熱軋低屈強比大線能量焊接建筑鋼力學性能與組織研究

卜勇 陳曉 童明偉 張開廣

1前言

為保證鋼結構的抗震性能，確保結構件具有足夠的非彈性應變能力。建筑用鋼必須具有低的屈強比(YR)，因為低的屈強比意味著材料從屈服到塑性失穩(wěn)之間具有高的變形抗力，可防止強度的突然下降。日本JIS G3136標準實施前，建筑結構鋼JIS標準中只對抗拉強度規(guī)定上下限，對屈服強度也只有下限要求，這樣容易帶來同一鋼種屈服強度波動太大、材料屈強比過高等問題。為此日本JIS G3136標準對材料屈服強度規(guī)定了上下限，且限制材料屈強比不大于0．80，確保了材料在破壞前有足夠的塑性變形能力，即提高了材料的抗震性。2000年我國制定的第一部高層建筑結構鋼標準YB4104及2005年底頒布的建筑結構用鋼板國家標準GB／T 19879也非等效采用了JIS G3136，對Q345級建筑鋼的屈強比也要求不大于0．80。與此同時，國內外開展了不少關于低合金高強度鋼(HSLA)屈強比的研究工作，而且通過TMCP手段目前已可以獲得屈服強度440MPa級的低屈強比高強度結構鋼(YR≤0．80)。

隨著鋼結構建筑朝著大型化方向發(fā)展，可大幅度提高焊接效率的單面埋弧焊、氣電焊或電渣焊等大線能量焊接技術逐漸被普遍采用。這就給傳統(tǒng)的低合金高強鋼(HSLA)帶來了新的課題，即焊接熱影響區(qū)HAZ)的強度與韌性不可避免的發(fā)生惡化。因此，近年來國內外在傳統(tǒng)HSLA鋼基礎上廣泛開展了大線能量焊接用鋼研究。通過在鋼中形成特定的氧化物夾雜可以達到有效的細化組織和提高鋼板強韌性的日的。但對于大線能量焊接鋼研究而言，氧化物冶金的重要意義還在于如何通過生成適當的第二相質點來控制大線能量焊接后HAZ內的組織和晶粒大小。在HAZ中以第二相質點(如Ti₂O₃等)作為針狀鐵素體(AF)的形核核心，在原奧氏體晶粒內形成位向各異的細小針狀鐵素體。從而細化晶內組織，獲得細小的亞晶結構，可以提高HAZ區(qū)韌性，同時抑制其強度下降，這已被國內外許多學者所認同。

為了積極合理地擴大鋼結構在建筑中的應用以及發(fā)展新一代高性能建筑用鋼材，滿足我國建筑行業(yè)的需求，同時有效縮短工藝流程(控軋交貨、無需熱處理)，降低生產成本。本文開展了Q545級含Zr、Ti熱軋低屈強比大線能量焊接建筑結構鋼的研究工作。

2 研究方法

試驗鋼由50kg真空感應爐冶煉并澆鑄成鋼錠。將鋼錠加熱到1230℃，保溫2h后，在實驗室小軋機上軋制成厚度為16mm的鋼板，粗軋溫度為1120℃，控制軋鋼中間道次壓下量，且最后道次壓下量≥30％，終軋溫度≥870℃，軋后在850～700℃兩相區(qū)噴水加速冷卻，冷卻速度為10～15℃／s。

對熱軋態(tài)鋼板進行了常溫拉伸試驗和0℃夏比(V型)沖擊試驗，對熱軋態(tài)鋼板進行了金相和電鏡組織觀察試驗。取縱向熱軋態(tài)鋼板加工成11×11×90mm試樣，在GLEEBLE2000試驗機上進行了峰值溫度為1320℃，線能量為100kJ／cm的焊接熱模擬試驗，試樣從800℃冷卻到500℃的時間t_8/5為296s。對進行了常溫拉伸試驗、0℃夏比(V型)沖擊試驗和金相組織觀察試驗，并利用掃描電鏡和透射電鏡對HAZ斷口和組織進行了觀察分析。

3試驗結果

3．1試驗鋼的力學性能

表1為熱軋態(tài)鋼板和100kJ／cm大線能量焊接熱模擬HAZ常溫拉伸和0℃扣擊試驗結果。從表1可見，熱軋態(tài)鋼板屈強比為0．75，遠低于日前國內外通用標準所要求的0．80；具備較低的屈強比，且強韌性匹配良好；HAZ強度與熱軋態(tài)鋼板試驗結果相比基本一致，可見經大線能量焊接熱模擬后HAZ沒有發(fā)生軟化現象。而且0℃沖擊試驗結果最低84J，遠高于設計要求(0℃沖擊功Akv≥47J)。

3．2組織結構研究

3．2．1金相組織

　　熱軋態(tài)鋼板和HAZ金相組織和晶粒度檢驗結果見表2，組織評定按GB／T13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》標準規(guī)定執(zhí)行，晶粒度測定按GB6394—1986《金屬平均晶粒度測定法(A)》標準規(guī)定執(zhí)行。由表2的試驗結果可見：熱軋態(tài)鋼板組織為鐵素體 珠光體組織，且其中相對低硬度相(鐵素體相)占60％。這種強弱相匹配的雙相組織結構使鋼板在獲得較好的強韌性匹配的同時，還得到較低的屈強比。HAZ組織為針狀鐵素體 先共析鐵素體 珠光體混合組織，對比熱軋態(tài)HAZ原奧氏體晶粒發(fā)生了較大程度的粗化，但晶內組織比較細小。3．2．2 HAZ斷口掃描電鏡組織

HAZ斷口掃描電鏡觀察試驗表明韌窩及斷口解理面中存在大量細小顆粒狀夾雜物(尺寸約為1～2μm)。夾雜物主要為Zr氧化物，同時還含有少量的Ti、Al、Si及Mn等，從能譜中明顯可見夾雜物中Zr含量遠高于Ti含量。

3．2．3 TEM精細組織

(1)熱亂態(tài)鋼板組織

細小鐵素體組織的晶粒內部存在一定數量、大小不一、形態(tài)各異且具有一定位錯密度的鐵素體亞結構組織，分割了整個鐵素體晶粒，構成在相對較軟相中軟強化的亞結構(因這種亞結構的鐵素體組織位向比較雜亂，亞界面多，可有效阻止位錯滑移，表現出高的變形抗力)。

珠光體組織的片層間距較小，約為100～300nm。這對以鐵素體 珠光體組織結構為主的鋼的強度及韌性是很有利的。此外，該珠光體組織基本類似于由鐵素體基體和在鐵素體基體上沿著同一方向斷續(xù)分布的滲碳體片條所組成的，明顯不同于一般鐵素體和連續(xù)滲碳體片條交替平行分布組成的珠光體。認為該現象與鋼板控軋完畢并噴水適當加速冷卻后，在700℃以下空冷時，發(fā)生了一定程度的自回火有關。這種類型的珠光體結構構成了一種在相對較軟相中斷續(xù)分布較強相的組織結構。上述熱軋態(tài)鋼板的鐵素體和珠光體精細組織也有利于使材料在獲得較高強度和韌性的同時具備較低的屈強比。

(2)HAZ組織

通過分析HAZ精細組織結構照片，發(fā)現圍繞夾雜物分布著4個針狀鐵素體片條，其中夾雜物能譜分析結果與掃描電鏡分析的基本一致，表明其主要為含有少量的Ti、Mn等的復合Zr氧化物夾雜。

4討論

鋼材的屈服行為受組織類型、晶粒尺寸、各相的體積分數、形態(tài)及位錯密度等因素影響。為了獲取較理想鋼材的屈服強度及屈強比，關鍵在于如何控制其組織結構的各特性參數。材料的組織結構可以通過調整化學成分、合理的TMCP或熱軋 正火／回火熱處理工藝等方式來獲得。研究表明：在低硬度相中均勻分布體積分數約50％高硬度相，以及增大高硬度相與低硬度相之間的屈服強度之比，可以使材料獲得較低的屈強比；對以鐵素體組織為基體的鋼板而言，細化晶�？赏瑫r提高屈服強度和韌性，但其屈強比也隨之增大。而如果增大熱軋后加速冷卻前的延遲時間，釋放部分形變能，則鐵素體形核率下降，其晶粒尺寸增大，可降低屈強比。此外，為獲得低YR鋼，鐵素體中位錯密度不能太高，因此應在確保較佳的韌性前提下控制高的軋鋼溫度。同時降低加速冷卻時的冷卻速度和水冷開始溫度以獲得固溶碳少的鐵素體，并避免生成高強度的貝氏體組織。

控制軋制一般分為三個階段。第一階段，在奧氏體再結晶區(qū)控制軋制，即在奧氏體再結晶溫度以上的溫度范圍(≥950℃)內進行軋制，使再結晶和變形交替進行，以細化奧氏體晶粒；第二階段，在奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制，即在奧氏體再結晶開始溫度到A_r3以上進行軋制，其目的是使奧氏體晶粒拉長。同時在晶內形成大量變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉變時的晶核生成能，獲得極其細小的鐵素體晶粒，以提高鋼的韌性；第三階段，在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)控制軋制，即在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)溫度范剖內(A_r3以下)進行軋制，此階段伴隨著加工硬化和珠光體析出的硬化而提高了鋼的強度，但降低韌性—脆性轉變溫度，同時由于組織產生了織構(擇優(yōu)取向)。板厚方向的強度和沖擊韌性都會降低。

本研究試驗鋼在軋制時控制最后道次壓下量≥30％和終軋溫度≥870℃，并在850～700℃兩相區(qū)進行適當噴水加速冷卻，冷卻速度為10～15℃／s，獲得了強韌性匹配良好，同時具有較低屈強比的組織結構。終軋溫度≥870℃，對本研究鋼而言，屬單相奧氏體未再結晶區(qū)軋制。采用最后道次大壓下，可以有效積累大變形，其目的是使奧氏體晶粒拉長。同時在晶內形成大量變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉變時的晶核生成能，而噴水加速冷卻時鋼板過冷度大，可促進鐵素體相變并阻止相變過程中鐵素體晶粒過度長大。在原奧氏體晶粒內部形成一定數量的塊狀和片狀鐵素體(位向較雜亂的亞結構)，同時還可阻止珠光體組織粗化，獲得細小的鐵素體和珠光體組織，并最終使鐵素體組織體積分數占全部組織的約60％這種相對較軟相(鐵素體組織——可以獲得較低的屈服強度)和較強相(晶內塊狀和片狀鐵素體及珠光體組織——可以獲得較高的抗拉強度)的合理比例及分布使材料獲得了理想的使用性能。

目前為止，雖然對提高HAZ強韌性開展了大量的研究，但不同的研究者對于具體研究的鋼種中所采取的合金化手段不盡相同，對于AF相變的機制還存在著不同的解釋。HAZ按焊接過程中受熱溫度高低可細分為粗晶超臨界區(qū)(粗晶區(qū))、細晶超臨界區(qū)(細晶區(qū))、臨界區(qū)及亞臨界區(qū)四個部分。一般對HAZ強韌性的研究僅針對強韌性易發(fā)生惡化的粗晶區(qū)。

本研究鋼種采用Zr、Ti復合微合金化，在1320℃的模擬焊接峰值溫度下，經100kJ／cm大線能量焊接熱模擬后，HAZ中心部分都屬于組織和性能發(fā)生最大惡化的粗晶區(qū)，但實際得到的HAZ和熱軋態(tài)鋼板相比仍具有良好的綜合性能。主要原因在于在HAZ中形成大量細小顆粒狀、含少量Ti、Si、Mn等復合Zr氧化物夾雜為形核核心的針狀鐵素體，對HAZ鐵素體組織進行了二次細化，有利于提高強韌性。Zr、Ti與氧的親和力接近，高溫下ZrO₂與Ti₂O₃在鋼中的標準形成自由能相差不大，但由于勱密度比Ti大得多，相應的Zr氧化物也比Ti氧化物比重大。在鋼水中上浮速度小，且Zr、Ti形成的所有氧化物都含有大量的陽離子空位，從周圍選擇吸附如Si、Mn等元素，而比重大的Zr氧化物吸附了Mn、Si等成為復合氧化物后上浮速度就更小。因此，在與含量相近的Zr、Ti復合微合金化時，鋼中第二相夾雜主要為吸附Si、Mn等的Zr氧化物復-合夾雜，且Zr氧化物復合夾雜尺寸較大，這與文獻報導一致。相應的在熱模擬焊接后的HAZ中，作為針狀鐵素體形核核心也基本吸附了Mn、Si等Zr氧化物復合夾雜。

5結論

(1)采用合理的熱軋工藝和在兩相區(qū)加速冷卻至700℃的冷卻制度，獲得了較低的屈強比和較高強韌性匹配的建筑結構鋼板，可有效縮短鋼板生產工藝流程并降低生產成本。

(2)熱軋態(tài)鋼板中相對低硬度相(鐵素體相)占約60％，并且使珠光體組織中的滲碳體形成在鐵素體基體上斷續(xù)分布的狀態(tài)，可以保證材料具備較高的強度和韌性的同時，獲得較低的屈強比。

(3)試驗鋼在100kJ／cm大線能量熱模擬焊接下HAZ具有優(yōu)良的綜合性能。

(4)HAZ組織中針狀鐵素體形核核心主要為含少量Ti、Mn等的復合Zr氧化物夾雜，針狀鐵素體通過二次細化HAZ鐵素體組織，提高了HAZ的強韌性。