層間溫度、固溶強(qiáng)化對(duì)高強(qiáng)鋼熔敷金屬屈強(qiáng)比的影響

王愛華

（承德石油高等專科學(xué)校，河北 承德 067000）

0 前言

屈強(qiáng)比是衡量金屬材料均勻塑性變形能力的重要指標(biāo)。近年來，人們?cè)谧非蠼饘俨牧细邚?qiáng)度、高韌性的同時(shí)，也將屈強(qiáng)比作為一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。目前對(duì)于屈強(qiáng)比影響因素的研究主要集中在母材屈強(qiáng)比[2]，對(duì)于焊縫金屬屈強(qiáng)比的研究較少，且研究的范圍也僅局限在組織對(duì)屈強(qiáng)比的影響上[3]，而影響強(qiáng)度的重要因素之層間溫度、固溶強(qiáng)化卻未進(jìn)行探討。

本研究對(duì)不同層間溫度下690 MPa級(jí)HSLA鋼熔敷金屬進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。采用光譜法分析熔敷金屬化學(xué)成分，探討層間溫度、固溶強(qiáng)化對(duì)屈強(qiáng)比的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

焊接材料為Mn-Ni-Cr-Mo系實(shí)心焊絲，直徑1.2 mm。焊接試板的材料采用20鋼，鋼板規(guī)格為430 mm×205 mm×20 mm。坡口設(shè)計(jì)及拉伸試樣取樣位置如圖1所示。

圖1 坡口及拉伸取樣位置示意

1.2 試驗(yàn)方法

焊接方法采用熔化極氣體保護(hù)焊，焊接設(shè)備為YM-751A日本產(chǎn)全自動(dòng)焊機(jī)，保護(hù)氣體為φ（Ar）95%和 φ（CO2）5%混合氣體，氣體流量 20 L/min。焊接參數(shù)如表1所示。熔敷金屬化學(xué)成分分析采用光譜法，拉伸試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2562-1989進(jìn)行，溫度為室溫。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同層間溫度下的熔敷金屬屈強(qiáng)比

690 MPa級(jí)HSLA鋼熔敷金屬在不同層間溫度下施焊時(shí)的力學(xué)性能結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著層間溫度的降低，熔敷金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈逐漸增加趨勢，屈服強(qiáng)度從層間溫度200℃時(shí)的625 MPa增加到層間溫度80℃時(shí)的685 MPa，增加了60 MPa；而抗拉強(qiáng)度也從層間溫度200℃時(shí)的800 MPa增加到層間溫度80℃時(shí)的835 MPa，增加了35 MPa。計(jì)算不同層溫下的屈強(qiáng)比，計(jì)算結(jié)果見表2，層間溫度從200℃降低到80℃，屈強(qiáng)比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

屈強(qiáng)比是鋼鐵材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值。實(shí)際應(yīng)用中為方便起見，通常采用抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的比值來表征。由于各種因素對(duì)金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較大。因此，本研究將從層間溫度、固溶強(qiáng)化對(duì)屈強(qiáng)比的影響進(jìn)行討論。

表2 不同層間溫度下熔敷金屬力學(xué)性能

2.2 不同層間溫度下熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)

不同層間溫度下熔敷金屬金相組織如圖2所示，熔敷金屬的透射組織照片如圖3所示。結(jié)合圖2和圖3可知，不同層間溫度的熔敷金屬顯微組織均由板條貝氏體和粒狀貝氏體組成。板條貝氏體主要由板條狀的貝氏體鐵素體組成，而組織中粒狀貝氏體則是由塊狀貝氏體鐵素體及分布在塊狀貝氏體鐵素體上的馬氏體/奧氏體（M-A）組元組成。

2.3 固溶強(qiáng)化對(duì)屈強(qiáng)比的影響

屈服強(qiáng)度是材料中位錯(cuò)源開動(dòng)且可動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生滑移從而使材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的強(qiáng)度，是均勻塑性變形的開始；而抗拉強(qiáng)度是指材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值，是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，即代表均勻塑性變形的結(jié)束。因此，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的差值代表材料均勻塑性變形階段。固溶強(qiáng)化是指合金元素固溶于基體相中形成固溶體而使其強(qiáng)化的方式，是通過改變材料的化學(xué)成分來提高強(qiáng)度的方法，固溶強(qiáng)化的計(jì)算式為[4]

表3是690MPa級(jí)HSLA鋼熔敷金屬在不同的層間溫度下施焊時(shí)的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試結(jié)果。結(jié)果表明：在不同層間溫度施焊時(shí)熔敷金屬化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍極小，基本保持不變。金屬中的合金元素是通過固溶或以化合物析出的形式存在于基體中的，當(dāng)合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過基體中的固溶量時(shí)，合金元素將以析出的形式存在，由于析出相在拉伸過程中對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到了明顯的阻礙作用，將不同程度的影響材料的塑性變形能力，因此會(huì)影響熔敷金屬屈強(qiáng)比的大小。圖4是層溫80℃和200℃時(shí)熔敷金屬的透射組織照片，可以看出，在板條貝氏體鐵素體和塊狀貝氏體鐵素體上并沒有發(fā)現(xiàn)析出相，因此可以推斷熔敷金屬中合金元素主要以固溶的形式存在于基體中。由于不同層溫下熔敷金屬合金元素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，又是以固溶的形式存在，在拉伸均勻塑性變形階段（即抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的差值階段）對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用相當(dāng)，因此對(duì)屈強(qiáng)比的影響是相同的。

綜合以上分析，化學(xué)成分及固溶強(qiáng)化不受層間溫度影響，不是影響屈強(qiáng)比的主要因素，而其他因素例如組織狀態(tài)和晶粒尺寸等可能會(huì)對(duì)屈強(qiáng)比產(chǎn)生影響，需進(jìn)一步研究。

圖2 不同層間溫度下熔敷金屬的顯微組織

圖3 熔敷金屬透射組織

表3 不同層間溫度下熔敷金屬化學(xué)成分

3 結(jié)論

（1）層間溫度對(duì)屈強(qiáng)比產(chǎn)生一定影響，即層間溫度從200℃降低到80℃，屈強(qiáng)比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

（2）層間溫度降低，熔敷金屬的化學(xué)成分與固溶強(qiáng)化不受層間溫度影響，不是影響屈強(qiáng)比的主要因素。

圖4 層溫80℃、200℃時(shí)板條貝氏體和粒狀貝氏體TEM組織形貌

[1]于慶波，孫瑩，黃傳輝.屈強(qiáng)比對(duì)塑性影響的研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（1）：153-156.

[2]閆立超，余偉，唐荻，等.終冷溫度對(duì)高強(qiáng)度管線鋼屈強(qiáng)比的影響[J].南方金屬，2008（161）：8-10.

[3]YU Qingbo，SUNYing.Effectofcarbon content and microstructure on the yield-strength ratio of steel[J].Journal of Pl asticity Engineering，2009，16（6）：119-126.

[4]雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.