基于Jmat-pro計算的Q345級別耐火鋼焊接工藝評定

萬榮春 方藝蒙 曹寶山 馬慶巖 龔勛

摘要：通過測定焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（SH-CCT）曲線圖評定兩種Q345級別低Mo（約0.25 wt.%）耐火鋼焊接工藝。試驗結(jié)果表明，Q1鋼當實際冷卻時間t8/5>43s時，焊接的熱影響區(qū)以及熔合區(qū)附近不會產(chǎn)生開裂，而當t8/5<43s時，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有開裂的可能；Q2鋼當實際冷卻時間t8/5>44s時，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不會產(chǎn)生開裂，而當t8/5<44s時，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有開裂的可能。此外，Jmat-pro軟件對Ac3的計算有一定的準確性，但對連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線誤差較大，特別是Q2鋼的計算值與實測值差距更大，只具有參考價值。

關(guān)鍵詞：低Mo；耐火鋼；焊接工藝

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)由于具有高強度、綠色環(huán)保等優(yōu)點被大量應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，如鳥巢、世貿(mào)大廈等超高層和大跨度建筑。但由于鋼結(jié)構(gòu)的防火性能較差，通常需要在其表面刷涂耐火層，必然會增加其建筑成本并對環(huán)境造成污染[1]。耐火鋼的特點是在600℃時能保持三分之二的室溫屈服強度，

而普通建筑鋼在600℃時只能保持二分之一的室溫屈服強度[2-4]。由于耐火鋼具有的性能，其被大量應(yīng)用于超高層建筑等消防安全要求高的地方，尤其是美國“9.11事件”之后[4-6]。耐火鋼作為建筑用鋼，其焊接工藝性能備受重視，因此對其焊接工藝進行計算評定具有重要意義。

本文將對兩種Q345級別低Mo（含量約0.25 wt.%）耐火鋼的焊接工藝進行計算評定。通過Jmat-pro軟件計算試驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線和等溫轉(zhuǎn)變（TTT）曲線。采用焊接熱模擬方法，繪制Q1和Q2鋼焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（SH-CCT）圖，通過SH-CCT曲線圖和實際焊接過程的冷卻速度t8/5，對不同焊接工藝下粗晶區(qū)的組織及性能進行預(yù)測，為Q345級別的低Mo耐火鋼的應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗材料為Q1和Q2兩種Q345級別20mm厚熱軋態(tài)的耐火鋼。Q1和Q2鋼的具體化學成分如表1所示。兩種試驗鋼的化學成分基本接近，Q2鋼比Q1鋼多添加0.03 wt. %左右的Nb、V、Ti微合金元素。

試驗鋼SH-CCT曲線圖測定。測試設(shè)備為BAHR Thermo analyse 熱膨脹快速相變儀。實驗條件：奧氏體化溫度為1140℃，保溫時間為5min，以200℃/h升降溫度測Ac1、Ac3。試樣尺寸：直徑d=φ4mm，高度h=10mm。保溫后試樣冷卻速度分別為100℃/h、200℃/h、500℃/h、1000℃/h、（Ac1-RT）/50s、（Ac1-RT）/100s、（Ac1-RT）/500s、（Ac1-RT）/1000s，其中RT代表室溫。此外，還有利用Jmat-pro軟件計算Q1和Q2鋼CCT和TTT曲線。

對試驗鋼SH-CCT曲線圖測定后的試樣進行鑲嵌、研磨、拋光，用4%的硝酸酒精浸蝕吹干，利用ZEISS 倒置式顯微鏡Axio Vert A1觀察組織形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝模擬計算

根據(jù)Q1的化學成分利用Jmat-pro軟件計算CCT和TTT曲線如圖1和圖2所示。從圖1中可發(fā)現(xiàn)Q1鋼Ac3的溫度為898.37℃。當t8/5>4500s時，在焊接的熱影響區(qū)和熔合線附近可全部得到珠光體+鐵素體組織；150s項目基金：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院《國外材料領(lǐng)域國防實驗室軍民融合發(fā)展策略研究》項目t8/5<4500s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到鐵素體+珠光體+貝氏體組織；2s項目基金：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院《國外材料領(lǐng)域國防實驗室軍民融合發(fā)展策略研究》項目t8/5<150s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到鐵素體+貝氏體組織；t8/5<2s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到馬氏體組織。

根據(jù)Q2鋼的成分利用Jmat-pro軟件計算CCT和TTT曲線如圖2所示，Q2鋼Ac3的溫度為896.52℃。對比圖1和圖2可見，實際焊接過程的冷卻速度t8/5對焊接工藝下粗晶區(qū)的組織影響與Q1鋼相差不大。當t8/5≥4500s時，在焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到珠光體+鐵素體組織；150s≤t8/5<4500s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到鐵素體+珠光體+貝氏體組織；2s≤t8/5<150s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到鐵素體+貝氏體組織；t8/5<2s時，焊接熱影響區(qū)熔合線附近可全部得到馬氏體+鐵素體組織。

2.2 模擬計算結(jié)果與實測SH-CCT曲線的對比

利用測定平衡臨界溫度的膨脹曲線，可以求得鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度點如表2所示。從表2中可見計算值與實測值的差在27℃內(nèi)，誤差小于3%，相對來說計算值還是具有參考價值的。

表3和表4分別為Q1和Q2鋼冷卻速度、冷卻時間、顯微硬度及組織的相互關(guān)系，試驗鋼組織有鐵素體（F）、珠光體（P）、貝氏體（B）和馬氏體（M）。

利用表3和表4可以繪制出Q1和Q2鋼的SH-CCT曲線圖。圖3所示為Q1鋼SH-CCT曲線圖，從中可見SH-CCT曲線主要有4部分組織：F、P、B和馬氏體轉(zhuǎn)變開始線（Ms）之下部分。冷卻速度小于等于0.06℃/s時，組織完全為F；冷卻速度大于0.06℃/s且小于0.7℃/s時，Q1鋼的組織為F+P+B；冷卻速度為1.4℃/s時，Q1鋼的組織主要為B+F，M形成的冷卻速度大于7.01℃/s。圖4為Q2鋼SH-CCT曲線圖，當冷卻速度小于0.06℃/s時，組織基本為F，冷卻速度大于0.06℃/s且小于0.68℃/s時，組織為F+P+B；冷卻速度大于0.68℃/s時，組織主要為B+F，M形成的冷卻速度要大于6.83℃/s。

表5和表6分別為Q1和Q2鋼冷卻速度和組織實測值與計算值的關(guān)系。從表中可見Q1鋼的實測值與計算值符合的相對較好，但誤差還是較大（>10%），而且冷速越高誤差也就越大。而Q2鋼的實測值與計算值基本不能符合，誤差最小也在50%以上，這可能是Nb加入促進貝氏體轉(zhuǎn)變因素對Jmat-pro軟件計算來說有些困難。

2.3 通過SH-CCT曲線圖評定鋼材的冷裂傾向

利用SH-CCT曲線圖評定鋼材的冷裂傾向的方法及應(yīng)用如表7所示。

3 結(jié)論

（1）Jmat-pro軟件對Ac3的計算有一定的準確性，但對CCT曲線誤差較大，特別是Q2鋼的計算值與實測值差距更大，只具有參考價值。

（2）利用SH-CCT曲線評定鋼的抗冷裂性。Q1鋼當實際冷卻時間t8/5>43s時，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不產(chǎn)生裂紋，而當t8/5<43s時，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有產(chǎn)生裂紋的可能；Q2鋼當實際冷卻時間t8/5>44s時，焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)附近不產(chǎn)生裂紋，而當t8/5<44s時，熱影響區(qū)或熔合區(qū)有產(chǎn)生裂紋的可能。

參考文獻：

[1]李偉.熱處理對建筑高強度耐火鋼力學性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2016， 45（22）： 197-199，202.

[2]Rongchun W， Feng S ， Lanting Z， et al. Effects of Mo on high-temperature strength of fire-resistant steel [J]. Materials and Design， 2012， 35： 335-341.

[3]萬榮春，孫鋒，張瀾庭，等. Mo對耐火鋼高溫屈服強度的影響[J].北京科技大學學報， 2013， 35（3）： 325-331.

[4]楊衛(wèi)芳.建筑用耐火鋼的開發(fā)與性能研究[J].熱加工工藝， 2016， 45（22）： 67-69.

[5]萬榮春.耐火鋼中Mo的強化機理及其替代研究[D].上海：上海交通大學， 2012.

[6]趙鴻金，周軍，齊亮，等.合金元素對Q460耐火鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的影響[J].金屬熱處理， 2016， 41（4）：96-99.

項目基金：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院《國外材料領(lǐng)域國防實驗室軍民融合發(fā)展策略研究》項目

（作者單位：萬榮春，渤海船舶職業(yè)學院材料工程，渤海船舶重工有限責任公司博士后流動站；方藝蒙，四川大學匹茲堡學院；曹寶山，遼寧順達機械制造（集團）有限公司；馬慶巖，龔勛，葫蘆島軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心）