智能型耐火钢焊接热影响区高温拉伸性能研究

2015-11-23吴年春覃展鹏王红鸿吴开明

电焊机 2015年11期

关键词：热循环碳化物屈服

李　丽，吴年春，费　亮，覃展鹏，王红鸿，吴开明

（1.南京钢铁股份有限公司研究院，江苏南京210035；2.武汉科技大学理学院，湖北武汉430081）

智能型耐火钢焊接热影响区高温拉伸性能研究

李丽1，吴年春1，费亮2，覃展鹏2，王红鸿2，吴开明2

（1.南京钢铁股份有限公司研究院，江苏南京210035；2.武汉科技大学理学院，湖北武汉430081）

采用热模拟的方法模拟智能型抗震耐火钢Q420FRE的焊接热影响区，并进行600℃的高温拉伸实验。在经受高温拉伸的过程中，单道次的高温拉伸强度在粗晶区最高，逐渐向细晶区和不完全重结晶区降低，到未相变区又升高。双道次焊接热影响区也呈现相同的规律。随着焊接热输入的提高，焊接热影响区粗晶区的高温拉伸强度降低。在焊接热循环作用下，碳氮化物（Nb，Ti）（C，N）的溶解、长大和粗化引起了焊接热影响区不同区域高温拉伸强度的差异。

耐火钢；微合金化；焊接热影响区；高温拉伸

0　前言

随着高层建筑业的迅速发展，基于安全性、经济性、造型美观、空间利用等方面的要求，耐火钢以其高强、轻量、耐火、抗震、相对于防火涂层无污染等优势成为世界各国大型建筑结构的首选材料[1-3]。目前，电弧焊方法仍是耐火钢连接、建造大型建筑结构的主要连接工艺。建筑结构在使用过程中，不可避免地承受地震、火灾等灾害来临时的冲击、高温拉伸、扭曲等作用。耐火结构钢本身的优良性能为建筑结构件的安全使用提供了基本保证[4-6]，然而，焊接热影响区，因经受焊接热循环后，组织和性能发生了剧烈变化，尤其是高温性能成为整个大型建筑结构安全性和完整性的焦点之一。另外，在建造建筑结构的过程中，焊接热影响区的形成受到诸多因素的影响[7-8]，如焊接方法、焊接工艺、施工环境以及人工操作等，因此，有必要对焊接热影响区的高温性能进行深入研究，以进一步推动耐火钢的安全使用。

本研究采用热模拟的方法，模拟焊接热影响区（单道次和双道次）以及不同焊接热输入下的焊接热影响区的高温拉伸性能，以获得耐火钢焊接热影响区高温拉伸性能的基本规律，为耐火钢的推广使用积累基础实验数据。

1　试验

1.1试验材料

试验材料为南钢研制的智能型抗震耐火钢Q420FRE，其化学成分见表1。该钢的设计思路是采用微合金化原理+智能化设计，通过细晶强化和固溶强化，控制M-A组元及贝氏体铁素体双相组织，保证室温性能；在发生火灾时，激发第二相析出，提供和保证高温强度。

表1　母材的化学成分Tab.1Chemical composition of the parent metal％

1.2试验方法

在Gleeble3800热模拟机上进行焊接热影响区粗晶区模拟试验及高温拉伸试验。分别模拟一次焊接热循环（单道次）、二次焊接热循环作用下（双道次）的焊接热影响区，以及不同焊接热输入下的焊接热影响区。具体模拟工艺见表2。单道次模拟的焊接热影响区有粗晶区、细晶区、不完全结晶区及未相变区域，双道次模拟的焊接热影响区是：第一次热循环为熔合区，第二次热循环分别为粗晶区、细晶区、不完全结晶区和未相变区域。

对模拟的焊接热影响区进行600℃高温拉伸试验，试验工艺见表2，以60℃/min加热到600℃，保温15min，在形变达到0.1％以前，以10mm/min的速度拉伸，之后以1 mm/min拉伸直到断裂。

表2　模拟焊接热影响区及高温拉伸试验工艺Tab.2Simulating the welding heat-affected zone and high temperature tensile test process

在焊接热影响区不同区域取样，制备成透射电镜萃取碳复型样品，在JEM-2100F型透射电镜中对试样中的析出相进行形貌观察和电子衍射分析，用INCA能谱仪对析出相进行成分分析。

2　试验结果和讨论

2.1经受不同热循环作用下的焊接热影响区的高温强度

2.1.1单道次焊接热影响区的高温拉伸

模拟焊接热影响区的不同区域：峰值温度1300℃为粗晶区，1 150℃为细晶区，870℃为不完全重结晶区，650℃为未相变区，焊接热循环曲线如图1所示。不同区域的高温拉伸曲线如图2所示。可以看出，高温拉伸强度在粗晶区为544 MPa，向细晶区和不完全重结晶区逐渐降低，分别为446 MPa、337 MPa，到未相变区又升高到427MPa。只有在粗晶区存在明显的屈服平台，上屈服值为200 MPa，其他三个区没有屈服平台。

图1　单道次不同峰值温度的焊接热循环曲线Fig.1Welding thermal cycle curves with different peak temperature

图2　单道次焊接热影响区的600℃拉伸曲线（Tp为峰值温度）Fig.2Tensile curve at 600℃for heat affected zone by single thermal cycling（Tp:Peak temperature)

2.1.2两道次焊接热影响区的高温拉伸

经过两道次的焊接热影响区，其焊接热循环曲线如图3所示，分别是模拟粗晶区再经过1 350℃、1 150℃、870℃和650℃的峰值温度热循环作用。

图3　双道次焊接热循环曲线Fig.3Thermal cycle curve of double passes

粗晶区在经过一次1350℃热循环后，屈服平台仍很明显，但屈服强度值从200 MPa下降到138MPa，拉伸强度却从544MPa上升到634MPa。经过1150℃的热循环后，屈服平台消失，到870℃和650℃后，屈服平台出现，且屈服应变量逐渐增大，其上屈服强度分别为173MPa和192MPa。抗拉强度也从第二次峰值温度为1350℃的638MPa，逐渐下降到502MPa和404 MPa，到第二次峰值温度为650℃时，又上升到552 MPa。焊接热影响区600℃高温拉伸曲线如图4所示。

图4　两道次焊接热影响区600℃高温拉伸曲线Fig.4Tensile curve at 600℃for heat affected zone by double welding thermal cycling

2.1.3不同热输入下焊接热影响区的高温拉伸

通过对不同焊接热输入下模拟粗晶区的高温拉伸试验，结果表明：53 kJ/cm和100 kJ/cm热输入，粗晶区在高温拉伸时，有明显的屈服平台，上屈服值分别为200MPa和175MPa。在80kJ/cm热输入时，屈服平台不明显。抗拉强度随着热输入的增加，其值从544 MPa下降到519 MPa和493 MPa。不同焊接热输入的热循环曲线和焊接热影响区的高温拉伸曲线如图5、图6所示。

图5　不同焊接热输入的热循环曲线Fig.5Thermalcyclecurvesofdifferentweldingheatinputs

2.2经受不同热循环作用下的焊接热影响区的碳化物演变及对高温拉伸强度的作用

Q420FRE耐火钢的生产工艺路径为热轧＋快速冷却，抑制微合金纳米第二相在热轧板冷却过程中析出，即母材中碳化物极少，当遇到600℃～700℃火灾时，通过激发微合金纳米第二相MC来提高和保证高温强度[9]。但是在焊接热影响区，由于受到不同峰值温度的热循环或不同次数的热循环作用，碳化物发生了变化。通过TEM分析，如图7所示，在峰值温度为1 350℃时，碳氮化物数量少，主要为160～400 nm的不规则氧化物及硫化物复合相（见图7a）；随着峰值温度从1 150℃降低到650℃，析出物数量增加，形貌为矩形或不规则形，尺寸减小，平均直径从40～160nm降低到15～70 nm，有少量70～160 nm的析出相存在，析出物为面心的（Nb，Ti）C，和（Nb，Ti）（C，N）（见图7b、7c）。

根据该钢的设计理念，当发生火灾时，析出相极少的熔合线和粗晶区将有大量纳米级碳化物析出，起到高温强化作用，达到554 MPa的抗拉强度；而已有碳化物析出的细晶区和不完全相变区，将发生析出相粗化和数量减少，根据Ashby-Orowan机制[10]，在基体中弥散析出的第二相将产生析出强化，强化增量可表示为

图6　不同焊接热循环下焊接热影响区的高温拉伸曲线Fig.6High temperature of welding heat affected zone under different welding thermal cycle tensile curve

式中fv为第二相相体积分数；d为平均直径。

可以看出，随着碳化物体积分数的减少，以及平均直径的增加，强化增量呈减小趋势。因此，相对于熔合线和粗晶区，细晶区和不完全相变区的高温抗拉强度会有所降低。

同理，经过两次热循环作用的热影响区，在第一次峰值温度为1 350℃的条件下，极少有碳化物析出，只有在经过第二次热循环作用时，碳化物发生了变化，变化规律与以上讨论的经过一次热循环相同，因而呈现相同的高温拉伸强度。

采用较大热输入焊接时，由于随后的冷却速度增大，有部分碳化物析出，在之后的火灾过程中，已析出的碳化物发生粗化和数量减少，因而较大热输入下的熔合线和粗晶区的高温拉伸强度略有降低。

金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子，如间隙原子C、N以及碳氮化物等，围绕位错而形成的溶质原子聚集物称为“柯氏气团”[11]。柯氏气团会影响位错在外力作用下的移动，变形抗力增加，这是有些金属材料出现屈服现象的原因。从以上碳化物演变分析结果可知：焊接热影响区粗晶区的碳化物数量极少，在着火的条件下，MC碳化物析出尺寸小，相对于其他区域更易于围绕位错形成“柯氏气团”，表现出明显的屈服平台。

3　结论

（1）模拟焊接热影响区中，熔合线和粗晶区的高温拉伸强度最大，细晶区次之，不完全重结晶区最小，未相变区的拉伸强度升高。模拟粗晶区再次经过一次热循环的热影响区中，高温拉伸强度的变化与一次热循环热影响区的规律大致相同。随着焊接热输入的增加，焊接热影响区粗晶区的高温拉伸强度降低。

（2）熔合线和粗晶区几乎没有微合金碳化物析出，随着向细晶区、不完全重结晶构变化，碳化物析出数量增加，尺寸增大。在模拟着火情况下，熔合线和粗晶区发生碳化物析出，其他区域发生碳化物粗化和数量减少。碳化物的演变导致了焊接热影响区高温强度的变化。

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Study on high temperature tensile strength of heat-affected zone in welding of intelligent fire-resistant steel

LI Li1，WU Nianchun1，FEI Liang2，QIN Zhanpeng2，WANG Honghong2，WU Kaiming2
（1.Research Institute，Nanjing Iron&Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China；2.Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The welding heat affected zone(HAZ)of intelligent fire-resistant steel is simulated by Gleeble 3800 thermal simulator，and the high temperature tensile strength test is made at 600℃.During the high temperature tensile process，the highest tensile strength occurs in the coarse grained region by single thermal cycling，and then the tensile strength gradually decreases from fine grained region to recrystallized zone，but increases in untransformed zone.The welding HAZ shows same law of tensile strength at high temperature by double thermal cycling.As the welding heat input increases，the tensile strength at high temperature in coarse grained HAZ decreases. Because of the influence of welding thermal cycling，the dissolution，growth and coarsening of carbonitride（Nb，Ti）（C，N）cause the difference between tensile strengths in different regions of HAZ at high temperature.

fire-resistant steel；microalloying；welding heat affected zone；tensile strength at high temperature