热轧低屈强比大线能量焊接建筑钢力学性能与组织研究

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卜勇陈晓童明伟张开广

1前言

为保证钢结构的抗震性能，确保结构件具有足够的非弹性应变能力。建筑用钢必须具有低的屈强比(YR)，因为低的屈强比意味着材料从屈服到塑性失稳之间具有高的变形抗力，可防止强度的突然下降。日本JIS G3136标准实施前，建筑结构钢JIS标准中只对抗拉强度规定上下限，对屈服强度也只有下限要求，这样容易带来同一钢种屈服强度波动太大、材料屈强比过高等问题。为此日本JIS G3136标准对材料屈服强度规定了上下限，且限制材料屈强比不大于0．80，确保了材料在破坏前有足够的塑性变形能力，即提高了材料的抗震性。2000年我国制定的第一部高层建筑结构钢标准YB4104及2005年底颁布的建筑结构用钢板国家标准GB／T 19879也非等效采用了JIS G3136，对Q345级建筑钢的屈强比也要求不大于0．80。与此同时，国内外开展了不少关于低合金高强度钢(HSLA)屈强比的研究工作，而且通过TMCP手段目前已可以获得屈服强度440MPa级的低屈强比高强度结构钢(YR≤0．80)。

随着钢结构建筑朝着大型化方向发展，可大幅度提高焊接效率的单面埋弧焊、气电焊或电渣焊等大线能量焊接技术逐渐被普遍采用。这就给传统的低合金高强钢(HSLA)带来了新的课题，即焊接热影响区HAZ)的强度与韧性不可避免的发生恶化。因此，近年来国内外在传统HSLA钢基础上广泛开展了大线能量焊接用钢研究。通过在钢中形成特定的氧化物夹杂可以达到有效的细化组织和提高钢板强韧性的日的。但对于大线能量焊接钢研究而言，氧化物冶金的重要意义还在于如何通过生成适当的第二相质点来控制大线能量焊接后HAZ内的组织和晶粒大小。在HAZ中以第二相质点(如Ti₂O₃等)作为针状铁素体(AF)的形核核心，在原奥氏体晶粒内形成位向各异的细小针状铁素体。从而细化晶内组织，获得细小的亚晶结构，可以提高HAZ区韧性，同时抑制其强度下降，这已被国内外许多学者所认同。

为了积极合理地扩大钢结构在建筑中的应用以及发展新一代高性能建筑用钢材，满足我国建筑行业的需求，同时有效缩短工艺流程(控轧交货、无需热处理)，降低生产成本。本文开展了Q545级含Zr、Ti热轧低屈强比大线能量焊接建筑结构钢的研究工作。

2 研究方法

试验钢由50kg真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭。将钢锭加热到1230℃，保温2h后，在实验室小轧机上轧制成厚度为16mm的钢板，粗轧温度为1120℃，控制轧钢中间道次压下量，且最后道次压下量≥30％，终轧温度≥870℃，轧后在850～700℃两相区喷水加速冷却，冷却速度为10～15℃／s。

对热轧态钢板进行了常温拉伸试验和0℃夏比(V型)冲击试验，对热轧态钢板进行了金相和电镜组织观察试验。取纵向热轧态钢板加工成11×11×90mm试样，在GLEEBLE2000试验机上进行了峰值温度为1320℃，线能量为100kJ／cm的焊接热模拟试验，试样从800℃冷却到500℃的时间t_8/5为296s。对进行了常温拉伸试验、0℃夏比(V型)冲击试验和金相组织观察试验，并利用扫描电镜和透射电镜对HAZ断口和组织进行了观察分析。

3试验结果

3．1试验钢的力学性能

表1为热轧态钢板和100kJ／cm大线能量焊接热模拟HAZ常温拉伸和0℃扣击试验结果。从表1可见，热轧态钢板屈强比为0．75，远低于日前国内外通用标准所要求的0．80；具备较低的屈强比，且强韧性匹配良好；HAZ强度与热轧态钢板试验结果相比基本一致，可见经大线能量焊接热模拟后HAZ没有发生软化现象。而且0℃冲击试验结果最低84J，远高于设计要求(0℃冲击功Akv≥47J)。

3．2组织结构研究

3．2．1金相组织

　　热轧态钢板和HAZ金相组织和晶粒度检验结果见表2，组织评定按GB／T13299—1991《钢的显微组织评定方法》标准规定执行，晶粒度测定按GB6394—1986《金属平均晶粒度测定法(A)》标准规定执行。由表2的试验结果可见：热轧态钢板组织为铁素体珠光体组织，且其中相对低硬度相(铁素体相)占60％。这种强弱相匹配的双相组织结构使钢板在获得较好的强韧性匹配的同时，还得到较低的屈强比。HAZ组织为针状铁素体先共析铁素体珠光体混合组织，对比热轧态HAZ原奥氏体晶粒发生了较大程度的粗化，但晶内组织比较细小。3．2．2 HAZ断口扫描电镜组织

HAZ断口扫描电镜观察试验表明韧窝及断口解理面中存在大量细小颗粒状夹杂物(尺寸约为1～2μm)。夹杂物主要为Zr氧化物，同时还含有少量的Ti、Al、Si及Mn等，从能谱中明显可见夹杂物中Zr含量远高于Ti含量。

3．2．3 TEM精细组织

(1)热乱态钢板组织

细小铁素体组织的晶粒内部存在一定数量、大小不一、形态各异且具有一定位错密度的铁素体亚结构组织，分割了整个铁素体晶粒，构成在相对较软相中软强化的亚结构(因这种亚结构的铁素体组织位向比较杂乱，亚界面多，可有效阻止位错滑移，表现出高的变形抗力)。

珠光体组织的片层间距较小，约为100～300nm。这对以铁素体珠光体组织结构为主的钢的强度及韧性是很有利的。此外，该珠光体组织基本类似于由铁素体基体和在铁素体基体上沿着同一方向断续分布的渗碳体片条所组成的，明显不同于一般铁素体和连续渗碳体片条交替平行分布组成的珠光体。认为该现象与钢板控轧完毕并喷水适当加速冷却后，在700℃以下空冷时，发生了一定程度的自回火有关。这种类型的珠光体结构构成了一种在相对较软相中断续分布较强相的组织结构。上述热轧态钢板的铁素体和珠光体精细组织也有利于使材料在获得较高强度和韧性的同时具备较低的屈强比。

(2)HAZ组织

通过分析HAZ精细组织结构照片，发现围绕夹杂物分布着4个针状铁素体片条，其中夹杂物能谱分析结果与扫描电镜分析的基本一致，表明其主要为含有少量的Ti、Mn等的复合Zr氧化物夹杂。

4讨论

钢材的屈服行为受组织类型、晶粒尺寸、各相的体积分数、形态及位错密度等因素影响。为了获取较理想钢材的屈服强度及屈强比，关键在于如何控制其组织结构的各特性参数。材料的组织结构可以通过调整化学成分、合理的TMCP或热轧正火／回火热处理工艺等方式来获得。研究表明：在低硬度相中均匀分布体积分数约50％高硬度相，以及增大高硬度相与低硬度相之间的屈服强度之比，可以使材料获得较低的屈强比；对以铁素体组织为基体的钢板而言，细化晶粒可同时提高屈服强度和韧性，但其屈强比也随之增大。而如果增大热轧后加速冷却前的延迟时间，释放部分形变能，则铁素体形核率下降，其晶粒尺寸增大，可降低屈强比。此外，为获得低YR钢，铁素体中位错密度不能太高，因此应在确保较佳的韧性前提下控制高的轧钢温度。同时降低加速冷却时的冷却速度和水冷开始温度以获得固溶碳少的铁素体，并避免生成高强度的贝氏体组织。

控制轧制一般分为三个阶段。第一阶段，在奥氏体再结晶区控制轧制，即在奥氏体再结晶温度以上的温度范围(≥950℃)内进行轧制，使再结晶和变形交替进行，以细化奥氏体晶粒；第二阶段，在奥氏体未再结晶区控制轧制，即在奥氏体再结晶开始温度到A_r3以上进行轧制，其目的是使奥氏体晶粒拉长。同时在晶内形成大量变形带，增加奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，获得极其细小的铁素体晶粒，以提高钢的韧性；第三阶段，在奥氏体和铁素体两相区控制轧制，即在奥氏体和铁素体两相区温度范剖内(A_r3以下)进行轧制，此阶段伴随着加工硬化和珠光体析出的硬化而提高了钢的强度，但降低韧性—脆性转变温度，同时由于组织产生了织构(择优取向)。板厚方向的强度和冲击韧性都会降低。

本研究试验钢在轧制时控制最后道次压下量≥30％和终轧温度≥870℃，并在850～700℃两相区进行适当喷水加速冷却，冷却速度为10～15℃／s，获得了强韧性匹配良好，同时具有较低屈强比的组织结构。终轧温度≥870℃，对本研究钢而言，属单相奥氏体未再结晶区轧制。采用最后道次大压下，可以有效积累大变形，其目的是使奥氏体晶粒拉长。同时在晶内形成大量变形带，增加奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，而喷水加速冷却时钢板过冷度大，可促进铁素体相变并阻止相变过程中铁素体晶粒过度长大。在原奥氏体晶粒内部形成一定数量的块状和片状铁素体(位向较杂乱的亚结构)，同时还可阻止珠光体组织粗化，获得细小的铁素体和珠光体组织，并最终使铁素体组织体积分数占全部组织的约60％这种相对较软相(铁素体组织——可以获得较低的屈服强度)和较强相(晶内块状和片状铁素体及珠光体组织——可以获得较高的抗拉强度)的合理比例及分布使材料获得了理想的使用性能。

目前为止，虽然对提高HAZ强韧性开展了大量的研究，但不同的研究者对于具体研究的钢种中所采取的合金化手段不尽相同，对于AF相变的机制还存在着不同的解释。HAZ按焊接过程中受热温度高低可细分为粗晶超临界区(粗晶区)、细晶超临界区(细晶区)、临界区及亚临界区四个部分。一般对HAZ强韧性的研究仅针对强韧性易发生恶化的粗晶区。

本研究钢种采用Zr、Ti复合微合金化，在1320℃的模拟焊接峰值温度下，经100kJ／cm大线能量焊接热模拟后，HAZ中心部分都属于组织和性能发生最大恶化的粗晶区，但实际得到的HAZ和热轧态钢板相比仍具有良好的综合性能。主要原因在于在HAZ中形成大量细小颗粒状、含少量Ti、Si、Mn等复合Zr氧化物夹杂为形核核心的针状铁素体，对HAZ铁素体组织进行了二次细化，有利于提高强韧性。Zr、Ti与氧的亲和力接近，高温下ZrO₂与Ti₂O₃在钢中的标准形成自由能相差不大，但由于劢密度比Ti大得多，相应的Zr氧化物也比Ti氧化物比重大。在钢水中上浮速度小，且Zr、Ti形成的所有氧化物都含有大量的阳离子空位，从周围选择吸附如Si、Mn等元素，而比重大的Zr氧化物吸附了Mn、Si等成为复合氧化物后上浮速度就更小。因此，在与含量相近的Zr、Ti复合微合金化时，钢中第二相夹杂主要为吸附Si、Mn等的Zr氧化物复-合夹杂，且Zr氧化物复合夹杂尺寸较大，这与文献报导一致。相应的在热模拟焊接后的HAZ中，作为针状铁素体形核核心也基本吸附了Mn、Si等Zr氧化物复合夹杂。