1200MPa高强耐磨钢焊缝显微组织及冲击韧性的研究

摘要： 在不预热条件下，采用熔化极气体保护焊（GMAW）对1 200 MPa高强耐磨钢进行多层多道焊工艺性试验，并对试样进行夏比冲击试验，利用金相显微镜及扫描电子显微镜（SEM）研究焊缝组织形态与断口形貌，并通过对冲击断口的形貌分析研究其断裂机制。试验结果表明：焊缝组织主要由细小的针状铁素体组织和粗大的先共析铁素体组织构成，随焊接热输入增大，先共析铁素体所占比例增大，针状铁素体比例减小，由此导致焊缝冲击韧性下降；不同温度下的冲击试验表明，焊缝冲击吸收能量均高于母材，结合断口形貌分析，焊接接头的焊缝区表现出良好的冲击韧性。

关键词： 高强耐磨钢；焊缝组织；冲击韧性

中图分类号： TG457.11

Abstract： 1 200 MPa highstrength wearresistant steel was welded by gas metal arc welding （GMAW） with different heat input without preheating，and Charpy impact test was done on samples. Microstructure of weld metal and fracture morphology were investigated by means of optical microscopy and scanning electron microscopy （SEM）. The test results indicate that the weld metal is composed of acicular ferrite （AF） and proeutectoid ferrite （PF）. With the increasing of heat input， the percentage of acicular ferrite decreases while the percentage of proeutectoid ferrite increases， consequently， the impact toughness of welding joint declines. Impact test at different temperature shows that the impact toughness of weld metal is much higher than base metal.

Key words： highstrength wearresistant steel； microstructure of weld metal； impact toughness

0前言

高强耐磨钢具有高韧性，高强度等特性，符合现代钢结构发展的高性能、低成本、低自重的要求[1]。实践表明，生产中的焊接加工是影响高强度钢结构质量的关键，是生产工艺中面临的主要问题，而且低合金高强钢焊接接头的韧性历来都是焊接结构使用性能的主要指标，尤其对1 200 MPa级以上的低合金高强耐磨钢的结构，如何提高焊接接头的韧性就更显得非常重要，它关系到产品构件在服役期间的稳定性和安全性[2]。

现代工程机械用钢的强度正在逐步向1000MPa以上级别迈进，为了降低焊接接头的冷裂倾向和淬硬倾向，提高焊接接头的韧性，母材与焊材的“低强匹配”广泛应用于低合金高强耐磨钢的焊接中[3，4]。因此，焊缝极有可能成为焊接接头的薄弱环节，其冲击韧性以及断裂机制的研究也就显得尤为重要。

本文采用GMAW方法对1 200 MPa高强耐磨钢进行多层多道焊接工艺性试验及夏比冲击试验，并利用金相显微镜和SEM扫描电镜观察显微组织及冲击断口形貌，分析了该1 200 MPa高强耐磨钢GMAW焊接接头焊缝显微组织分布，冲击吸收能量变化以及断口形貌。并以此研究1 200 MPa高强耐磨钢的冲击韧性与断裂机制。试验结果为合理选择焊接工艺参数，得到足够强度韧性的焊接接头，提供了重要的试验及理论依据。

1试验材料及方法

焊接工艺性试验所采用母材为1 200 MPa高强耐磨钢，化学成分如表1所示，抗拉强度为1 200 MPa，出货状态为淬火+回火；所用焊丝抗拉强度为500 MPa，化学成分如表2所示，焊丝直径为1.2 mm。焊接试板尺寸为 300 mm×150 mm×12 mm，采用铣边机加工 V 形坡口，坡口角度为 225°，装配间隙为 8 mm。焊前不预热，采用GMAW焊接方法进行多层多道焊，保护气体为100%CO2 ，采用不同焊接热输入（9.7和15.5 kJ/cm）进行试验，具体试验工艺参数如表3所示。

试板焊好以后经锯割成金相试样，经打磨，抛光和2%硝酸酒精溶液腐蚀20～25 s后用XJP-6A金相显微镜和日立SEM6610扫描电镜观察焊缝显微组织；按照GB/T2650―2008进行V形缺口夏比冲击试验，冲击试验温度为-20 ℃和-40 ℃。采用日立SU-70热场发射扫描电镜观察断口形貌。

2试验结果及分析

2.1焊缝微观组织

在光学显微镜下观察两种不同焊接热输入下的焊缝显微组织，如图1所示。

两种焊接热输入下，焊接接头焊缝区组织均主要由针状铁素体（AF）和先共析铁素体（PF）组成。当焊接热输入为9.7 kJ/cm时，焊缝区针状铁素体晶粒细小，所占比例较高，先共析铁素体呈条状分布，只有极少量侧板条铁素体（FSP）存在（图1a）。当焊接热输入增大到15.5 kJ/cm时，针状铁素体晶粒开始长大，占焊缝组织比例明显减小，先共析铁素体粗化，部分呈块状分布，比例迅速增大，并且粗化的侧板条铁素体也开始增多（图1b）。

焊缝组织中针状铁素体及先共析铁素体晶粒的长大与分布比例变化均是由焊接热输入增大引起。焊接热输入的增大使得焊缝金属在高温区停留时间延长，冷却速度减慢，有利于先共析铁素体的长大，先共析铁素体长大并聚合后呈块状分布。针状铁素体组织多形核于奥氏体晶粒内的夹杂物上，其晶粒细小均匀，晶粒边界交角大，强度和韧性均较高，且为连锁结构，能很好地阻止裂纹的扩展，而先共析铁素体（特别是块状分布的先共析铁素体）由于晶粒粗大，裂纹扩展时改变方向的次数少，阻力小。因此先共析铁素体对裂纹的阻碍作用远远低于针状铁素体。因此先共析铁素体比例的增大将会降低焊缝组织的冲击韧性。

[5]杜宝帅，张忠文，李新梅，等. 细晶Q420低合金高强钢焊接接头组织性能研究[J]. 热加工工艺，2011， 40（13）： 115-117， 122.

[6]尹士科，喻萍，王移山. 焊接接头的抗动载断裂特性[J]. 机械制造文摘―焊接分册，2014（6）： 1-6.

[7]蒋庆磊. 800 MPa高强钢GMAW接头组织性能及精细结构研究[D]. 济南：山东大学， 2011.

收稿日期： 2015-02-04

管彦朋简介： 1989年出生，硕士研究生，主要从事低合金高强钢焊接研究，已2篇。

Q235钢力学性能非线性超声测量技术研究

王晓林1，苑美实1，房金秋1，李栋山2 （1. 黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030； 2.北京日泰科技有限公司，北京 100012）

摘要： 广泛采用的Q235钢在服役过程中力学性能持续改变，结构可靠性发生变化。研制针对Q235钢力学性能的在线无损测量方法，对在役结构可靠性评估具有重要意义。研究了运用非线性超声技术在线测量Q235钢力学性能的可行性，考察了非线性超声测试数据的可重复性以及非线性因子与力学参量的相关性。结果显示，Q235钢的超声非线性因子与压缩比之间存在二次多项式相关性，与塑性应变之间存在线性对应关系。

关键词： 非线性超声； 力学性能； Q235

中图分类号： TG442

Measuring mechanical properties of Q235 steel by nonlinear ultrasound

Wang Xiaolin1， Yuan Meishi1，Fang Jinqiu1， Li Dongshan2

（1. Heilongjiang Electric Power Research Institute， Harbin 150030， China； 2. Beijing Suntesting

Technology Company Limited， Beijing 100012， China）

Abstract： The mechanical properties of widely used Q235 steel continue changing by environmental stress during its service， which may undermine the reliability of structure. Developing nondestructive measuring method for its mechanical properties is valuable to the structural reliability assessment. In the present paper， the feasibility of nondestructive measuring the mechanical properties of Q235 steel was studied by nonlinear ultrasonic technology， the precision of nonlinear factor measurement and the correlation of nonlinear factor with mechanical parameters were also investigated. The results show that there exists polynomial correlation of ultrasonic nonlinear factor with the compression ratio of Q235 steel and linear correlation between ultrasonic nonlinear factor and plastic strain.

Key words： nonlinear ultrasound； mechanical properties； Q235

0前言

结构材料的力学性能无损测量技术在提高产品质量和在役结构力学可靠性预测精度方面具有重要价值，是一直以来的研究热点[1]。当前，广义的材料力学性能无损测量技术包括两种类型，即微损法及无损法。微损法包括微小试样法、循环硬度法和压痕法等方法，此类方法仅对构件材料的局部微小表面形成损伤，通常不会对结构整体性能产生显著影响，但是由于测试范围仅限于材料的局部微小表面，测量值与构件整体性能相差较大。无损法主要包括非线性超声波测量法、涡流法、巴克豪森法和金属磁记忆法等，这些方法在对构件的力学性能进行测量的过程中完全不会对构件材料产生损伤，测量值能够反映构件整体的力学性能，近期得到了广泛的关注[2]。在无损检测方法中，非线性超声测量法较为成熟，测量结果更为接近实际情况[3-4]。本文采用非线性超声技术对广泛应用于建筑及工程结构的Q235钢的力学性能进行测试研究，探索该技术的可行性。

1非线性二次因子β测算基本理论

对于非线性声波，应力应变具有如下关系[5]： σ=Aε+12Bε2+… （1）式中σ――应力；

ε――应变，即位移梯度u/x；

A――二次项系数；

B――u/x中的三次项系数。

忽略体积力，一个固体单元的运动方程可以表示如下：

ρ2ut2=σx （2）

式中ρ――材料的密度；

x――声波的传播距离；

u――在x方向的位移。

对于在一维方向传播的纵波（u=A1sinωt，A1是振幅，ω是角频率），通过各向同性材料时，应变与位移存在如下关系：ε（x，t）=u（x，t）/x。

将式（1）代入式（2）得： ρ2ut2=A2ut2+Bux2ut2 （3）假设方程（3）存在一个摄动解，经过两次迭代后，该摄动解变为： u（x，t）=A1sin（kx-ωt）-1B8Ak2A21x cos[2（kx-ωt）]+… （4）式中k――波数。

二次谐波振幅A2可表示为： A2=18BA A21k2x（5）在式5中，（B/A）项代表非线性系数β，经变形后，

β=8k2x A2A21 （6）

因此，一种材料的因子可以通过测量材料的基波振幅和二次谐波的振幅后计算获得[3， 4]。

2试验材料及方法

2.1试件准备

将厚度为50 mm的经过退火处理的Q235钢板进行冷轧，分别获得50 mm、45 mm、40 mm、35 mm、30 mm和25 mm六种厚度钢板。参照《GB/T 7314 ――2005金属材料 室温压缩试验方法》每种厚度钢板取5个标准压缩试样，所有压缩试样具有相同的尺寸，即10 mm×25 mm，试样轴线平行于钢板厚度方向。通过测定每种厚度试样的屈服点，可以确定不同厚度钢板的塑性变形程度。

本文采用压缩试验而非拉伸试验方法主要基于以下考虑：①压缩试验曲线更接近真实应力应变曲线；②避免对单一试样在拉伸过程中因厚度、表面状态、几何形状等的变化对超声测量带来额外的误差；③对承压结构塑性变形状态的评估更具实际意义。本文将经冷轧后钢板厚度的减少量与钢板原始厚度的比值定义为压缩比，用百分数表示。

2.2β因子测算

非线性超声测试系统配置如图1所示，超声信号的发生、控制、采集及处理均采用Ritec公司生产的RAM-5000 SNAP非线性高能超声测试系统进行。试验采用5 MHz单频直探头发射5个周期以上长度的连续超声波，采用中心频率为10 MHz的宽频直探头接收二次谐波信号，通过数字示波器和电脑显示和记录一次和二次谐波信号幅值，再根据公式（6）计算二次因子β。为了避免电力转换带来的不便，本文直接对β因子进行归一化处理，结果以归一化β因子给出。

图1Q235钢屈服强度非线性超声波测试系统示意图

2.3试验次序

首先对每种厚度钢板进行5次β因子测试，然后将对应不同厚度的压缩试样在万能试验机上上进行压缩试验，最后进行数据分析与处理。

3试验结果分析

图2为对10%压缩比的试样进行非线性超声波测试获得的超声波信号频谱图。图中非常清楚地显示了二次谐波信号，但二次谐波信号的幅值很小，极易受到杂波信号的干扰。Ritec SNAP 5000系统具有超强的信号处理功能，对同一种试样进行反复测试，获得的β因子的相对误差均小于1%，具有很好的测量精度。

图3给出了压缩比从0%增加到50%时，Q235钢的压缩比与归一化β因子的对应关系。图中显示，在Q235钢几乎没发生机械形变的条件下，当有限振幅超声波穿过材料时也会产生二次谐波振幅，表明了二次

图2 非线性超声波信号频谱图图3归一化β因子与压缩比之间的关系曲线

Q235钢板在冷轧过程中发生冷作硬化，随着压缩比的增大，屈服点提高。反过来依据每种厚度钢板获得的屈服强度，就可以通过Q235真应力-真应变曲线确定每种厚度钢板发生的塑性应变。图4显示塑性应

图4塑性应变与归一化β因子之间的关系变与归一化β因子之间存在线性对应关系的可能性非常大，采用线性拟合，相关性系数达到0.996以上。此结果很好的印证了Yost等人提出的非线性超声二次因子的与材料的塑性变形呈正比关系理论[6-7]。

4结论

（1）采用Ritec公司的RAM-5000 SNAP非线性超声检测系统，并采用5 MHz有限振幅超声波能够在Q235材料中激发出可检测的二次谐波信号，获得的信号误差小于1%；

（2）在Q235钢0%～50%压缩比范围内，二次谐波信号的强度与压缩比之间存在可用二次二项式逼近的正比例关系；

（3）Q235钢板的塑性应变与非线性超声二次因子之间存在正线性对应关系。

参考文献[1]李常武. 基于无损检测的结构钢机械性能退化研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2013.

[2]弓飞. 金属材料拉伸变形下的超声非线性特性研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2010.

[3]Kyung Y J，Kyung C K. Evaluation of material degradation using nonlinear acoustic effect [J]. Ultrasonics， 1999， 37： 39-44.

[4]税国双， 汪越胜， 曲建民. 材料力学性能退化的超声无损检测与评价[J]. 力学进展， 2005， 35（1）： 1-17.

[5]Viswanath A，Purna C R B， Mahadevan S， et al. Nondestructive assessment of tensile properties of cold worked AISI type 304 stainless steel using nonlinear ultrasonic technique [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2011， 211： 538-544.

[6]Yost W T， Cantrell H， Na J K. Nonlinear ultrasonic pulsed measurements and applications to metal processing and fatigue [J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 2001， 20： 1268-1275.

[7]John H.Cantrell.Nondestructive evaluation of metal fatigue using nonlinear acoustics[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2009，28：19-32.

收稿日期： 2015-02-05

王晓林简介： 1975年出生，博士，高级工程师；主要从事电站金属材料监督检测方面的工作。