800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫金屬熱處理組織與性能分析

李睿

摘? 要：在高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程中，為了保障強(qiáng)韌性，在焊后需要采取熱處理措施，優(yōu)化焊縫金屬的性能。為了保障高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化整體使用性能，本文分析了800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫金屬熱處理組織與性能，根據(jù)試驗(yàn)可以確定焊縫金屬焊態(tài)組織主要包括貝氏體和馬氏體以及奧氏體組織，而利用調(diào)制熱處理措施之后將會(huì)改變焊縫組織的成分，逐漸增加回火問(wèn)題之后，焊縫中的奧氏體將會(huì)越來(lái)越少，同時(shí)析出長(zhǎng)大馬氏體中的碳化物，并且會(huì)呈現(xiàn)出球化趨勢(shì)。升高回火溫度之后，焊縫部位的強(qiáng)度逐漸降低，但是會(huì)提高整體結(jié)構(gòu)的韌性。

關(guān)鍵詞：800MPa級(jí);高強(qiáng)鋼焊縫;金屬熱處理組織;性能分析

800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性的優(yōu)勢(shì)，因此在各個(gè)工程中廣泛利用，在使用800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的過(guò)程中，焊縫部位承受較大的荷載，需要引起相關(guān)工作人員的重視。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇焊接加工技術(shù)，保障整體焊接加工質(zhì)量，因此提高整體鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。確定焊接結(jié)構(gòu)性能的過(guò)程中，需要分析分析材料的韌性和強(qiáng)度等，進(jìn)一步提高800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的韌性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且保障產(chǎn)品構(gòu)件使用過(guò)程中的安全性。

當(dāng)前在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛利用調(diào)質(zhì)熱處理措施，但是利用這一措施將會(huì)增加焊接熱循環(huán)的負(fù)面影響，導(dǎo)致熱影響區(qū)存在軟化和脆化等問(wèn)題，通常情況下鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度級(jí)別，將會(huì)反應(yīng)出顯著的軟化作用。解決這一問(wèn)題，一方面在焊后避免利用熱處理措施，而在焊接過(guò)程中，需要采取有效的措施避免傳輸熱量。另一方面在焊后開(kāi)展調(diào)質(zhì)熱處理，及時(shí)將應(yīng)力消除，而且可以優(yōu)化顯微組織和整體性能。

一、試驗(yàn)材料和工藝

在試驗(yàn)過(guò)程中選用10Ni5CrMoV，主要組織為回火索氏體。在焊接過(guò)程中利用熔化氣體保護(hù)焊，在焊接過(guò)程中利用全自動(dòng)焊機(jī)。焊接材料選用實(shí)心焊絲。保護(hù)氣體為Ar和CO2，控制氣體流量在22L/min范圍內(nèi)，控制層間溫度在120～130℃，焊接速度控制在28cm/min，控制焊接熱輸出在15kJ/cm范圍內(nèi)[1]。

選用的焊接接頭調(diào)制熱處理參數(shù)為920℃，在持續(xù)保溫3h之后利用水淬火，選用的回火溫度分別是560℃、580℃、600℃、620℃，在保溫2h之后空冷到室溫。為了精確性的分析處理結(jié)果，工作人員可以利用顯微鏡觀察焊縫組織變化情況，利用3%的硝酸酒精作為侵蝕劑。利用拉伸試驗(yàn)機(jī)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展拉伸試驗(yàn)。利用自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)組織沖擊試驗(yàn)。在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，母材和焊縫的試驗(yàn)溫度是不同的，而試驗(yàn)溫度直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的客觀性，在母材沖擊試驗(yàn)過(guò)程中利用-20℃的溫度，在焊縫沖擊試驗(yàn)中選用-50℃的溫度。

二、試驗(yàn)結(jié)果和分析

（一）顯微組織

焊縫金屬焊態(tài)組織主要包括貝氏體組織，焊縫金屬化學(xué)成分包括C、Si、Mn等。降低鋼中C元素含量到0.05%范圍內(nèi)之后，這種鋼在高溫奧氏體化之后，在冷卻過(guò)程中不會(huì)發(fā)生兩相分解情況，可以直接轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體為不同形態(tài)的鐵元素，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量的奧氏體。在超低碳環(huán)境中，因?yàn)樘己勘容^低，因此突出鋼中的貝氏體組織的特殊性，在試驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)楹剂繉儆诔吞紭?biāo)準(zhǔn)，需要開(kāi)展金相分析和透射電鏡分析等，焊縫組織主要包括板條狀的貝氏體和下貝氏體以及M-A組元等。

利用920℃的溫度持續(xù)淬火三個(gè)小時(shí)，這時(shí)焊縫金屬組織成分發(fā)生改變，其中包括板條馬氏體和部分奧氏體等。因?yàn)榛鼗饻囟确浅８?，而且?jīng)歷較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，大幅度降低了位錯(cuò)密度。不斷提高回火溫度之后，焊縫中馬氏碳化物將會(huì)被析出，并且會(huì)不斷長(zhǎng)大，呈現(xiàn)出球化趨勢(shì)。但是還有沒(méi)有分解的參與奧氏體。M-A組元在焊態(tài)焊縫中占據(jù)較大的比例，利用調(diào)質(zhì)熱處理措施之后，焊縫中部分M-A組元將會(huì)逐漸分解，但是并不會(huì)徹底去除，因此在焊縫中仍舊存在一些M-A組元。提高回火溫度之后，將會(huì)減少焊縫中的M-A組元的數(shù)量，同時(shí)會(huì)增加碳化物數(shù)量[2]。

（二）力學(xué)性能

為了提高焊縫結(jié)構(gòu)的韌性和強(qiáng)度等，需要優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)質(zhì)態(tài)的焊縫組織，對(duì)比調(diào)質(zhì)態(tài)焊縫，提高回火溫度之后，將會(huì)降低服務(wù)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。升高調(diào)質(zhì)熱處理回火溫度之后，將會(huì)降低硬度，同時(shí)會(huì)降低焊縫金屬的硬度。升高回火溫度的過(guò)程中，馬氏體碳化物會(huì)因此析出，有效控制錯(cuò)誤密度。此外焊縫組織碳化物球化和M-A組元分解等也關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的硬度和強(qiáng)度等。

下圖是焊態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)焊縫低溫沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。逐漸提高回火溫度之后，焊縫結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力因此提高。例如回火溫度為560℃，斷口為解理，這時(shí)為最低韌性。如果回火溫度是580℃，斷口為解理和韌窩，整體韌性比較低。如果回火溫度是600℃，斷口包含韌窩和好部分解理，整體韌性比較高。當(dāng)回火溫度是620℃，斷口呈現(xiàn)出韌窩狀，整體韌性非常高。綜上所述，在判斷階段可以結(jié)合焊縫斷口的形態(tài)，可以將焊縫沖擊吸收功變化趨勢(shì)反映出來(lái)。雖然分解奧氏體將會(huì)降低焊縫韌性，但是析出并且長(zhǎng)大回火馬氏體中碳化物，并且進(jìn)一步分解M-A組元，將會(huì)提高焊縫低溫韌性。因此隨著回火溫度提高，將會(huì)隨之提高調(diào)制處理態(tài)焊縫的韌性[3]。

結(jié)束語(yǔ)：

通過(guò)上文分析，可以確定800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫金屬焊態(tài)組織是板條狀的貝氏體和下貝氏體以及少量的粒狀貝氏體混合物。經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)之后，焊縫組織主要包括高溫回火馬氏體。不斷提高回火溫度之后，將會(huì)析出并且長(zhǎng)大焊縫金屬中碳化物。而且會(huì)減少參與奧氏體和M-A組元含量。升高回火溫度之后，將會(huì)降低調(diào)制態(tài)焊縫的強(qiáng)度，升高回火溫度之后將會(huì)提高韌性，出現(xiàn)這一情況是因?yàn)榻档土税鍡l錯(cuò)位密度，同時(shí)分解了M-A組元。升高回火溫度之后，將會(huì)逐漸降低調(diào)制態(tài)焊縫的硬度，這是因?yàn)槲龀隽私M織中的碳化物，同時(shí)降低了錯(cuò)位密度。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?zhí)炖恚漩?，于航，林三寶，栗卓?合金元素對(duì)高強(qiáng)鋼焊縫金屬貝氏體形成及力學(xué)性能影響的研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程，2021，32（14）： 1743-1756.

[2]蔡正洪，殷學(xué)成，方芳.烏東德水電站蝸殼800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫的無(wú)損檢測(cè)[J].西北水電，2021（02）：64-67.

[3]官春平.Ni對(duì)600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊縫組織和性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：120-124.