Q345FRE高铌耐火钢模拟焊接热影响区高温拉伸性能

2021-08-27崔强刘攀孟令明王红鸿

焊接 2021年6期

崔强，刘攀，孟令明，王红鸿

(1.南京钢铁有限公司，南京 210035；2.武汉科技大学,高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，武汉 430081)

0 前言

耐火钢以其在高温(600 ℃)时仍保持2/3室温强度的特点[1-2]，可保证在发生火灾时，有充分的时间进行生命及财产的转移和救助，在低Mo成分设计时，具有比涂层更优异的经济性，再加上可进行大热输入焊接的高效性，成为当今及今后高层建筑用的重要材料[3-6]。

高层建筑在采用耐火钢进行箱、梁、柱等框架结构的焊接时，焊接热影响区(Heat affected zone, HAZ)经受峰值温度从室温到近熔点的焊接热循环，某些区域的温度远远高于相变临界温度，不仅发生奥氏体相变，且晶粒显著长大；在随后的连续冷却过程中，生成过热组织、或发生贝氏体不完全相变、或马氏体相变，往往是焊接结构中性能(尤其是低温冲击韧性)恶化的区域[7-8]。文献[9]采用热模拟方法研究了耐火钢粗晶区(Coarse-grained heat affected zone, CGHAZ)的连续冷却相变行为，得到了不同冷却速度下的粗晶区的组织。现有报道的研究工作，更多关注在热影响区的低温冲击韧性[10]。然而，该课题组[11]在进行耐火钢15～75 kJ/cm埋弧焊实际焊接接头组织与性能研究时发现，高温拉伸通常断裂在焊接热影响区部位，可知，高温拉伸的薄弱环节也出现在焊接热影响区。因此，应对耐火钢焊接热影响区的高温拉伸进行系列的研究。

采用热模拟方法，对Q345FRE耐火钢进行单道次、双道次不同焊接热循环峰值温度及不同焊接热输入(t8/5时间)、经历一次过火和二次过火情况下，焊接热影响区的高温拉伸性能进行了研究，以期对实际焊接接头的性能分析提供理论和试验数据。

1 试验材料与方法

试验钢为南京钢铁有限公司研发的复合高强耐火钢Q345FRE，通过低碳低锰低钼高铌的化学成分设计见表1，在TMCP供货状态下，达到了优异的室温和高温力学性能，见表2。

表1 Q345FRE复合高强耐火钢的化学成分(质量分数，%)

表2 Q345FRE复合高强耐火钢的力学性能

采用Gleeble-3500热模拟试验机，模拟热影响区然后进行高温拉伸，单道次、双道次及不同热输入下的热模拟工艺及高温拉伸工艺见表3，二次高温拉伸的焊接热影响区模拟工艺、热处理模拟工艺及高温拉伸工艺见表4。模拟不同峰值温度的焊接热影响区、多道次焊接热影响区、不同t8/5时间的热影响区，研究不同状态下热影响区的高温拉伸性能、二次高温拉伸及其变化规律。

表3 单道次、双道次及不同热输入下的热模拟工艺及高温拉伸工艺

表4 二次高温拉伸的焊接热影响区模拟工艺、热处理模拟工艺及高温拉伸工艺

热模拟试样为φ10 mm×120 mm，如图1所示，取自于垂直钢板轧制方向，中间受到热模拟宽度约为10～15 mm，为确保拉伸大部分发生在热模拟区，将中间15 mm平滑减径到6 mm。

图1 热模拟试样的尺寸

2 试验结果

2.1 单道次不同峰值温度下模拟HAZ的600 ℃高温拉伸试验结果

图2为单道次模拟不同峰值温度下的热循环曲线，峰值温度为1 320 ℃，1 150 ℃，870 ℃，650 ℃，分别模拟粗晶区(CGHAZ)、完全重结晶区(Fine-grained heat affected zone, FGHAZ,Ac3

图2 单道次不同峰值温度下模拟热影响区的600 ℃高温拉伸

表5 母材及单道次不同峰值温度下的600 ℃高温拉伸试验结果

2.2 双道次不同峰值温度下模拟HAZ的600 ℃高温拉伸试验结果

模拟双道次热循环曲线的工艺是：第一次热循环峰值温度为1 320 ℃，第二次分别为1 320 ℃，1 150 ℃，870 ℃和650 ℃，模拟CG-CGHAZ，CG-FGHAZ，CG-ICHAZ和CG-SCHAZ。图3a为双道次模拟不同峰值温度的热循环曲线，图3b为600 ℃高温拉伸的应力-应变曲线，试验结果列于表6中。CG-CGHAZ仍具有最高比母材的屈服强度和抗拉强度。CG-FGHAZ的屈服强度低于母材、抗拉强度高于母材。CG-ICHAZ仍是比母材低的、且HAZ最低的屈服强度和抗拉强度的区域。CG-SCHAZ的屈服强度低于母材、抗拉强度却高于母材。

表6 双道次不同峰值温度下的600 ℃高温拉伸试验结果

图3 双道次不同峰值温度下模拟热影响区的600 ℃高温拉伸

与单道次模拟热循环峰值温度相比，CG-CGHAZ，CG-FGHAZ，CG-ICHAZ和CG-SCHAZ的抗拉强度均提高，而屈服强度只有CG-CGHAZ提高，其它区域均降低或维持。CG-ICHAZ是模拟HAZ中强度最低的区域。

2.3 模拟ICHAZ在不同t8/5时间下的高温拉伸试验结果

模拟ICHAZ的不同t8/5时间，其热循环曲线如图4a所示，其高温拉伸的应力-应变曲线如图4b所示，结果列于表7中，结果表明：屈服强度随着t8/5增加而提高，到t8/5为80 s时达到最大，之后t8/5为120 s时降低。抗拉强度随着t8/5增加而提高，到t8/5为50 s时达到最大值，之后逐渐降低。

表7 模拟ICHAZ的不同t8/5时间下的600 ℃高温拉伸试验结果

图4 模拟ICHAZ在不同t8/5时间下的高温拉伸

2.4 模拟ICHAZ在不同t8/5时间下的二次拉伸试验结果

模拟ICHAZ在不同t8/5时间下的二次高温拉伸，应力-应变曲线如图5所示，结果列于表8中，可以得知：随着t8/5的增加，屈服强度的变化无规律；抗拉强度略有下降，t8/5为80 s时小幅度提高，之后继续降低。与一次高温拉伸相比，经过模拟二次过火，模拟热影响区的屈服强度在t8/5小于30 s时降低，大于50 s时提高；抗拉强度整体降低，幅度在10 MPa左右，只在t8/5为50 s时小幅提高。

图5 模拟ICHAZ在不同t8/5时间下的二次拉伸

表8 模拟二次600 ℃高温拉伸的试验结果

3 分析与讨论

Gleeble热模拟方法是研究焊接热影响区组织与性能的常用方法，尤其对于研究变化规律有较好的可靠性。但是模拟毕竟与实际情况有差别，不能以模拟的结果对应实际焊接热影响区的组织与性能。文中采用热模拟方法进行高温拉伸试验，需要说明：由于试样为非标尺寸，模拟试验值不能代表实际焊接影响区的强度值，只用于研究其变化规律。

3.1 焊接热循环峰值温度对高温拉伸强度的影响

焊接热循环峰值温度从650 ℃到1 320 ℃，模拟了不同的焊接热影响区，表5及表6数据表明：焊接热循环峰值温度870 ℃时，模拟不完全重结晶区，其600 ℃高温屈服和抗拉强度均为最低，是单道次热影响区强度最低的区域。不完全重结晶区处于部分组织发生逆转变奥氏体的区域，由于C，Mn等元素的扩散和在奥氏体中的富集，冷却至室温时形成两相(铁素体+贝氏体或马氏体)，部分铁素体相的存在使得在高温拉伸时，屈服强度决定于铁素体相的强度[12]。焊接热循环峰值温度1 320 ℃时，模拟粗晶区，其600 ℃高温抗拉强度最高。粗晶区是全部组织完成了逆转变奥氏体相变、且经历了晶粒充分长大的区域，随后冷却下来形成了粗大的贝氏体组织，有一些硬脆性，如M-A组元生成，因而，具有较高的强度[13-14]。焊接热循环峰值温度650 ℃时，模拟时效脆化区，其600 ℃高温屈服强度最高，可能是由于部分Nb，V，Ti的碳氮化物析出，起到了析出强化的作用[15]。焊接热循环峰值温度1 150 ℃时，模拟完全重结晶区，其600 ℃高温屈服和抗拉强度居中。

模拟双道次焊接热循环，峰值温度为1 320 ℃+870 ℃时，模拟粗晶临界热影响区，其600 ℃高温屈服和抗拉强度均为最低，且低于单道次不完全重结晶区的强度，是整个热影响区强度最低的区域。峰值温度为1 320 ℃+1 320 ℃时，模拟两次粗晶区，其600 ℃高温屈服和抗拉强度最高，且高于单道次粗晶区的强度，是整个热影响区强度最高的区域。其它两个区域的强度居于其中。

3.2 t8/5对高温拉伸强度及二次高温拉伸强度的影响

试验数据表明峰值温度为870 ℃时高温强度最低。因而，研究不同热输入对热影响区强度的影响时，设定峰值温度为870 ℃时的不完全重结晶区。表7及8数据表明：高温强度不随t8/5的增大而呈单调变化。随着t8/5从15 s增加到80 s时，高温抗拉强度逐渐提高；到120 s时又降低。结果表明：该耐火钢在经过t8/5为80 s的较大热输入焊接时，仍具有较高的高温抗拉强度。

模拟二次过火时，高温屈服强度没有表现出随t8/5增大而单调变化趋势。t8/5从15 s增加到80 s，高温抗拉强度数值相近，且数值没有明显低于一次高温拉伸的抗拉强度，即模拟焊接热影响区具有较好的抗二次火灾的强度性能。

Q345FRE耐火钢含有较高的Nb元素，Nb元素对连续冷却相变行为有较大的影响，会促进粗晶区的M-A组元生成[16]，从而降低冲击韧性，是冲击韧性不稳定的主要原因。对于Nb元素对不完全重结晶区的组织影响、从而引起对高温拉伸性能影响的无规律性，需要深入研究。