武鳳娟 程丙貴 曲錦波

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

鋼橋在橋梁建設中越來越重要，橋梁長度不斷增加，主跨從武漢長江大橋的128 m增長到了滬通長江大橋的1 092 m。鋼橋的鋼材用量不斷增長，承受的載荷不斷提高，因此，對橋梁用鋼的性能必然提出了更高的要求。從橋梁用鋼來看，先后經(jīng)歷了A3q、16Mnq、15MnVN、14MnNb、Q420q和Q500q[1]，其中Q500qE鋼被譽為我國第6代大跨度鐵路橋梁鋼，引領著我國大跨度鐵路橋梁鋼的發(fā)展方向。

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，橋梁建設規(guī)模越來越大，焊接結構呈現(xiàn)大型化、厚壁化、高強化的發(fā)展趨勢。鋼板厚度大、強度高，焊接缺陷如微裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等更易發(fā)生，韌性也明顯降低[2]。焊接結構的失效大都是由母材或焊接接頭韌性不足造成的[3]。隨著焊接結構向深水冰冷海域方向發(fā)展，對橋梁鋼焊接接頭的低溫斷裂韌性研究具有重要的工程意義。本文采用低碳多元微合金化成分設計，配合適當控軋控冷(TMCP)工藝，試制了60 mm厚的Q500qE橋梁鋼板。使用自動埋弧焊技術對鋼板進行雙面多層多道次對接焊試驗，并采用裂紋尖端張開位移(crack tip open displacement,CTOD)[4-5]試驗研究了焊接接頭各部位的低溫斷裂韌性，分析了焊接接頭的顯微組織，研究了其低溫斷裂行為。

1 試驗材料與方法

試驗鋼Q500qE經(jīng)過鐵水預脫S處理、180 t轉爐煉鋼、鋼包精煉(LF)、RH法真空脫氣等工業(yè)生產(chǎn)過程，連鑄成320 mm厚板坯。采用低C、中等含量Mn、Nb+Ti微合金化和復合添加Cr、Ni、Mo的成分設計，并對鋼中的有害元素P、S進行上限控制，以提高鋼的純凈度，改善鋼的韌性。連鑄坯的化學成分如表1所示。將板坯加熱到1 200 ℃，保溫2 h，然后在配備5 000 mm四輥可逆軋機和多功能加速冷卻系統(tǒng)(multi-purpose interrupted cooling,MULPIC)的工業(yè)生產(chǎn)線上進行軋制。粗軋開軋溫度為1 030 ℃，總壓下率為44%。精軋開軋溫度為820 ℃，終軋溫度為825 ℃，總壓下率為66%,軋成規(guī)格為11 827 mm×2 575 mm×60 mm厚板。軋后鋼板進入MULPIC系統(tǒng)經(jīng)層流冷卻水冷卻至360 ℃左右，冷卻速率約8.5 ℃/s，最后空冷至室溫。

表1 Q500qE橋梁鋼板的化學成分(質量分數(shù))

使用美國林肯埋弧自動焊機(LINCOLN Power Wave DC 1000)進行焊接試驗。焊接對接試板規(guī)格為1 000 mm×200 mm×60 mm(長×寬×厚)，長度方向為鋼板的軋制方向。使用引弧板和收弧板，焊接時免預熱。使用瑞典伊薩φ4.0 mm的OK Autrod 13.27藥芯焊絲和OK Flux 10.62焊劑。焊接過程中嚴格控制焊接參數(shù)和焊縫金屬層間溫度，防止焊縫金屬過熱。自動焊接對接極性為直流反極性(direct current reverse polarity,DCRP)，熱輸入量E為50 kJ/cm。

在Q500qE鋼焊接接頭處分別取母材、焊縫金屬和熱影響粗晶區(qū)的CTOD試樣。依據(jù)BS 7448標準制備帶有預制疲勞裂紋的標準3點彎曲試樣，試樣為貫穿厚度缺口試樣，試樣厚度B和寬度W均為78 mm，長度L為560 mm，缺口開啟位置如圖1所示。沿厚度方向線切割加工機械缺口，并利用MTS311-1000 kN電液伺服疲勞試驗機在缺口根部預制長約3 mm疲勞裂紋，以模擬實際橋梁結構中存在的初始尖銳裂紋。預制裂紋時，采用應力比(R)為0.1的正弦波形，頻率(f)為6 Hz，最大加載力為140 kN。試樣分別經(jīng)(-10±2)℃、(-40±2)℃酒精-液氮溶液保溫不少于80 min后(試驗溫度為20 ℃的試樣無需保溫，直接加載)，在帶有低溫箱的WYE-1000 kN自動壓力試驗機上進行低溫CTOD試驗，試驗溫度分別為20、-10、-40 ℃，加載速率為2 mm/min，一次加載至試樣失穩(wěn)或斷裂，并記錄加載載荷F和裂紋嘴處的張開位移V。試樣卸載后經(jīng)液氮冷卻，然后快速壓斷。沿試樣厚度方向在等間隔的9個點測量初始裂紋長度ai(i=1, 2, 3,…, 9)。按式(1)計算平均裂紋長度a0，按式(2)計算各試樣的CTOD特征值(δ)。

圖1 焊接接頭CTOD試樣取樣示意圖

(1)

(2)

式中：泊松比μ=0.3；彈性模量E=2.06×105MPa；試樣跨距S=312 mm；Rp0.2為試驗溫度下材料的屈服強度，MPa；Vp為F-V曲線上對應的最大載荷時的夾式引伸計塑性張開位移，mm；f(a0/W)為試樣的幾何形狀因子，根據(jù)a0/W數(shù)值在BS7448標準中直接查表獲得；Z為測定缺口張開位移的引伸計裝卡裝置與試樣表面的距離，Z=0。

試樣經(jīng)砂紙研磨、拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用EVO18型掃描電鏡觀察斷口形貌和焊接接頭各區(qū)顯微組織。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織

Q500qE鋼母材的顯微組織見圖2(a)，主要由細密針狀鐵素體(AF)和多邊形鐵素體(PF)組成，這種細晶鐵素體的大角度晶界能增加裂紋發(fā)生及擴展的阻力，有利于鋼板低溫韌性的提高。

焊縫金屬主要由針狀鐵素體(AF)、晶界鐵素體(GBF)構成，如圖2(b)所示。GBF是焊縫金屬發(fā)生固態(tài)相變時首先在奧氏體晶界析出的組織，由于裂紋易經(jīng)GBF網(wǎng)擴展，因此GBF的抗裂紋擴展性能較差。AF是一種熱力學非平衡組織，它的生成是通過形核和生長反應在奧氏體內(nèi)部進行。AF的晶粒細小、位錯密度較高，能顯著改善焊接接頭的韌性和延展性。由材料學理論可知，焊縫金屬中AF和GBF組織所占比例對焊縫金屬的韌性具有顯著影響[6]。

如圖2(c)所示，焊接熱影響區(qū)主要由粒狀貝氏體(GB)和少量PF構成，GB原奧氏體粗大晶界清晰可見，內(nèi)部分布著大量長條狀或顆粒狀馬氏體-奧氏體組元(M/A)。大尺寸M/A組元容易引起位錯塞積，產(chǎn)生微觀應力場，為微裂紋的萌生提供條件，這對材料的韌性有極大損傷[7]。隨著熱輸入的升高，GB數(shù)量增多，原奧氏體晶粒尺寸增大。由于每一個粗大的GB具有相近的晶粒取向，原奧氏體晶界為GB的有效晶界，晶內(nèi)含有大量的亞晶界，這樣的組織會惡化熱影響區(qū)的沖擊韌性[8]。

圖2 Q500qE鋼焊接接頭不同部位的顯微組織

2.2 CTOD特征值及F-V曲線

母材、焊縫金屬區(qū)和熱影響區(qū)的CTOD試驗結果如表2所示。δc是指穩(wěn)定裂紋擴展量小于0.2 mm的脆性失穩(wěn)斷裂點所對應的CTOD值，又稱為脆性啟裂CTOD值[9]；δu是指穩(wěn)定裂紋擴展量大于0.2 mm的脆性失穩(wěn)點所對應的CTOD值[10]；δm是指最大載荷點所對應的CTOD值。脆性穩(wěn)定失穩(wěn)(δu)，即載荷超過屈服后非線性上升，并在上升過程中試樣脆斷；韌性失穩(wěn)(δm)，即載荷超過屈服后非線性上升至最大值，后非線性下降，試樣仍能承載。試樣加載載荷F與裂紋嘴處的張開位移V之間的F-V曲線如圖3所示，試樣的破壞形式如圖4所示。

表2 不同溫度下焊接接頭不同部位的斷裂韌性CTOD特征值

從表2和圖3可見，隨著試驗溫度的降低，CTOD特征值明顯降低，F(xiàn)-V曲線逐漸縮短，表明Q500qE橋梁鋼母材、焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)的韌性和塑性隨溫度降低而下降。在20 ℃時，試樣在載荷達到最大時仍未斷裂，表明裂紋擴展緩慢，為延性擴展，裂紋擴展之前裂紋尖端發(fā)生很大變形，如圖4(a)所示；在-10 ℃時，F(xiàn)-V曲線縮短，試樣在未達到最大載荷時發(fā)生斷裂，在加載初期裂紋能部分延性擴展，裂紋擴展之前裂紋尖端出現(xiàn)少量變形，如圖4(b)所示；-40 ℃時CTOD特征值最低，F(xiàn)-V曲線最短，試樣在載荷未達到屈服之前的彈性階段即發(fā)生斷裂，斷裂瞬間發(fā)生，裂紋在擴展之前裂紋尖端幾乎無塑性變形，如圖4(c)所示。-40 ℃時的脆性失穩(wěn)CTOD值δc為母材的最大，焊縫金屬的次之，熱影響區(qū)的最小。熱影響區(qū)的CTOD特征值受溫度影響比較明顯，-40 ℃的CTOD值δc僅為0.067 mm，表明焊接接頭熱影響區(qū)的低溫斷裂韌性較差。

圖3 不同溫度下母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)CTOD試樣的F-V曲線

圖4 不同破壞形式試樣

2.3 斷口形貌

圖5分別為母材、焊縫金屬區(qū)、熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口宏觀形貌。機械切割區(qū)和預制裂紋區(qū)在試驗前已形成，緊挨預制裂紋的銀白色窄帶即為裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)，由圖5可見，每個斷口都存在裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)。在同一試驗溫度下，熱影響區(qū)CTOD試樣的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)最窄。母材、焊縫金屬區(qū)試樣的纖維斷裂區(qū)較明顯，韌性失穩(wěn)時，較大的塑性變形使試樣斷口形成的裂紋擴展面以纖維區(qū)為主，如圖5(a)所示，表明裂紋擴展緩慢，顯示出更好的韌性。熱影響區(qū)試樣斷口平整，幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)，脆性穩(wěn)定失穩(wěn)時，由于試樣在載荷上升中發(fā)生了脆性斷裂，載荷急劇下降，在試樣斷口上一般可以觀察到面積較大的脆性斷裂區(qū)。在圖5(i)中幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)，脆斷特征明顯。在同一試驗位置,隨試驗溫度的降低試樣的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)變窄，試樣斷裂時的塑性變形不斷減小直至消失，兩側的剪切區(qū)也越來越不明顯。這與表2中的CTOD特征值隨試驗溫度的降低而減小相對應。

圖5 不同溫度下母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口宏觀形貌

圖6為熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口微觀形貌。在掃描電鏡下，灰色帶狀區(qū)域為裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)，如圖6(a～c)所示。隨著試驗溫度的降低，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)變窄，當溫度降至-40 ℃時，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)不明顯。將圖6(c)放大后如圖6(d)所示，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)最寬處約有20 μm。圖6(e)為-10℃時裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)斷口形貌，為撕裂韌窩形態(tài)，韌窩被拉長，呈拋物線形，拋物線開口的方向指向撕裂應力作用的方向。如圖6所示，隨著試驗溫度的降低，纖維斷裂區(qū)縮小，在20 ℃時纖維斷裂區(qū)最寬處約3.8 mm，-10 ℃時最寬處約2 mm，當溫度降低至-40 ℃時，最寬處約30 μm。圖6(f)為-10 ℃時纖維斷裂區(qū)斷口形貌，可見纖維斷裂區(qū)遍布大小不一的等軸韌窩，為微孔聚合型斷裂。

圖6 不同溫度下熱影響區(qū)CTOD試樣的斷口微觀形貌

圖7為焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時的脆性斷裂區(qū)微觀形貌，是典型的解理斷裂斷口特征形貌——扇形花樣。扇形花樣是裂紋從晶界或晶界附近起始、向外成扇形擴展，發(fā)生穿晶斷裂的一種形貌特征，其外觀類似扇形或羽毛狀。解理斷裂區(qū)宏觀上沒有明顯的塑性變形，在陽光下轉動時可觀察到反光的小刻面，屬于脆性斷裂。解理斷裂是金屬在正應力作用下，由于原子結合鍵破壞而造成的沿一定晶體學平面(解理面)快速分開的過程,解理面通常是表面能量最小的晶面。在脆性解理斷裂時，試樣發(fā)生穿晶斷裂，裂紋穿過晶粒時不改變方向，大角度晶界阻礙裂紋擴展，使裂紋擴展路徑發(fā)生改變。因此每一個解理斷裂面對應一個有效晶粒尺寸，斷面上突出的白色撕裂棱代表可有效阻礙裂紋擴展的大角度晶界，解理斷裂的斷口形貌與試樣顯微組織形貌基本相同。每一個解理面大小代表一個原始奧氏體晶粒大小。焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時的脆性斷裂區(qū)微觀形貌與圖2中的焊接接頭微觀組織及-40 ℃時的CTOD特征值相對應。如圖7(a)所示，母材試樣解理面相對較小，斷面上突出的白色撕裂棱較多，阻礙裂紋擴展能力強，為脆性穩(wěn)定失穩(wěn)。如圖7(b)所示，焊縫金屬試樣存在較大解理面，解理面大小與焊縫金屬組織中GBF相對應，GBF的抗裂紋擴展的性能較差，裂紋易經(jīng)GBF網(wǎng)擴展，為脆性啟裂CTOD值。如圖7(c)所示，熱影響區(qū)試樣斷口存在較大解理面，焊接過程的熱循環(huán)使得焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸增大。原奧氏體晶界為GB的有效晶界，晶內(nèi)含有大量的亞晶界，由于每一個粗大的GB具有相近的晶粒取向，這樣的組織會惡化熱影響區(qū)的低溫韌性。-40 ℃時的脆性啟裂CTOD值δc僅為0.067 mm。由此可見，焊縫金屬及熱影響區(qū)為焊接接頭薄弱區(qū)域，需通過降低焊接熱輸入量或加入抑制晶粒長大的合金元素來減少焊縫金屬組織中GBF的含量并控制GBF晶粒尺寸，以及減小焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸，從而提高焊接接頭的低溫韌性。

圖7 焊接接頭不同部位CTOD試樣在-40 ℃時的脆性斷裂區(qū)微觀形貌

3 結論

(1)隨著試驗溫度的降低，Q500qE橋梁鋼焊接接頭母材、焊縫金屬區(qū)及熱影響區(qū)COTD試樣的韌性和塑性均下降，斷裂韌性CTOD特征值明顯降低，F(xiàn)-V曲線逐漸縮短。

(2)隨著溫度的降低，焊接接頭同一部位CTOD試樣的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)變窄，試樣斷裂時的塑性變形不斷減小直至消失，兩側剪切區(qū)也越來越不明顯。在同一試驗溫度下，母材試樣的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)較寬，纖維斷裂區(qū)較明顯，裂紋擴展緩慢；熱影響區(qū)試樣的裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)最窄，試樣斷口平整，幾乎觀察不到纖維區(qū)，主要為脆斷區(qū)。在-40 ℃時，熱影響區(qū)試樣裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)最寬處約為20 μm，纖維斷裂區(qū)最寬處約30 μm。

(3)母材試樣脆性斷裂區(qū)解理面相對較小，斷面上突出的白色撕裂棱較多，抗裂紋擴展性能好，為脆性穩(wěn)定失穩(wěn)。焊縫金屬試樣存在較大解理面，解理面大小與焊縫金屬組織中晶界鐵素體(GBF)相對應，GBF的抗裂紋擴展性能較差，裂紋易經(jīng)先共析鐵素體網(wǎng)擴展，為脆性啟裂CTOD值。熱影響區(qū)試樣斷口存在較大解理面，焊接的大輸入量熱循環(huán)使得焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸增大，從而惡化了熱影響區(qū)的低溫韌性。