基于焊接热模拟的工程机械用高强钢热影响区组织和力学性能研究

作者:王青春;张文金;陈佳;陈宝; 刊名:热加工工艺 上传者:徐燕

【摘要】以工程机械用高强钢Q890为研究对象,采用Gleeble-3800焊接热模拟试验机分别进行了不同t_(8/5)和峰值温度条件下的热模拟试验,并对热模拟试样的显微组织进行了观察,对冲击性能、硬度等力学性能进行了检测。结果表明,随着t_(8/5)的延长,热影响区粗晶区组织逐渐由板条马氏体转变为板条贝氏体、粒状贝氏体,原始奥氏体晶粒逐渐长大;冲击功先升高后降低,t_(8/5)为10 s时冲击性能最差,t_(8/5)为30 s时冲击性能最佳;硬度值逐渐降低,但降低幅度减小。模拟的热影响区粗晶区组织为粗大的板条马氏体,细晶区为细小贝氏体+板条马氏体混合组织,临界区为细小贝氏体组织和回火贝氏体的不均匀组织。随着峰值温度提高,冲击功和硬度值均是先升高后略有降低,峰值温度为950℃时冲击性能最佳,硬度最高。

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工程机械是各种用于工程建设的施工机械的总称,广泛用于各种建筑、水利、电力、矿山工程等行业[1]。轻量化是当前工程机械化发展的主要方向,是通过优化结构设计、材料选择及加工方法等手段,使设备质量减轻,以达到提高机械性能、节能减排、降低成本等目的的技术[2]。在机械设备设计和制造中,采用高强度钢材替代低强度钢材是实现机械设备轻量化的主要途径,在提高机械载荷、使用寿命和安全性能的同时,能大大减少钢材用量、降低自重[3]。传统的工程机械高强钢主要为低碳调质钢,此类钢通常具有较高的合金元素含量,主要通过热处理进行强化,在焊接过程中容易产生冷裂纹、热影响区软化及脆化等问题[4]。随着控轧控冷(Thermo-mechanicalcontrolledprocessing,TMCP)技术的不断成熟,越来越多的高强度钢也采用TMCP工艺生产[5]。Q890钢是一种新开发成功的TMCP型工程机械用高强钢,通过微合金化技术,采用TMCP+回火工艺生产,具有强度高、碳当量低、低温韧性好等特点[6]。热影响区是焊接接头的最薄弱环节,如果由于焊接工艺参数选择不当造成热影响区性能严重恶化,势必会影响钢材的使用[7]。因此很有必要对Q890在焊接过程中热影响区组织性能的变化规律进行研究。本文以Q890新型工程机械用高强钢为研究对象,基于Gleeble-3800焊接热模拟试验机,研究了不同t8/5及峰值温度条件下热影响区组织和性能的变化规律,为Q890钢焊接工艺的制订提供了依据。1试验材料及方法试验材料为Q890低合金高强钢板,厚25mm,供货状态为TMCP+回火,组织主要为回火贝氏体,如图1所示。试验材料的化学成分和力学性能分别如表1、2所示。使用Fomastor-F相变仪测得其Ac1温度为720,Ac3温度为870。焊接热模拟试样的尺寸为80mm11mm11mm,取自试验钢表面向下2mm处,试样的长度方向为轧向。采用Gleeble3800热模拟机对不同t8/5条件下的热影响区粗晶区进行模拟,峰值温度为1350,t8/5分别选用10、30、60s;首先将热模拟试样以100/s加热至峰值温度,保温3s后,再用对应的t8/5冷却速度分别冷却至室温。采用不同峰值温度对热影响区进行模拟,设定t8/5为30s,峰值温度分别为1350、950、800,分别对应HAZ粗晶区、细晶区、临界热影响区。根据GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》的要求,将热模拟后的试样加工成标准冲击试样,缺口开在厚度方向,试样如图2所示。采用JB-300C摆锤冲击试验机检测冲击韧性,试验温度为-20。将热模拟试样依次采用不同型号的砂纸磨平,然后采用25m的金刚石型抛光剂机械抛光,最后用3%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,采用OLYMPUSGX71光学显微镜对其金相组织进行观察;采用HVS-10型维氏硬度计对硬度进行检测,加载载荷为10kg,载荷持续时间为10s。2试验结果及分析2.1不同t8/5条件的粗晶区组织和性能图3为不同t8/5条件的热影响区粗晶区显微组织。由于模拟的峰值温度为1350,大大高于Ac3温度,母材组织经历了完全奥氏体化,由于过热奥氏体晶粒发生粗化,并最终冷却形成粗大组织。对原始奥氏体平均晶粒尺寸进行统计,结果如图4所示。由图可以看出,当t8/5为10s时,粗晶区组织为板条马氏体,原奥氏体晶界明显,晶内由一个或者多个板条束构成,此时晶粒尺寸在25m左右;随着t8/5时间延长至30s时,原始奥氏体晶粒发生长大,平均晶粒尺寸为40m左右,马氏体板条有所粗化,部分板条马氏体转变为板条状贝氏体,此时粗晶区

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