2 ，改变冷却速度使t 8 5 为l l s 、2 5 s 、6 9 s 、1 7 6 s 、3 3 4 s 、 6 2 1 s ，分别对应板厚为2 0 m m 时热输入为2 0 k j c m ，3 0 k j a n ，5 0 k j c m ，8 0 k j c m ，l1 0 k j g i n ， 1 5 0 k j c m 的气电立焊，以模拟在不同焊接热输入条件下热影响区粗晶区的组织和性能。 ( 2 ) 模拟焊接热影响区不同部位的组织和性能 8 0 0 至5 0 0 。c 之间的冷却速度t 8 5 固定为1 7 6 s ，对应热输入为8 0 k j o n ，改变峰值温度 从1 3 2 0 ( 2 、1 2 0 0 、1 1 2 0 1 2 、1 0 0 0 、8 0 0 c 。模拟在同一焊接热输入条件下焊接热影响区 不同部位的组织和性能。 2 2 3 组织观察与分析 将实际焊接和热模拟后的试样制成金相试样，用3 的硝酸腐蚀后采用o l y m p u s 光 学显微镜、o x f o r d 公司产n o v a4 0 0n a n o 型场发射枪扫描电子显微镜进行组织观察。 2 2 4 维氏硬度测试 采用b u e h l e rm i c r o m e t5 1 0 1 型维氏硬度机，对实际焊接和模拟焊接热影响区组 织进行硬度测试， 对于实际焊接接头，在较窄的热影响区内材料经受了不同的焊接热过程，形成了一个 性能不均匀的区域。维氏硬度试验由于测试压痕较小，可以较好的反映局部区域性能的连 续变化。在硬度试验时，小的载荷使压痕尺寸较小，两相邻测试点的距离可以缩小，这样 在相对较窄的区域内就可以获得更多点的硬度值。在超细组织钢实际焊接热影响区硬度试 验中，载荷选择5 0 0 9 ，两相邻硬度测试点距离为0 2 m m ，从焊缝一直打到母材。 而热模拟试样由于得到相对较宽的模拟焊接热影响区，硬度试验时载荷增大至1 0 0 0 9 ， 每个试样测试三点，取三点的平均值作为该模拟规范条件下焊接热影响区的硬度。 2 2 5 焊接接头拉伸与冲击测试 对焊接接头进行横向拉伸和粗晶区进行低温夏比冲击试验考察接头的力学性能等。 拉伸实验在图2 1 所示焊好的钢板上横向取样，试样尺寸加工如图2 2 所示，依据标 准g b t 2 6 5 1 2 0 0 8 进行。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 t s 试样厚度：b 平行部分宽度2 5 m m ；b l 夹持部分宽度3 5 m m ； r 过渡弧半径2 5 r a m ；l e 平行段长度1 4 0 m m ；l t 试样总长度； 图2 2 拉伸试样加工示意图 v 型夏比冲击试样在图2 1 所示焊好的钢板上横向取样，缺口面垂直与焊缝表面，试 样先加工成尺寸为1 5 m m x l 5 m m x l 2 0 m m 的试样，表面光洁度为o 8 ，然后用1 0 的硝酸腐 蚀，画线位置为热影响区离熔合线0 5 m m 处，最后沿画线位置开一个v 型缺口，整个试 样以缺口为中心加工成1 0 m m x l o m m x 5 5 m m 的标准试样( 图2 3 所示) 。在标称能量5 0 0 k j 的试验机上依据标准g b t 2 2 9 2 0 0 7 进行2 0 、4 0 冲击试验，每个温度取3 个试样。冲 击试验完成后，利用s e m 观察断口形貌。 o 。 一 2n l m 、 乏vl2 一_ ； r l ：以试样上的熔合线为参考线；a ：缺口中心距熔合线的距离0 5 m m ； b ：试样表面距焊缝的距离为2 - 3 m m 图2 3 冲击试样加工示意图 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 2 3 实验结果与分析 2 3 1 焊接热影响区的显微组织特征 2 3 1 1 实际焊接热影响区的组织 两种钢经8 0 k j c m 左右气电立焊后的焊接接头宏观形貌如图2 4 所示。整个接头由焊 缝和热影响区组成，热影响区进步可分为粗晶区、细晶区和不完全淬火区。分别测量了 两种钢热影响区的各区域尺寸，其结果如表2 5 所示。从表中可以看出，两种钢各个区域 的宽度存在一定的差别，随着铌含量的增加，粗晶区宽度增加约1 5 t m n ，细晶区变窄约 o8 m m 左右，总的热影响区宽度增加o5 m m 左右。 圈2 4 实际焊接接头宏观形貌( 4 ) l ( b ) 2 # 表2 5 热影响区及其次级区域的宽度( r a m ) 试样热影响区 粗晶区细晶区不完全淬火区 l # ( 00 1 4 n b )6 乒75 1 1538 - 418 - 2 型! ! ：! ! 塑型 ! ：! 型! ! ：! 二! ：! ：! ：! ：! 实际焊接后母材和接头各区典型组织如图2 5 和图2 6 所示，( a ) 焊缝，( b ) 粗晶区， ( c ) 细品区，( d ) 不完全淬火区，( e ) 母材。 两种钢的焊缝组织均为大量的细小的针状铁索体，同时还有少量先共析条铁素体，在 低铌的钢中，粗晶区为针状铁素体和块状先基析铁素体，块状铁索体大多分布在原奥氏体 晶界上，具有非常明显的晶界特征，原奥氏体晶粒粗丈，约为1 5 0 - 2 0 0 p m 。在高锟含量的 钢巾，耜晶区为睾日大的粒状贝氏体。低铌钢的细晶区和不完全淬火区为铁素体与珠光体组 织，如图2s c 和25 d ；而高铌钢的细晶区和不完全淬火区则为贝氏体加铁索体组织如图 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 26 c 和26 d ；同一种钢中细晶区和不完全淬火区的组织都非常相似，只是晶粒大小不同而 己。低铌钢母材的组织为铁素体和珠光体，沿轧制方向呈明显的带状组织，而高铌钢母材 则为贝氏体和铁素体组织。 黧 图2 5l # 焊缝、母材及热影响区的光学组织 ( a ) 焊缝；( b ) 租晶区：( c ) 细晶区；( d ) 不完全淬火区；( 0 母材 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 圈2 6 2 # 焊缝、母材及热影响区的光学组织 ( a ) 焊缝i ( b ) 租晶区：( 0 细晶区： d ) 不完全淬火区：( e ) 母材 2 3 1 2 模拟焊接热影响区不同区域的组织 采用不同峰值温度模拟焊接热影响区不同区域的组织如图2 7 和图28 所示。根据相 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 关文献【l 】，热影响区各个区域的温度范围大致如下：粗晶区温度约在1 1 0 0 , - , 一1 3 5 0 。c 之间， 晶粒粗大，韧度降低幅度大；细晶区温度范围约在a 3 1 0 0 0 。( 2 之间，金属发生重结晶，冷 却之后得到均匀而细小的铁素体和珠光体；不完全淬火区温度处于a c l 一a c 3 之间，此区 只有一部分组织发生了相变重结晶的过程，未转变为奥氏体的铁素体长大成为粗大的铁素 体组织，此区组织不均匀，晶粒大小不一。根据j m a t p r o 计算结果，本试验用低铌钢a 3 为8 3 4 ，a 1 为6 9 3 ，高铌钢a 3 为8 4 1 ，a 1 为6 8 3 。而实际焊接时加热速度很快， 各种金属的相变温度比起等温转变将发生很大的变化，加热速度越快，被焊金属的相变点 a c l 和a t 3 的温度越高，而且a c l 和a c 3 之间的温度差越大，因此，两种钢在焊接条件下 的奥氏体化温度要比平衡状态下的奥氏体化温度显著升高。因此分别选取了不同的峰值温 度1 3 2 0 ，1 2 0 0 0 c ，1 1 2 0 ，1 0 0 0 0 c 和8 0 0 0 c 模拟粗晶区、细晶区和不完全淬火区的实际 焊接处理后状态。 对于低铌钢，从图2 7 中可以看n - 当焊接热循环峰值温度为1 3 2 0 。c 时，冷却后得到 的组织类型与图2 5 b 组织基本相同，为分布于晶界的块状先共析铁素体和晶内针状铁素体 ( 图2 7 a ) ，晶界明显，此温度模拟组织对应实际焊接粗晶区。当峰值温度降低至1 2 0 0 。c 时，仍处于粗晶区温度1 1 0 0 - - 一1 3 5 0 ( 2 之间，因此组织仍与实际焊接粗晶区组织相似。当温 度为1 1 2 0 时和1 0 0 0 时，基本完全转变为铁素体组织，同时还有少量珠光体，即发生了 完全再结晶，与图2 5 c 细晶区组织基本一致。当峰值温度降为8 0 0 * ( 2 ，得到铁素体加珠光 体组织，与实际焊接不完全淬火区组织( 图2 5 d ) 一致，但晶粒明显粗大，此温度对应的 是不完全淬火区。 同样的，对于高铌钢，热模拟的组织与实际焊接的组织一一对应。峰值温度为1 3 2 0 ( 2 和1 2 0 0 0 c 对应粗晶区，组织为粗大的粒状贝氏体，峰值温度为1 1 2 0 0 c 和1 0 0 0 。c 时，组织 为贝氏体加铁素体，对应细晶区。峰值温度为8 0 0 则对应不完全淬火区。 对比实际焊接组织图2 5 和图2 6 可知，热模拟组织与实际焊接组织类型基本一致， 但模拟组织明显比实际焊接热影响区各区域组织粗大。而且随着峰值温度的降低，高温停 留时间相应变短，原奥氏体晶粒逐步减小，直至与母材组织交接。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 黧阌 瓣 图2 7l 朔摸拟焊接热影响区组织 a _ t m a x - 1 3 2 0 ：b - - - t m a x = 1 2 0 0 ：c - - t m a x = 1 1 2 0 dt m a x = 1 0 0 0 ：e 。r m a x = 8 0 0 第2 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 i 图2 82 桶模拟焊接热影响区组织 a t 。= 1 3 2 0 c ：b t 。= 1 2 0 0 c ；卜t 。= 1 1 2 0 c d t m , - - 1 0 0 0 1 2 ：卜_ t 。- 8 帅。 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 2 3 1 3 不同热输入模拟焊接粗晶热影响区的组织 不同热输入条件下模拟焊接热影响区的金相组织如图2 9 和图2 1 l 所示。图2 9 和图 2 1 l 中a - f 分别对应热输入为2 0 蕾己玑孤、3 0 l ；己，妇l 、5 0 i 洲b m 、8 0 l w 锄、1 1 0 圣己耽m 、1 5 0 量 b m 时两种钢粗晶区的组织。对于低铌钢，从图2 9a 和图2 1 1b 中可以看到：当t 粥为1 l ，2 5 秒时，焊接粗晶热影响区组织为粒状贝氏体和针状铁素体，晶界明显且随着t 躺时间延长， 即焊接热输入的增大，高温停留时间增长，原奥氏体尺寸不断长大。当t 啪为6 9 秒后，粗 晶区组织中出现了大量的先共析铁素体，先共析铁素体呈块状分布在晶界，而晶内则为针 状铁素体，随着热