500mpaiv级螺纹钢焊接热影响区组织演变规律

500mpaiv级螺纹钢焊接热影响区组织演变规律

螺旋钢是一种常见的建筑材料，占所有钢铁消费市场的比例很大。提高螺纹钢的级别,可有效减少螺纹钢的使用量,同时减少螺纹钢的焊接、预制以及运输等工作量,有利于改善混凝土的流动性,提高工作效率,从而有效降低建设成本。随着微合金化技术的应用及各种钢材组织细化,强化技术的使用,螺纹钢的性能有明显的提高。但螺纹钢在焊接过程中出现组织恶化和韧性降低等问题。在焊接热循环作用下,焊缝附近的母材不可避免地经受特殊的热过程,即焊接热影响区(HAZ)会出现组织和性能的恶化,成为焊接接头中最薄弱的环节;热影响区粗晶区(CGHAZ)晶粒在冷却过程中发生相变过程,可能形成粗大的晶界铁素体、侧板条铁素体和上贝氏体以及重新析出沉淀的碳氮化物等,从而使粗晶热影响区(CGHAZ)成为热影响区性能最薄弱的区域。采用热模拟技术,利用小试样获得较大尺寸范围内热影响区某一特定温度区的均匀温度及组织性能,使焊接热影响区各窄小的特定温度区放大,提供对各特定温度区显微组织及性能研究的可能性。文中针对500MPaIV级螺纹钢,通过Gleeble3500热模拟单道次焊接热循环,研究不同热输入时,焊接热影响区粗晶区组织变化,室温冲击韧性和显微硬度的变化趋势。1焊接热模拟试验试验材料为马钢生产的直径为25mm的500MPaIV级螺纹钢,主要化学成份(质量分数)为:C0.23;Si0.7;Mn1.46;Cr0.01;Mo0.005;V0.11;Ni0.006;Cu0.009;P0.023;S0.021。母材原始组织金相照片如图1。母材原始组织为铁素体和珠光体,其中铁素体增强钢的塑性和韧性,而珠光体在保证钢良好强度的同时,也能保持钢的塑性和韧性。焊接热模拟试验在Gleeb1e3500型热模拟试验机上进行,试样尺寸为l1mm×l1mm×55mm。采用一次热循环进行模拟,峰值温度为1320℃,加热速率为100℃/s,峰值温度停留时间为0.5s。实验中根据Rykalin-3D热源模型,设置500~800℃之间8个不同冷却时间t8/5(t8/5分别为10,12,15,20,30,60,100,300s以模拟不同焊接热输入对HAZ组织和性能的影响。每组做4个试样,3个用于冲击实验,一个用于硬度实验和金相分析。在型号为JSM—6490LV扫描电子显微镜(SEM)观察热影响区组织形貌,在HV—1000维氏硬度计进行试样硬度值的测试(加载1kg,加载时间20s)。热模拟试样加工成l0mm×l0mm×55mm标准夏比V型缺口冲击试样,在JBC—300材料冲击试验机上进行试样室温冲击实验。2结果与分析2.1t8/5对羽毛状贝氏体及铁素体形态的影响图2为不同t8/5下热影响区粗晶区(CGHAZ)组织扫描照片。从图2可看出:不同的热输入都促使CGHAZ的晶粒发生不同程度的长大,同时焊接热输入也影响组织形态的变化。图2(a),(b),(c)对应t8/5为10,12,15s时的组织为羽毛状上贝氏体和铁素体,并未发生马氏体的转变。当t8/5为20s时(图2(d)),其组织为少量的粒状贝氏体、上贝氏体、珠光体、铁素体混合组织,且随着t8/5的增大,粒状贝氏体含量逐渐增加,羽毛状贝氏体含量减小。随着热输入的继续增大,如图2(e),(f),(g),珠光体含量增加,贝氏体形态主要是粒状,羽毛状上贝氏体含量明显下降。但t8/5增大到300s时,焊接热输入最大,形成的组织为铁素体和珠光体,组织粗大。2.2温室冲击功测试热影响区的室温冲击功随不同t8/5的变化趋势如表1。与母材室温冲击功110J相比,经过焊接热循环后,焊接热影响区的室温冲击功都发生明显的下降。当t8/5<20s时,试样的室温冲击功很低,仅为12,23J左右,不到母材室温冲击功的20%。随着t8/5的增大,试样的室温冲击功不断增大,当t8/5为30,60,100s时,分别达到母材冲击功的45%,54%,49%,能满足热轧带肋钢筋国家标准(GB1499—2007)中对带肋钢筋焊接性能的要求。但随着t8/5的进一步增大,焊接热输入不断增大,热影响区晶粒粗化,HAZ室温冲击功明显降低。当t8/5为300s时,模拟的HAZ室温冲击功为13.5J,为母材室温冲击功的12%左右,在该热输入下的HAZ室温冲击韧性很差。因此,VN微合金化螺纹钢在焊接时必须保证t8/5的区间为30~100s,从而保证HAZ的冲击韧性能够满足实际生产的要求。2.3脆性断口形貌选取3个典型的热输入即t8/5分别为12,30,60s热影响区的断口形貌扫描照片进行分析,分别如图3(b),(c),(d)。图3(a)母材断口形貌为典型的等轴韧窝,其冲击韧性功较高。图3(b)是t8/5为12s断口形貌,呈河流花样,属于准解理断口,这是典型的脆性断裂形貌,冲击韧性很差。图3(c)是t8/5为30s断口形貌,与母材的断口形貌相似,但是韧窝区数目及面积减少,解理断口区域增多,宏观断口的表面平齐,试样断裂之前塑性变形很小,相应的冲击功不高。图3(d)断口呈韧窝形貌,并伴有少量孤立的平板状的解理断口区域存在,与t8/5为30s断口形貌相比,韧窝区数目及面积增加,所以在该热输入下的冲击韧性比t8/5为12,60s的冲击韧性好。2.4热影响区最大硬化比率hvm/hvb的确定图4为不同热输入时,焊接热影响区显微硬度随t8/5的变化趋势。表2为热影响区最大硬度随t8/5的变化结果。从图4和表2可以看出:经过焊接热循环后热影响区发生硬化现象。当t8/5为10s时,最高硬度达到460HV,接近于母材硬度的2倍,从热影响区到母材的硬度发生急剧下降的现象。随着t8/5的增大,热影响区的最高硬度呈减小的趋势。但当t8/5大于20s后热影响区硬化现象减弱。随着t8/5的进一步增大,到60s后,相对于母材,热影响区硬度值增加不明显。为了进一步分析热影响区的硬化现象,设HVb为母材的维氏硬度值,HVm为热影响区的最大硬度值,则热影响区最大硬化比率HVm/HVb与t8/5之间的关系如表2。实验用螺纹钢的热影响区随着t8/5的增大,热影响区最大硬化比率降低,在t8/5为60s以后硬化比率基本不变,此时HAZ硬度值与母材的基本相同。3热输入的影响(1)当t8/5<20s时,热影响区粗晶区组织主要是羽毛状贝氏体和铁素体,随着t8/5的增大,粗晶区组织是颗粒状贝氏体,珠光体和铁素体组织,当t8/5>100s后,粗晶区组织是铁素体和珠光体。(2)不同热输入下的热影响区室温冲击功都发生明显的下降,随着t8/5的增大,热影响区室温冲击功呈不断增大的趋势。在t8/5为30~10