应变速率对Q460钢及其埋弧焊接头拉伸行为的影响

赵 卓,贺玉伟,王 磊,刘 杨

(东北大学材料科学与工程学院,沈阳 110819)

0 引 言

在建筑、桥梁、船舶等钢结构中采用Q460钢等低合金高强度钢(HSLA钢),可有效提高钢结构的服役安全性,并实现轻量化[1-2]。钢结构大多以焊接方式连接而成,因此要求其钢材具有良好的焊接性[3]。埋弧焊具有焊接生产效率高、焊缝质量好、焊接成本低和适应性强等特点,广泛应用于低合金高强度钢的连接[4-6]。焊接时接头区域会经历不同的热历史,发生相转变而形成不同的显微组织,从而影响到钢结构的力学性能[7-14]。

研究[15]表明,材料的应变速率制约着其变形行为。不同应变速率下材料的变形抗力不同,因此不能用静态流变应力公式进行动态流变应力计算[16]。在应变速率0.001 7～0.17 s-1下进行的拉伸试验结果显示,HSLA-300钢的强度对应变速率的变化不敏感,TRIP800钢表现出中等程度的依赖关系,而DP800钢的强度对应变速率变化最为敏感[17-18]。CADONI等[19]指出,S690钢在应变速率200～1 000 s-1下的屈服强度保持在相同水平,未发生明显变化。毛博文等[20]研究发现,随应变速率由0.001 s-1跃升至800～1 400 s-1,HC340LA钢的拉伸强度提高显著。低合金高强度钢的塑性变形与应变速率紧密相关[18,21-24],但对其在应变速率1～100 s-1下力学性能变化的相关研究却较少;此外,关于我国最常用的Q460钢焊接性能的研究工作也缺乏系统性。考虑到钢结构焊接接头在强风、地震、海啸等自然灾害条件下的服役安全[25-26],研究其在不同应变速率下的动态力学行为十分重要。为此,作者以Q460钢埋弧焊焊接接头为研究对象,研究了应变速率对母材及焊接接头拉伸变形行为的影响,以期为Q460钢结构安全服役提供数据支撑。

1 试样制备与试验方法

母材选用Q460热轧钢板,主要化学成分(质量分数/%)为0.17C,0.345Si,1.51Mn,0.10Nb,0.15V,0.12Ti,0.17Cr,0.50Ni,0.30Cu,0.007N,0.05Mo,0.001B,0.025P,0.025S,余Fe;显微组织见图1,主要由块状铁素体和珠光体组成,两相呈条带状交替分布,铁素体和珠光体的平均晶粒尺寸分别为30,20 μm。焊接材料为CHW-S9镀铜低合金高强度钢埋弧焊丝。

图1 Q460钢的显微组织Fig.1 Microstructure of Q460 steel

在Q460热轧钢板上截取尺寸为200 mm×100 mm×38 mm的待焊试样,开单边V型坡口,坡口面角度为30°,坡口间隙为7～10 mm。采用BH-PAW-150型第四代管道全位置自动焊机进行埋弧焊,采用对接接头形式,共焊6层,焊前将待焊试样在100 ℃下预热40 min,焊接时层温控制在130～170 ℃,焊接热输入为18～20 kJ·cm-1。

在焊接接头上垂直于焊缝横向取样,使用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀后,利用OLYMPUS SZ61型体视显微镜、OLYMPUS GX71型光学显微镜(OM)和JSM-6510A型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织,利用OLYMPUS STM6型显微镜测量焊缝及热影响区尺寸。采用401MVD型硬度计测定接头截面显微硬度,加载载荷为0.98 N,保载时间为15 s,从焊缝中心往母材方向取样,焊缝区域每隔0.15 mm取点,母材区域每隔1 mm取点。

采用线切割在母材和焊接接头距焊缝背面5 mm处垂直于焊缝(焊缝位于中心)切取如图2所示的拉伸试样,试样厚度为2 mm,经粗磨、抛光和清洗后,根据GB/T 228.1-2010,分别采用MTS810型材料试验系统(核定应变速率10-3～100s-1)和ZWICK HTM5020型高速试验机(核定应变速率101～102s-1)进行拉伸试验,采用位移控制,应变速率分别为0.001,0.01,0.1,1,10,100 s-1。采用JSM-6510A型扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

图2 拉伸试样尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 焊接接头组织及硬度分布

焊接接头热影响区(HAZ)的宽度约为2.7 mm。由图3可知,热影响区可细分为不完全重结晶区、相变重结晶区(即细晶区)和粗晶区。这是因为焊接时不同区域受到不同焊接热影响:距熔池越近,热影响区温度越高,其组织发生的相变重结晶越完全;但是在最靠近熔池的区域,由于受到较强的多道焊接热循环的叠加作用,该区域温度升高且在完全奥氏体化温度停留时间较长,因此晶粒长大形成了粗晶区。

图3 Q460钢焊接接头热影响区的显微组织Fig.3 Microstructures of heat-affected zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) incomplete recrystallization zone;(c) phase transformation recrystallization zone and (d) coarse-grained zone

由图4可知,焊接接头焊缝区(WZ)呈现柱状晶、块状晶粒和均匀分布的细小晶粒等组织形态。放大后可以看出,柱状晶内为高密度的针状铁素体;块状晶粒由晶内呈放射状分布的针状铁素体和晶粒边界的先共析铁素体组成;细小晶粒是粒度均匀的多边形铁素体,周围分布有少量珠光体和针状铁素体。

图4 Q460钢焊接接头焊缝区的显微组织Fig.4 Microstructures of weld zone in Q460 steel weld joint: (a) overall morphology; (b) enlarged view of columnar grains;(c) enlarged view of blocky grains and (d) enlarged view of fine grains

由图5可见:母材区的平均硬度为211 HV,硬度相对稳定;焊缝区硬度值波动较大,平均硬度最小,为197 HV;热影响区硬度在188～248 HV范围内波动,平均硬度最大,为227 HV。

图5 Q460钢焊接接头截面显微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution on cross-section ofQ460 steel weld joint

2.2 拉伸性能

由图6可知:室温下焊接接头的准静态(应变速率为0.001 s-1)屈服强度、抗拉强度与母材Q460钢均接近,但断后伸长率明显减小。这是因为焊缝区主要由柱状晶构成,相比于主要为等轴晶组织的母材,其在拉伸变形过程中协调变形能力较差,塑性降低。随应变速率增大,母材的屈服强度和抗拉强度呈增高趋势,其中应变速率在0.001～1 s-1范围内时强度增幅较小,应变速率在10～100 s-1时,强度大幅提升,这表明母材的拉伸行为与应变速率有关;焊接接头在应变速率0.01～0.1 s-1下的屈服强度和抗拉强度与准静态相当,在应变速率1～100 s-1下,强度相比于准静态明显增大,且增幅超过母材,表明焊接接头的强度在高应变速率下对应变速率更加敏感。随应变速率增大,母材的断后伸长率先大幅降低后单调增大,最小值出现在应变速率为0.01 s-1时;焊接接头的变化趋势与母材相似,但变化趋势较母材平缓,且最小值对应的应变速率为0.1 s-1。在6种应变速率下,焊接接头试样断裂位置均位于焊缝区。

图6 母材及焊接接头的室温拉伸性能与应变速率的关系Fig.6 Relationship between room temperature tensile properties and strain rate of base material and weld joint:(a) strength and (b) percentage elongation after fracture

由图7和图8可知:焊接接头动态拉伸和准静态拉伸断口均主要由纤维区和剪切唇区组成,呈现典型韧性断裂特征,应变速率对微观断裂机制无明显影响。动态拉伸试样的颈缩现象相比于准静态拉伸试样更加明显,表明其非均匀塑性变形加剧。准静态拉伸断口韧窝完整,放大后发现在韧窝底部有细小的第二相粒子,根据其尺寸并结合焊缝显微组织分析,确定其为细小的碳化物。在拉伸变形过程中,微孔在碳化物边界形核并不断扩大至与其他微孔联结,形成微裂纹,微裂纹扩展连接成主裂纹导致断裂[15]。

图7 不同应变速率下Q460钢焊接接头动态拉伸断口的微观形貌Fig.7 Micromorphology of Dynamic tensile fracture of Q460 steel weld joint under different strain rates:(a,d,g,j,m) at low magnification; (b,e,h,k,n) fiber zone and (c,f,i,l,o) shear lip zone

图8 Q460钢焊接接头准静态拉伸断口的微观形貌Fig.8 Microstructures of quasi-static tensile fracture of Q460 steel weld joint: (a) at low magnification;(b) fiber zone; (c) shear lip zone and (d) dimple and carbide

随着应变速率提高,动态拉伸试样的颈缩趋于严重,韧窝先变小变浅随后又变大变深。高应变速率(10,100 s-1)下的拉伸断口中出现较多直径和深度均较大的韧窝,大韧窝周围存在大量尺寸均匀的细小韧窝。剪切唇区的韧窝呈现抛物线型,且抛物线形状随着应变速率的提高变得更加明显。总体而言,应变速率的变化虽然改变了焊接接头中的韧窝形态,但未改变其微观断裂机制。

3 结 论

(1) 室温下Q460钢埋弧焊焊接接头的准静态(应变速率为0.001 s-1)屈服强度、抗拉强度与母材均接近,但断后伸长率明显减小。

(2) 母材强度随应变速率增大而增大,对应变速率敏感;焊接接头的屈服强度和抗拉强度在应变速率0.01～0.1 s-1下与准静态相当,在应变速率1～100 s-1明显增大,即强度对高应变速率敏感。母材、焊接接头的断后伸长率随应变速率增大均先降低后增大,最小值分别出现在应变速率为0.01,0.1 s-1时,焊接接头的变化幅度很小。

(3) 在不同应变速率下,焊接接头均断裂于焊缝区,准静态、动态拉伸断口均主要由纤维区和剪切唇区组成,接头均发生韧性断裂;动态拉伸断口的颈缩现象相比准静态更明显,且随着应变速率增加而趋于严重,韧窝先变小变浅随后又变大变深。应变速率的增加改变了接头拉伸断口中的韧窝形态,但未改变其微观断裂机制。