回火处理对Q690钢焊接粗晶区组织和性能的影响

刘吉志，刘玉爱，李贞顺

1 前言

Q690钢是一种低碳贝氏体钢，采用控轧+回火处理工艺生产，具有较高的强度、塑性和冲击韧性，广泛用于工程机械和矿山机械。Q690钢焊接后会产生脆化现象，这影响了焊接件的使用［1-2］。回火处理能消除结构件焊后残余应力，同时也能改善热影响区的组织及性能［3］。通常焊接作业中的回火处理是以消除焊接残余应力为目的，并未兼顾组织性能的优化。本研究采用气体保护焊接方法对Q690钢进行焊接，对不同温度回火后的焊接粗晶区硬度、冲击韧性进行测试，探讨回火对粗晶区组织和性能的影响。

2 试验材料及方法

试验用Q690钢化学成分见表1。焊接设备为YD-500气体保护焊机，试样采用K形坡口，坡口角度为45°，采用多层多道焊接工艺，层间温度控制在100～150℃，焊接电流215 A，焊接电压24.6 V，焊接速度2.42 mm/s，热输入为21.9 kJ/cm。焊后用HS620型数字式超声波探伤仪探伤，在焊接接头处截取试样，在XCSL-17-18Y高温实验炉中分别加热至420、470、520、570、620、670 ℃保温90 min，之后随炉冷至300℃左右，再空冷至室温。在焊缝处截取冲击试样，经腐蚀确定熔合线位置，将缺口开在距熔合线0.5 mm以内的粗晶区。在JB30B型冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为-20℃，在HV-1000型显微硬度计上测定试验钢试样的维氏硬度，载荷为500 g，用QUANTA200型扫描电子显微镜（SEM）观察组织和断口形貌。

表1 试验用Q690钢的化学成分（质量分数）%

3 试验结果

图1为不同温度回火后Q690钢粗晶区组织形貌，焊后粗晶区组织为条状马氏体，相邻马氏体条大致平行，420、470℃回火后马氏体分解，在原奥氏体晶界及板条界处有碳化物析出（见图1a、图1b）。520、570℃加热时有更多碳化物沿原奥氏体晶界及板条界析出（见图1c、图1d）。加热温度620℃时晶界处碳化物呈球状，尺寸增加、数量减少，表明在此温度时碳化物发生了聚集长大（见图1e）。670℃加热后相邻马氏体板条合并，已难分辨板条界，碳化物呈片状分布（见图1f）。

图1 不同温度加热90 min的粗晶区组织形貌

图2为不同温度90 min回火处理后粗晶区力学性能变化，随回火温度提高，硬度大体上呈连续下降趋势，在570℃以下温度加热时硬度变化较小，在620℃以上温度加热时，硬度大幅降低。420、470℃回火后粗晶区冲击韧性提高，520、570℃加热后冲击韧性显著降低，620、670℃加热后冲击韧性再次升高。

图2 不同温度加热90 min回火处理后粗晶区的力学性能

图3 为试样经570℃90 min回火处理的冲击断口扫描电镜二次电子像（SEM像），可见断口存在两种典型形貌，一是呈现多面体外形的冰糖状形态，晶粒界面光滑；另一种为韧窝断口（图3箭头所指），界面不光滑，存在大量的小韧窝。

图3 570℃90 min回火处理后试样的冲击断口形貌

4 分析讨论

Q690钢碳含量较低，焊后粗晶区组织为条状马氏体，回火前固溶的碳偏聚于板条马氏体内位错处，有较高的强化作用［4］，回火过程中碳化物脱溶析出，碳的固溶强化作用减弱，但晶界处析出的碳化物沉淀能阻碍位错运动，起强化作用，因此在较低温度回火时，粗晶区硬度变化较小。在较高温度回火时碳化物聚集长大，强化作用降低，粗晶区硬度大幅降低。

回火促使马氏体分解，对提高韧性是有利的，但在520～570℃回火处理后韧性大幅降低，断裂方式为沿晶断裂，这说明该温度回火处理导致了晶界弱化，使晶界成为裂纹扩展的优先通道。520～570℃回火处理时晶体内间隙原子脱溶速率显著加快，杂质原子偏聚晶界。Hill研究指出，杂质原子偏聚晶界降低了铁素体/渗碳体界面能［6］，因此杂质原子偏聚与碳化物晶界沉淀互相促进，导致了粗晶区组织脆化、冲击韧性降低。其他温度回火时，晶界处碳化物的聚集量未能引起材料回火脆的发生，其深入的原因还有待进一步的量化分析。

5 结 论

焊后粗晶区组织为条状马氏体，570℃以下温度回火后马氏体分解，晶界处有碳化物析出，硬度变化较小；620℃以上温度回火后，碳化物粗化，硬度大幅下降。回火处理能提高粗晶区冲击韧性，但在520～570℃回火时粗晶区冲击韧性降低，冲击断口为沿晶断裂，这种回火脆与该温度区间热处理时晶界处的杂质原子偏聚与碳化物晶界沉淀有关。建议工程应用Q690钢时，焊接接头避免在520～570℃温度进行回火处理。

［1］ 李贞顺，李胜利，朱新德，等.热循环方式对Q690 TMCP钢粗晶区组织和性能的影响［J］.材料热处理学报，2014（2）：121-125.

［2］ 孟尧，罗鹏，胡聪，等.热循环峰值温度对Q690钢热影响区组织与韧性的影响［J］.热加工工艺，2013（17）：43-45.

［3］ 尹士科，高颖.焊后热处理对焊缝金属力学性能的影响［J］.机械制造文摘（焊接分册），2013（4）：1-5.

［4］ 徐祖耀.马氏体相变与马氏体［M］.北京：科学出版社，1980.

［5］ 陆湄江.高强度钢的回火脆性与断裂方式转换［J］.安徽工学院学报，1985（1）：13-25.

［6］ Hill RGC,Martin JW.A Fractographic Study of Some Temper-Brittle Steels［J］.Metal Treatment and Drop Forging，1962，29：301-306.