500mpaiv級螺紋鋼焊接熱影響區(qū)組織演變規(guī)律

500mpaiv級螺紋鋼焊接熱影響區(qū)組織演變規(guī)律

螺旋鋼是一種常見的建筑材料，占所有鋼鐵消費市場的比例很大。提高螺紋鋼的級別,可有效減少螺紋鋼的使用量,同時減少螺紋鋼的焊接、預制以及運輸?shù)裙ぷ髁?有利于改善混凝土的流動性,提高工作效率,從而有效降低建設成本。隨著微合金化技術的應用及各種鋼材組織細化,強化技術的使用,螺紋鋼的性能有明顯的提高。但螺紋鋼在焊接過程中出現(xiàn)組織惡化和韌性降低等問題。在焊接熱循環(huán)作用下,焊縫附近的母材不可避免地經(jīng)受特殊的熱過程,即焊接熱影響區(qū)(HAZ)會出現(xiàn)組織和性能的惡化,成為焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié);熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)晶粒在冷卻過程中發(fā)生相變過程,可能形成粗大的晶界鐵素體、側(cè)板條鐵素體和上貝氏體以及重新析出沉淀的碳氮化物等,從而使粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)成為熱影響區(qū)性能最薄弱的區(qū)域。采用熱模擬技術,利用小試樣獲得較大尺寸范圍內(nèi)熱影響區(qū)某一特定溫度區(qū)的均勻溫度及組織性能,使焊接熱影響區(qū)各窄小的特定溫度區(qū)放大,提供對各特定溫度區(qū)顯微組織及性能研究的可能性。文中針對500MPaIV級螺紋鋼,通過Gleeble3500熱模擬單道次焊接熱循環(huán),研究不同熱輸入時,焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織變化,室溫沖擊韌性和顯微硬度的變化趨勢。1焊接熱模擬試驗試驗材料為馬鋼生產(chǎn)的直徑為25mm的500MPaIV級螺紋鋼,主要化學成份(質(zhì)量分數(shù))為:C0.23;Si0.7;Mn1.46;Cr0.01;Mo0.005;V0.11;Ni0.006;Cu0.009;P0.023;S0.021。母材原始組織金相照片如圖1。母材原始組織為鐵素體和珠光體,其中鐵素體增強鋼的塑性和韌性,而珠光體在保證鋼良好強度的同時,也能保持鋼的塑性和韌性。焊接熱模擬試驗在Gleeb1e3500型熱模擬試驗機上進行,試樣尺寸為l1mm×l1mm×55mm。采用一次熱循環(huán)進行模擬,峰值溫度為1320℃,加熱速率為100℃/s,峰值溫度停留時間為0.5s。實驗中根據(jù)Rykalin-3D熱源模型,設置500~800℃之間8個不同冷卻時間t8/5(t8/5分別為10,12,15,20,30,60,100,300s以模擬不同焊接熱輸入對HAZ組織和性能的影響。每組做4個試樣,3個用于沖擊實驗,一個用于硬度實驗和金相分析。在型號為JSM—6490LV掃描電子顯微鏡(SEM)觀察熱影響區(qū)組織形貌,在HV—1000維氏硬度計進行試樣硬度值的測試(加載1kg,加載時間20s)。熱模擬試樣加工成l0mm×l0mm×55mm標準夏比V型缺口沖擊試樣,在JBC—300材料沖擊試驗機上進行試樣室溫沖擊實驗。2結(jié)果與分析2.1t8/5對羽毛狀貝氏體及鐵素體形態(tài)的影響圖2為不同t8/5下熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)組織掃描照片。從圖2可看出:不同的熱輸入都促使CGHAZ的晶粒發(fā)生不同程度的長大,同時焊接熱輸入也影響組織形態(tài)的變化。圖2(a),(b),(c)對應t8/5為10,12,15s時的組織為羽毛狀上貝氏體和鐵素體,并未發(fā)生馬氏體的轉(zhuǎn)變。當t8/5為20s時(圖2(d)),其組織為少量的粒狀貝氏體、上貝氏體、珠光體、鐵素體混合組織,且隨著t8/5的增大,粒狀貝氏體含量逐漸增加,羽毛狀貝氏體含量減小。隨著熱輸入的繼續(xù)增大,如圖2(e),(f),(g),珠光體含量增加,貝氏體形態(tài)主要是粒狀,羽毛狀上貝氏體含量明顯下降。但t8/5增大到300s時,焊接熱輸入最大,形成的組織為鐵素體和珠光體,組織粗大。2.2溫室沖擊功測試熱影響區(qū)的室溫沖擊功隨不同t8/5的變化趨勢如表1。與母材室溫沖擊功110J相比,經(jīng)過焊接熱循環(huán)后,焊接熱影響區(qū)的室溫沖擊功都發(fā)生明顯的下降。當t8/5<20s時,試樣的室溫沖擊功很低,僅為12,23J左右,不到母材室溫沖擊功的20%。隨著t8/5的增大,試樣的室溫沖擊功不斷增大,當t8/5為30,60,100s時,分別達到母材沖擊功的45%,54%,49%,能滿足熱軋帶肋鋼筋國家標準(GB1499—2007)中對帶肋鋼筋焊接性能的要求。但隨著t8/5的進一步增大,焊接熱輸入不斷增大,熱影響區(qū)晶粒粗化,HAZ室溫沖擊功明顯降低。當t8/5為300s時,模擬的HAZ室溫沖擊功為13.5J,為母材室溫沖擊功的12%左右,在該熱輸入下的HAZ室溫沖擊韌性很差。因此,VN微合金化螺紋鋼在焊接時必須保證t8/5的區(qū)間為30~100s,從而保證HAZ的沖擊韌性能夠滿足實際生產(chǎn)的要求。2.3脆性斷口形貌選取3個典型的熱輸入即t8/5分別為12,30,60s熱影響區(qū)的斷口形貌掃描照片進行分析,分別如圖3(b),(c),(d)。圖3(a)母材斷口形貌為典型的等軸韌窩,其沖擊韌性功較高。圖3(b)是t8/5為12s斷口形貌,呈河流花樣,屬于準解理斷口,這是典型的脆性斷裂形貌,沖擊韌性很差。圖3(c)是t8/5為30s斷口形貌,與母材的斷口形貌相似,但是韌窩區(qū)數(shù)目及面積減少,解理斷口區(qū)域增多,宏觀斷口的表面平齊,試樣斷裂之前塑性變形很小,相應的沖擊功不高。圖3(d)斷口呈韌窩形貌,并伴有少量孤立的平板狀的解理斷口區(qū)域存在,與t8/5為30s斷口形貌相比,韌窩區(qū)數(shù)目及面積增加,所以在該熱輸入下的沖擊韌性比t8/5為12,60s的沖擊韌性好。2.4熱影響區(qū)最大硬化比率hvm/hvb的確定圖4為不同熱輸入時,焊接熱影響區(qū)顯微硬度隨t8/5的變化趨勢。表2為熱影響區(qū)最大硬度隨t8/5的變化結(jié)果。從圖4和表2可以看出:經(jīng)過焊接熱循環(huán)后熱影響區(qū)發(fā)生硬化現(xiàn)象。當t8/5為10s時,最高硬度達到460HV,接近于母材硬度的2倍,從熱影響區(qū)到母材的硬度發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象。隨著t8/5的增大,熱影響區(qū)的最高硬度呈減小的趨勢。但當t8/5大于20s后熱影響區(qū)硬化現(xiàn)象減弱。隨著t8/5的進一步增大,到60s后,相對于母材,熱影響區(qū)硬度值增加不明顯。為了進一步分析熱影響區(qū)的硬化現(xiàn)象,設HVb為母材的維氏硬度值,HVm為熱影響區(qū)的最大硬度值,則熱影響區(qū)最大硬化比率HVm/HVb與t8/5之間的關系如表2。實驗用螺紋鋼的熱影響區(qū)隨著t8/5的增大,熱影響區(qū)最大硬化比率降低,在t8/5為60s以后硬化比率基本不變,此時HAZ硬度值與母材的基本相同。3熱輸入的影響(1)當t8/5<20s時,熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織主要是羽毛狀貝氏體和鐵素體,隨著t8/5的增大,粗晶區(qū)組織是顆粒狀貝氏體,珠光體和鐵素體組織,當t8/5>100s后,粗晶區(qū)組織是鐵素體和珠光體。(2)不同熱輸入下的熱影響區(qū)室溫沖擊功都發(fā)生明顯的下降,隨著t8/5的增大,熱影響區(qū)室溫沖擊功呈不斷增大的趨勢。在t8/5為30~10