Q500qE橋梁鋼焊接接頭的低溫?cái)嗔秧g性

武鳳娟 程丙貴 曲錦波

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

鋼橋在橋梁建設(shè)中越來(lái)越重要，橋梁長(zhǎng)度不斷增加，主跨從武漢長(zhǎng)江大橋的128 m增長(zhǎng)到了滬通長(zhǎng)江大橋的1 092 m。鋼橋的鋼材用量不斷增長(zhǎng)，承受的載荷不斷提高，因此，對(duì)橋梁用鋼的性能必然提出了更高的要求。從橋梁用鋼來(lái)看，先后經(jīng)歷了A3q、16Mnq、15MnVN、14MnNb、Q420q和Q500q[1]，其中Q500qE鋼被譽(yù)為我國(guó)第6代大跨度鐵路橋梁鋼，引領(lǐng)著我國(guó)大跨度鐵路橋梁鋼的發(fā)展方向。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化、厚壁化、高強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)。鋼板厚度大、強(qiáng)度高，焊接缺陷如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等更易發(fā)生，韌性也明顯降低[2]。焊接結(jié)構(gòu)的失效大都是由母材或焊接接頭韌性不足造成的[3]。隨著焊接結(jié)構(gòu)向深水冰冷海域方向發(fā)展，對(duì)橋梁鋼焊接接頭的低溫?cái)嗔秧g性研究具有重要的工程意義。本文采用低碳多元微合金化成分設(shè)計(jì)，配合適當(dāng)控軋控冷(TMCP)工藝，試制了60 mm厚的Q500qE橋梁鋼板。使用自動(dòng)埋弧焊技術(shù)對(duì)鋼板進(jìn)行雙面多層多道次對(duì)接焊試驗(yàn)，并采用裂紋尖端張開(kāi)位移(crack tip open displacement,CTOD)[4-5]試驗(yàn)研究了焊接接頭各部位的低溫?cái)嗔秧g性，分析了焊接接頭的顯微組織，研究了其低溫?cái)嗔研袨椤?/p>

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼Q500qE經(jīng)過(guò)鐵水預(yù)脫S處理、180 t轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼包精煉(LF)、RH法真空脫氣等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，連鑄成320 mm厚板坯。采用低C、中等含量Mn、Nb+Ti微合金化和復(fù)合添加Cr、Ni、Mo的成分設(shè)計(jì)，并對(duì)鋼中的有害元素P、S進(jìn)行上限控制，以提高鋼的純凈度，改善鋼的韌性。連鑄坯的化學(xué)成分如表1所示。將板坯加熱到1 200 ℃，保溫2 h，然后在配備5 000 mm四輥可逆軋機(jī)和多功能加速冷卻系統(tǒng)(multi-purpose interrupted cooling,MULPIC)的工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行軋制。粗軋開(kāi)軋溫度為1 030 ℃，總壓下率為44%。精軋開(kāi)軋溫度為820 ℃，終軋溫度為825 ℃，總壓下率為66%,軋成規(guī)格為11 827 mm×2 575 mm×60 mm厚板。軋后鋼板進(jìn)入MULPIC系統(tǒng)經(jīng)層流冷卻水冷卻至360 ℃左右，冷卻速率約8.5 ℃/s，最后空冷至室溫。

表1 Q500qE橋梁鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

使用美國(guó)林肯埋弧自動(dòng)焊機(jī)(LINCOLN Power Wave DC 1000)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接對(duì)接試板規(guī)格為1 000 mm×200 mm×60 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，長(zhǎng)度方向?yàn)殇摪宓能堉品较?。使用引弧板和收弧板，焊接時(shí)免預(yù)熱。使用瑞典伊薩φ4.0 mm的OK Autrod 13.27藥芯焊絲和OK Flux 10.62焊劑。焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和焊縫金屬層間溫度，防止焊縫金屬過(guò)熱。自動(dòng)焊接對(duì)接極性為直流反極性(direct current reverse polarity,DCRP)，熱輸入量E為50 kJ/cm。

在Q500qE鋼焊接接頭處分別取母材、焊縫金屬和熱影響粗晶區(qū)的CTOD試樣。依據(jù)BS 7448標(biāo)準(zhǔn)制備帶有預(yù)制疲勞裂紋的標(biāo)準(zhǔn)3點(diǎn)彎曲試樣，試樣為貫穿厚度缺口試樣，試樣厚度B和寬度W均為78 mm，長(zhǎng)度L為560 mm，缺口開(kāi)啟位置如圖1所示。沿厚度方向線切割加工機(jī)械缺口，并利用MTS311-1000 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)在缺口根部預(yù)制長(zhǎng)約3 mm疲勞裂紋，以模擬實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中存在的初始尖銳裂紋。預(yù)制裂紋時(shí)，采用應(yīng)力比(R)為0.1的正弦波形，頻率(f)為6 Hz，最大加載力為140 kN。試樣分別經(jīng)(-10±2)℃、(-40±2)℃酒精-液氮溶液保溫不少于80 min后(試驗(yàn)溫度為20 ℃的試樣無(wú)需保溫，直接加載)，在帶有低溫箱的WYE-1000 kN自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫CTOD試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為20、-10、-40 ℃，加載速率為2 mm/min，一次加載至試樣失穩(wěn)或斷裂，并記錄加載載荷F和裂紋嘴處的張開(kāi)位移V。試樣卸載后經(jīng)液氮冷卻，然后快速壓斷。沿試樣厚度方向在等間隔的9個(gè)點(diǎn)測(cè)量初始裂紋長(zhǎng)度ai(i=1, 2, 3,…, 9)。按式(1)計(jì)算平均裂紋長(zhǎng)度a0，按式(2)計(jì)算各試樣的CTOD特征值(δ)。

圖1 焊接接頭CTOD試樣取樣示意圖

(1)

(2)

式中：泊松比μ=0.3；彈性模量E=2.06×105MPa；試樣跨距S=312 mm；Rp0.2為試驗(yàn)溫度下材料的屈服強(qiáng)度，MPa；Vp為F-V曲線上對(duì)應(yīng)的最大載荷時(shí)的夾式引伸計(jì)塑性張開(kāi)位移，mm；f(a0/W)為試樣的幾何形狀因子，根據(jù)a0/W數(shù)值在BS7448標(biāo)準(zhǔn)中直接查表獲得；Z為測(cè)定缺口張開(kāi)位移的引伸計(jì)裝卡裝置與試樣表面的距離，Z=0。

試樣經(jīng)砂紙研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用EVO18型掃描電鏡觀察斷口形貌和焊接接頭各區(qū)顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織

Q500qE鋼母材的顯微組織見(jiàn)圖2(a)，主要由細(xì)密針狀鐵素體(AF)和多邊形鐵素體(PF)組成，這種細(xì)晶鐵素體的大角度晶界能增加裂紋發(fā)生及擴(kuò)展的阻力，有利于鋼板低溫韌性的提高。

焊縫金屬主要由針狀鐵素體(AF)、晶界鐵素體(GBF)構(gòu)成，如圖2(b)所示。GBF是焊縫金屬發(fā)生固態(tài)相變時(shí)首先在奧氏體晶界析出的組織，由于裂紋易經(jīng)GBF網(wǎng)擴(kuò)展，因此GBF的抗裂紋擴(kuò)展性能較差。AF是一種熱力學(xué)非平衡組織，它的生成是通過(guò)形核和生長(zhǎng)反應(yīng)在奧氏體內(nèi)部進(jìn)行。AF的晶粒細(xì)小、位錯(cuò)密度較高，能顯著改善焊接接頭的韌性和延展性。由材料學(xué)理論可知，焊縫金屬中AF和GBF組織所占比例對(duì)焊縫金屬的韌性具有顯著影響[6]。

如圖2(c)所示，焊接熱影響區(qū)主要由粒狀貝氏體(GB)和少量PF構(gòu)成，GB原奧氏體粗大晶界清晰可見(jiàn)，內(nèi)部分布著大量長(zhǎng)條狀或顆粒狀馬氏體-奧氏體組元(M/A)。大尺寸M/A組元容易引起位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生微觀應(yīng)力場(chǎng)，為微裂紋的萌生提供條件，這對(duì)材料的韌性有極大損傷[7]。隨著熱輸入的升高，GB數(shù)量增多，原奧氏體晶粒尺寸增大。由于每一個(gè)粗大的GB具有相近的晶粒取向，原奧氏體晶界為GB的有效晶界，晶內(nèi)含有大量的亞晶界，這樣的組織會(huì)惡化熱影響區(qū)的沖擊韌性[8]。

圖2 Q500qE鋼焊接接頭不同部位的顯微組織

2.2 CTOD特征值及F-V曲線

母材、焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)的CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。δc是指穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量小于0.2 mm的脆性失穩(wěn)斷裂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值，又稱為脆性啟裂CTOD值[9]；δu是指穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量大于0.2 mm的脆性失穩(wěn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值[10]；δm是指最大載荷點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值。脆性穩(wěn)定失穩(wěn)(δu)，即載荷超過(guò)屈服后非線性上升，并在上升過(guò)程中試樣脆斷；韌性失穩(wěn)(δm)，即載荷超過(guò)屈服后非線性上升至最大值，后非線性下降，試樣仍能承載。試樣加載載荷F與裂紋嘴處的張開(kāi)位移V之間的F-V曲線如圖3所示，試樣的破壞形式如圖4所示。

表2 不同溫度下焊接接頭不同部位的斷裂韌性CTOD特征值

從表2和圖3可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的降低，CTOD特征值明顯降低，F(xiàn)-V曲線逐漸縮短，表明Q500qE橋梁鋼母材、焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)的韌性和塑性隨溫度降低而下降。在20 ℃時(shí)，試樣在載荷達(dá)到最大時(shí)仍未斷裂，表明裂紋擴(kuò)展緩慢，為延性擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展之前裂紋尖端發(fā)生很大變形，如圖4(a)所示；在-10 ℃時(shí)，F(xiàn)-V曲線縮短，試樣在未達(dá)到最大載荷時(shí)發(fā)生斷裂，在加載初期裂紋能部分延性擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展之前裂紋尖端出現(xiàn)少量變形，如圖4(b)所示；-40 ℃時(shí)CTOD特征值最低，F(xiàn)-V曲線最短，試樣在載荷未達(dá)到屈服之前的彈性階段即發(fā)生斷裂，斷裂瞬間發(fā)生，裂紋在擴(kuò)展之前裂紋尖端幾乎無(wú)塑性變形，如圖4(c)所示。-40 ℃時(shí)的脆性失穩(wěn)CTOD值δc為母材的最大，焊縫金屬的次之，熱影響區(qū)的最小。熱影響區(qū)的CTOD特征值受溫度影響比較明顯，-40 ℃的CTOD值δc僅為0.067 mm，表明焊接接頭熱影響區(qū)的低溫?cái)嗔秧g性較差。

圖3 不同溫度下母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)CTOD試樣的F-V曲線

圖4 不同破壞形式試樣

2.3 斷口形貌

圖5分別為母材、焊縫金屬區(qū)、熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口宏觀形貌。機(jī)械切割區(qū)和預(yù)制裂紋區(qū)在試驗(yàn)前已形成，緊挨預(yù)制裂紋的銀白色窄帶即為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，由圖5可見(jiàn)，每個(gè)斷口都存在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。在同一試驗(yàn)溫度下，熱影響區(qū)CTOD試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最窄。母材、焊縫金屬區(qū)試樣的纖維斷裂區(qū)較明顯，韌性失穩(wěn)時(shí)，較大的塑性變形使試樣斷口形成的裂紋擴(kuò)展面以纖維區(qū)為主，如圖5(a)所示，表明裂紋擴(kuò)展緩慢，顯示出更好的韌性。熱影響區(qū)試樣斷口平整，幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)，脆性穩(wěn)定失穩(wěn)時(shí)，由于試樣在載荷上升中發(fā)生了脆性斷裂，載荷急劇下降，在試樣斷口上一般可以觀察到面積較大的脆性斷裂區(qū)。在圖5(i)中幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)，脆斷特征明顯。在同一試驗(yàn)位置,隨試驗(yàn)溫度的降低試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)變窄，試樣斷裂時(shí)的塑性變形不斷減小直至消失，兩側(cè)的剪切區(qū)也越來(lái)越不明顯。這與表2中的CTOD特征值隨試驗(yàn)溫度的降低而減小相對(duì)應(yīng)。

圖5 不同溫度下母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口宏觀形貌

圖6為熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口微觀形貌。在掃描電鏡下，灰色帶狀區(qū)域?yàn)榱鸭y穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，如圖6(a～c)所示。隨著試驗(yàn)溫度的降低，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)變窄，當(dāng)溫度降至-40 ℃時(shí)，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)不明顯。將圖6(c)放大后如圖6(d)所示，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最寬處約有20 μm。圖6(e)為-10℃時(shí)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)斷口形貌，為撕裂韌窩形態(tài)，韌窩被拉長(zhǎng)，呈拋物線形，拋物線開(kāi)口的方向指向撕裂應(yīng)力作用的方向。如圖6所示，隨著試驗(yàn)溫度的降低，纖維斷裂區(qū)縮小，在20 ℃時(shí)纖維斷裂區(qū)最寬處約3.8 mm，-10 ℃時(shí)最寬處約2 mm，當(dāng)溫度降低至-40 ℃時(shí)，最寬處約30 μm。圖6(f)為-10 ℃時(shí)纖維斷裂區(qū)斷口形貌，可見(jiàn)纖維斷裂區(qū)遍布大小不一的等軸韌窩，為微孔聚合型斷裂。

圖6 不同溫度下熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口微觀形貌

圖7為焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時(shí)的脆性斷裂區(qū)微觀形貌，是典型的解理斷裂斷口特征形貌——扇形花樣。扇形花樣是裂紋從晶界或晶界附近起始、向外成扇形擴(kuò)展，發(fā)生穿晶斷裂的一種形貌特征，其外觀類似扇形或羽毛狀。解理斷裂區(qū)宏觀上沒(méi)有明顯的塑性變形，在陽(yáng)光下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可觀察到反光的小刻面，屬于脆性斷裂。解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵破壞而造成的沿一定晶體學(xué)平面(解理面)快速分開(kāi)的過(guò)程,解理面通常是表面能量最小的晶面。在脆性解理斷裂時(shí)，試樣發(fā)生穿晶斷裂，裂紋穿過(guò)晶粒時(shí)不改變方向，大角度晶界阻礙裂紋擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生改變。因此每一個(gè)解理斷裂面對(duì)應(yīng)一個(gè)有效晶粒尺寸，斷面上突出的白色撕裂棱代表可有效阻礙裂紋擴(kuò)展的大角度晶界，解理斷裂的斷口形貌與試樣顯微組織形貌基本相同。每一個(gè)解理面大小代表一個(gè)原始奧氏體晶粒大小。焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時(shí)的脆性斷裂區(qū)微觀形貌與圖2中的焊接接頭微觀組織及-40 ℃時(shí)的CTOD特征值相對(duì)應(yīng)。如圖7(a)所示，母材試樣解理面相對(duì)較小，斷面上突出的白色撕裂棱較多，阻礙裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)，為脆性穩(wěn)定失穩(wěn)。如圖7(b)所示，焊縫金屬試樣存在較大解理面，解理面大小與焊縫金屬組織中GBF相對(duì)應(yīng)，GBF的抗裂紋擴(kuò)展的性能較差，裂紋易經(jīng)GBF網(wǎng)擴(kuò)展，為脆性啟裂CTOD值。如圖7(c)所示，熱影響區(qū)試樣斷口存在較大解理面，焊接過(guò)程的熱循環(huán)使得焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸增大。原奧氏體晶界為GB的有效晶界，晶內(nèi)含有大量的亞晶界，由于每一個(gè)粗大的GB具有相近的晶粒取向，這樣的組織會(huì)惡化熱影響區(qū)的低溫韌性。-40 ℃時(shí)的脆性啟裂CTOD值δc僅為0.067 mm。由此可見(jiàn)，焊縫金屬及熱影響區(qū)為焊接接頭薄弱區(qū)域，需通過(guò)降低焊接熱輸入量或加入抑制晶粒長(zhǎng)大的合金元素來(lái)減少焊縫金屬組織中GBF的含量并控制GBF晶粒尺寸，以及減小焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸，從而提高焊接接頭的低溫韌性。

圖7 焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時(shí)的脆性斷裂區(qū)微觀形貌

3 結(jié)論

(1)隨著試驗(yàn)溫度的降低，Q500qE橋梁鋼焊接接頭母材、焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)COTD試樣的韌性和塑性均下降，斷裂韌性CTOD特征值明顯降低，F(xiàn)-V曲線逐漸縮短。

(2)隨著溫度的降低，焊接接頭同一部位CTOD試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)變窄，試樣斷裂時(shí)的塑性變形不斷減小直至消失，兩側(cè)剪切區(qū)也越來(lái)越不明顯。在同一試驗(yàn)溫度下，母材試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)較寬，纖維斷裂區(qū)較明顯，裂紋擴(kuò)展緩慢；熱影響區(qū)試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最窄，試樣斷口平整，幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)。在-40 ℃時(shí)，熱影響區(qū)試樣裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)最寬處約為20 μm，纖維斷裂區(qū)最寬處約30 μm。

(3)母材試樣脆性斷裂區(qū)解理面相對(duì)較小，斷面上突出的白色撕裂棱較多，抗裂紋擴(kuò)展性能好，為脆性穩(wěn)定失穩(wěn)。焊縫金屬試樣存在較大解理面，解理面大小與焊縫金屬組織中晶界鐵素體(GBF)相對(duì)應(yīng)，GBF的抗裂紋擴(kuò)展性能較差，裂紋易經(jīng)先共析鐵素體網(wǎng)擴(kuò)展，為脆性啟裂CTOD值。熱影響區(qū)試樣斷口存在較大解理面，焊接的大輸入量熱循環(huán)使得焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸增大，從而惡化了熱影響區(qū)的低溫韌性。