管彥朋　李亞江　王娟

摘要： 在不預熱條件下，采用熔化極氣體保護焊（GMAW）對1 200 MPa高強耐磨鋼進行多層多道焊工藝性試驗，并對試樣進行夏比沖擊試驗，利用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）研究焊縫組織形態(tài)與斷口形貌，并通過對沖擊斷口的形貌分析研究其斷裂機制。試驗結果表明：焊縫組織主要由細小的針狀鐵素體組織和粗大的先共析鐵素體組織構成，隨焊接熱輸入增大，先共析鐵素體所占比例增大，針狀鐵素體比例減小，由此導致焊縫沖擊韌性下降；不同溫度下的沖擊試驗表明，焊縫沖擊吸收能量均高于母材，結合斷口形貌分析，焊接接頭的焊縫區(qū)表現(xiàn)出良好的沖擊韌性。

關鍵詞： 高強耐磨鋼；焊縫組織；沖擊韌性

中圖分類號： 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

高強耐磨鋼具有高韌性，高強度等特性，符合現(xiàn)代鋼結構發(fā)展的高性能、低成本、低自重的要求[1]。實踐表明，生產(chǎn)中的焊接加工是影響高強度鋼結構質(zhì)量的關鍵，是生產(chǎn)工藝中面臨的主要問題，而且低合金高強鋼焊接接頭的韌性歷來都是焊接結構使用性能的主要指標，尤其對1 200 MPa級以上的低合金高強耐磨鋼的結構，如何提高焊接接頭的韌性就更顯得非常重要，它關系到產(chǎn)品構件在服役期間的穩(wěn)定性和安全性[2]。

現(xiàn)代工程機械用鋼的強度正在逐步向1000MPa以上級別邁進，為了降低焊接接頭的冷裂傾向和淬硬傾向，提高焊接接頭的韌性，母材與焊材的“低強匹配”廣泛應用于低合金高強耐磨鋼的焊接中[3，4]。因此，焊縫極有可能成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，其沖擊韌性以及斷裂機制的研究也就顯得尤為重要。

本文采用GMAW方法對1 200 MPa高強耐磨鋼進行多層多道焊接工藝性試驗及夏比沖擊試驗，并利用金相顯微鏡和SEM掃描電鏡觀察顯微組織及沖擊斷口形貌，分析了該1 200 MPa高強耐磨鋼GMAW焊接接頭焊縫顯微組織分布，沖擊吸收能量變化以及斷口形貌。并以此研究1 200 MPa高強耐磨鋼的沖擊韌性與斷裂機制。試驗結果為合理選擇焊接工藝參數(shù)，得到足夠強度韌性的焊接接頭，提供了重要的試驗及理論依據(jù)。

1試驗材料及方法

焊接工藝性試驗所采用母材為1 200 MPa高強耐磨鋼，化學成分如表1所示，抗拉強度為1 200 MPa，出貨狀態(tài)為淬火+回火；所用焊絲抗拉強度為500 MPa，化學成分如表2所示，焊絲直徑為1.2 mm。焊接試板尺寸為 300 mm×150 mm×12 mm，采用銑邊機加工 V 形坡口，坡口角度為 225°，裝配間隙為 8 mm。焊前不預熱，采用GMAW焊接方法進行多層多道焊，保護氣體為100%CO2 ，采用不同焊接熱輸入（9.7和15.5 kJ/cm）進行試驗，具體試驗工藝參數(shù)如表3所示。

試板焊好以后經(jīng)鋸割成金相試樣，經(jīng)打磨，拋光和2%硝酸酒精溶液腐蝕20～25 s后用XJP-6A金相顯微鏡和日立SEM6610掃描電鏡觀察焊縫顯微組織；按照GB/T2650—2008進行V形缺口夏比沖擊試驗，沖擊試驗溫度為-20 ℃和-40 ℃。采用日立SU-70熱場發(fā)射掃描電鏡觀察斷口形貌。

2試驗結果及分析

2.1焊縫微觀組織

在光學顯微鏡下觀察兩種不同焊接熱輸入下的焊縫顯微組織，如圖1所示。

兩種焊接熱輸入下，焊接接頭焊縫區(qū)組織均主要由針狀鐵素體（AF）和先共析鐵素體（PF）組成。當焊接熱輸入為9.7 kJ/cm時，焊縫區(qū)針狀鐵素體晶粒細小，所占比例較高，先共析鐵素體呈條狀分布，只有極少量側(cè)板條鐵素體（FSP）存在（圖1a）。當焊接熱輸入增大到15.5 kJ/cm時，針狀鐵素體晶粒開始長大，占焊縫組織比例明顯減小，先共析鐵素體粗化，部分呈塊狀分布，比例迅速增大，并且粗化的側(cè)板條鐵素體也開始增多（圖1b）。

焊縫組織中針狀鐵素體及先共析鐵素體晶粒的長大與分布比例變化均是由焊接熱輸入增大引起。焊接熱輸入的增大使得焊縫金屬在高溫區(qū)停留時間延長，冷卻速度減慢，有利于先共析鐵素體的長大，先共析鐵素體長大并聚合后呈塊狀分布。針狀鐵素體組織多形核于奧氏體晶粒內(nèi)的夾雜物上，其晶粒細小均勻，晶粒邊界交角大，強度和韌性均較高，且為連鎖結構，能很好地阻止裂紋的擴展，而先共析鐵素體（特別是塊狀分布的先共析鐵素體）由于晶粒粗大，裂紋擴展時改變方向的次數(shù)少，阻力小。因此先共析鐵素體對裂紋的阻礙作用遠遠低于針狀鐵素體。因此先共析鐵素體比例的增大將會降低焊縫組織的沖擊韌性。

在掃描電鏡下觀察焊縫組織中針狀鐵素體及夾雜物，如圖2所示。掃描電鏡下可見針狀鐵素體分布方向各異，大小長短不一，在部分晶粒晶界處可以看見白色球狀夾雜物（圖2a）。增大放大倍數(shù)（圖2b），可以發(fā)現(xiàn)分布更多的球狀夾雜物，球狀夾雜物更密集的地方針狀鐵素體更加細小。

焊縫組織中的球狀夾雜物主要是焊接過程中元素反應形成的氧化物、硫化物和碳氮化物。這些夾雜物既成為針狀鐵素體的形核中心，也會成為韌性斷裂的韌窩核心，提高焊縫區(qū)的沖擊韌性。針狀鐵素體形態(tài)與方向各異會使得焊縫中裂紋拓展路徑更加曲折，從而消耗更多的能量，進一步提高焊縫的抗裂性和韌性[5]。

2.2焊縫區(qū)沖擊韌性

分別對兩種焊接熱輸入下焊接接頭的焊縫區(qū)進行V形缺口夏比沖擊試驗，試驗溫度為-20℃和-40℃，所得結果如表4所示。據(jù)表4可知，焊接熱輸入增大，試驗溫度的降低，均使得焊縫區(qū)沖擊韌性明顯下降，但是在較高焊接熱輸入（15.5 kJ/cm）下焊接接頭的焊縫區(qū)在-40 ℃時沖擊吸收能量平均值仍然能達到67 J，而母材在0 ℃下的沖擊吸收能量僅為52 J，所以焊縫區(qū)表現(xiàn)出良好的沖擊韌性。

焊縫區(qū)的沖擊韌性主要是由其顯微組織決定的。焊接熱輸入增大導致焊縫沖擊韌性下降的主要原因是針狀鐵素體所占比例減小以及先共析鐵素體聚集長大呈塊狀分布降低了焊縫對裂紋的抗力。塊狀鐵素體與鄰近組織形變不協(xié)調(diào)，容易在相界處產(chǎn)生裂紋，降低了其沖擊韌性。此外，所用焊絲P、S含量較低，且焊縫金屬晶粒較細小，也有利于焊縫區(qū)在-40 ℃仍然保持較高的沖擊韌性。

2.3焊縫區(qū)斷口形貌與斷裂機制

掃描電鏡下觀察焊接接頭斷口形貌，如圖3所示。沖擊斷口放射區(qū)呈現(xiàn)典型的準解理形貌，解理刻面層次不平，并有少量河流花樣和較多的白色撕裂脊存在，撕裂脊邊界處存在少量大而深的韌窩（圖3a），且隨焊接熱輸入增大，出現(xiàn)面積較大的白色剪切斷裂帶（圖3c），其撕裂脊處韌窩也明顯減小。斷口纖維區(qū)呈現(xiàn)出典型的韌窩斷裂特征，分布有大小不等的韌窩，大韌窩邊界處分布有不少細小的韌窩帶，韌窩中心可見明顯的球狀夾雜物。隨焊接熱輸入增大，韌窩變得更加小而淺。

準解理斷裂屬于穿晶斷裂，相對于解理斷裂，其斷裂過程并不連續(xù)，典型特征為對脆性區(qū)裂紋的擴展有明顯的阻礙作用的撕裂脊。比較圖3a和圖3c，當焊接熱輸入為15.5 kJ/cm時，放射區(qū)解理刻面更為平順，解理臺階更小，撕裂脊處韌窩細小，說明此區(qū)域塑性變形更小，對裂紋的阻礙能力較弱，特別是白色剪切斷裂帶的出現(xiàn)使得斷口呈現(xiàn)出一定的脆性斷裂特征，進一步降低的焊縫區(qū)的沖擊韌性。而焊接熱輸入為9.7 kJ/cm時，解理刻面的層次更高，解理臺階也更高，白色撕裂棱上的韌窩大而深，這說明裂紋擴展路徑更加曲折。結合焊縫組織，表明晶粒尺寸較小的針狀鐵素體在裂紋的擴展過程中能起到較好的阻礙作用，宏觀表現(xiàn)為更加優(yōu)異的抗裂性和沖擊韌性。

韌窩是金屬材料塑形斷裂的主要微觀特征，它是材料在微小范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微孔洞，經(jīng)形核，長大，聚集且最后相互連接起來，最終斷裂后在斷口表面所留下的痕跡，所以韌窩斷口也稱為微孔聚集性斷口[6]。韌窩的寬度與深度反映了材料的塑性。如圖3b焊接熱輸入為9.7 kJ/cm時，大尺寸韌窩較多，中間分布少量小韌窩，并可見明顯的顯微孔洞；當焊接熱輸入增大到15.5 kJ/cm時（圖3d），焊縫斷口韌窩較淺，小尺寸韌窩較多，大尺寸韌窩減少，大尺寸韌窩被小尺寸韌窩環(huán)繞包圍。結合顯微組織特征可以推斷，大韌窩區(qū)對應焊縫組織中的針狀鐵素體，而在晶界上析出的先共析鐵素體則是小韌窩區(qū)形成的原因。部分韌窩底部出現(xiàn)的球狀夾雜物是焊接過程中反應產(chǎn)生的氧化物、硫化物和碳氮化物等，尺寸較小，有利于韌窩的形成，提高材料的韌性。

韌窩當中出現(xiàn)的微孔和球狀夾雜物說明韌窩產(chǎn)生的機理是微孔聚集型斷裂，斷口中不同尺寸韌窩的形成是由于裂紋在先共析鐵素體和針狀鐵素體中擴展需要不同能量造成的。先共析鐵素體對裂紋的抵抗力較弱，裂紋穿過時需要的能量較小，擴展速度也較快，從而形成的韌窩小而淺；而晶內(nèi)針狀鐵素體晶粒尺寸小，排列雜亂無章，晶界曲折不平，裂紋穿過時需要的變形功也就較大，從而消耗更多的能量，促進了大而深韌窩的形成[7]。結合顯微組織與斷口形貌，焊接熱輸入增大導致的焊縫組織先共析鐵素體比例增大與針狀鐵素體比例減小，是造成焊縫沖擊韌性下降的首要原因。

3結論

（1） 1 200 MPa高強耐磨鋼GMAW焊接接頭焊縫組織主要為針狀鐵素體和先共析鐵素體，并伴有少量側(cè)板條鐵素體；焊接熱輸入的增大使得焊縫中針狀鐵素體所占比例減??；SEM下可在針狀鐵素體和先共析鐵素體晶界處觀察到球狀夾雜物，這些球狀夾雜物是焊縫組織的形核中心。

（2） 隨焊接熱輸入的增大和沖擊試驗溫度的降低，焊縫區(qū)的沖擊吸收能量減小，但最低平均沖擊吸收能量為67 J，高于母材的沖擊吸收能量，表現(xiàn)出良好的沖擊韌性。

（3） 焊縫區(qū)沖擊斷口放射區(qū)為準解理斷裂，纖維區(qū)為韌窩斷裂；隨焊接熱輸入增大，斷口準解理區(qū)出現(xiàn)剪切斷裂帶，其韌性因此下降；先共析鐵素體比例的增大使得焊縫組織對裂紋擴展的抵抗力下降，纖維區(qū)韌窩變得小而淺，也是焊縫區(qū)韌性下降的原因。參考文獻[1]鄧磊，尹孝輝，袁中濤，等. 焊接熱輸入對800 MPa級低合金高強鋼焊接接頭組織性能的影響[J]. 熱加工工藝，2015（1）： 36-38.

[2]趙曉兵，何長紅，彭云，等. 800 MPa級高強鋼焊縫金屬熱處理組織與性能[J]. 焊接學報，2007， 28（7）： 101-104.

[3]伍芳斌. 低合金高強鋼低匹配對接接頭性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2008.

[4]趙智力，楊建國，方洪淵，等. 基于等承載能力原則的低匹配對接接頭設計[J]. 焊接學報，2008， 29（10）： 93-96.

[5]杜寶帥，張忠文，李新梅，等. 細晶Q420低合金高強鋼焊接接頭組織性能研究[J]. 熱加工工藝，2011， 40（13）： 115-117， 122.

[6]尹士科，喻萍，王移山. 焊接接頭的抗動載斷裂特性[J]. 機械制造文摘—焊接分冊，2014（6）： 1-6.

[7]蔣慶磊. 800 MPa高強鋼GMAW接頭組織性能及精細結構研究[D]. 濟南：山東大學， 2011.

收稿日期： 2015-02-04

管彥朋簡介： 1989年出生，碩士研究生，主要從事低合金高強鋼焊接研究，已發(fā)表論文2篇。

Q235鋼力學性能非線性超聲測量技術研究

王曉林1，苑美實1，房金秋1，李棟山2 （1. 黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.北京日泰科技有限公司，北京 100012）

摘要： 廣泛采用的Q235鋼在服役過程中力學性能持續(xù)改變，結構可靠性發(fā)生變化。研制針對Q235鋼力學性能的在線無損測量方法，對在役結構可靠性評估具有重要意義。研究了運用非線性超聲技術在線測量Q235鋼力學性能的可行性，考察了非線性超聲測試數(shù)據(jù)的可重復性以及非線性因子與力學參量的相關性。結果顯示，Q235鋼的超聲非線性因子與壓縮比之間存在二次多項式相關性，與塑性應變之間存在線性對應關系。

關鍵詞： 非線性超聲； 力學性能； Q235

中圖分類號： TG442

Measuring mechanical properties of Q235 steel by nonlinear ultrasound

Wang Xiaolin1， Yuan Meishi1，F(xiàn)ang 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

結構材料的力學性能無損測量技術在提高產(chǎn)品質(zhì)量和在役結構力學可靠性預測精度方面具有重要價值，是一直以來的研究熱點[1]。當前，廣義的材料力學性能無損測量技術包括兩種類型，即微損法及無損法。微損法包括微小試樣法、循環(huán)硬度法和壓痕法等方法，此類方法僅對構件材料的局部微小表面形成損傷，通常不會對結構整體性能產(chǎn)生顯著影響，但是由于測試范圍僅限于材料的局部微小表面，測量值與構件整體性能相差較大。無損法主要包括非線性超聲波測量法、渦流法、巴克豪森法和金屬磁記憶法等，這些方法在對構件的力學性能進行測量的過程中完全不會對構件材料產(chǎn)生損傷，測量值能夠反映構件整體的力學性能，近期得到了廣泛的關注[2]。在無損檢測方法中，非線性超聲測量法較為成熟，測量結果更為接近實際情況[3-4]。本文采用非線性超聲技術對廣泛應用于建筑及工程結構的Q235鋼的力學性能進行測試研究，探索該技術的可行性。

1非線性二次因子β測算基本理論

對于非線性聲波，應力應變具有如下關系[5]： σ=Aε+12Bε2+… （1）式中σ——應力；

ε——應變，即位移梯度u/x；

A——二次項系數(shù)；

B——u/x中的三次項系數(shù)。

忽略體積力，一個固體單元的運動方程可以表示如下：

ρ2ut2=σx （2）

式中ρ——材料的密度；

x——聲波的傳播距離；

u——在x方向的位移。

對于在一維方向傳播的縱波（u=A1sinωt，A1是振幅，ω是角頻率），通過各向同性材料時，應變與位移存在如下關系：ε（x，t）=u（x，t）/x。

將式（1）代入式（2）得： ρ2ut2=A2ut2+Bux2ut2 （3）假設方程（3）存在一個攝動解，經(jīng)過兩次迭代后，該攝動解變?yōu)椋?u（x，t）=A1sin（kx-ωt）-1B8Ak2A21x cos[2（kx-ωt）]+… （4）式中k——波數(shù)。

二次諧波振幅A2可表示為： A2=18BA A21k2x（5）在式5中，（B/A）項代表非線性系數(shù)β，經(jīng)變形后，

β=8k2x A2A21 （6）

因此，一種材料的因子可以通過測量材料的基波振幅和二次諧波的振幅后計算獲得[3， 4]。

2試驗材料及方法

2.1試件準備

將厚度為50 mm的經(jīng)過退火處理的Q235鋼板進行冷軋，分別獲得50 mm、45 mm、40 mm、35 mm、30 mm和25 mm六種厚度鋼板。參照《GB/T 7314 ——2005金屬材料 室溫壓縮試驗方法》每種厚度鋼板取5個標準壓縮試樣，所有壓縮試樣具有相同的尺寸，即10 mm×25 mm，試樣軸線平行于鋼板厚度方向。通過測定每種厚度試樣的屈服點，可以確定不同厚度鋼板的塑性變形程度。

本文采用壓縮試驗而非拉伸試驗方法主要基于以下考慮：①壓縮試驗曲線更接近真實應力應變曲線；②避免對單一試樣在拉伸過程中因厚度、表面狀態(tài)、幾何形狀等的變化對超聲測量帶來額外的誤差；③對承壓結構塑性變形狀態(tài)的評估更具實際意義。本文將經(jīng)冷軋后鋼板厚度的減少量與鋼板原始厚度的比值定義為壓縮比，用百分數(shù)表示。

2.2β因子測算

非線性超聲測試系統(tǒng)配置如圖1所示，超聲信號的發(fā)生、控制、采集及處理均采用Ritec公司生產(chǎn)的RAM-5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)進行。試驗采用5 MHz單頻直探頭發(fā)射5個周期以上長度的連續(xù)超聲波，采用中心頻率為10 MHz的寬頻直探頭接收二次諧波信號，通過數(shù)字示波器和電腦顯示和記錄一次和二次諧波信號幅值，再根據(jù)公式（6）計算二次因子β。為了避免電力轉(zhuǎn)換帶來的不便，本文直接對β因子進行歸一化處理，結果以歸一化β因子給出。

圖1Q235鋼屈服強度非線性超聲波測試系統(tǒng)示意圖

2.3試驗次序

首先對每種厚度鋼板進行5次β因子測試，然后將對應不同厚度的壓縮試樣在萬能試驗機上上進行壓縮試驗，最后進行數(shù)據(jù)分析與處理。

3試驗結果分析

圖2為對10%壓縮比的試樣進行非線性超聲波測試獲得的超聲波信號頻譜圖。圖中非常清楚地顯示了二次諧波信號，但二次諧波信號的幅值很小，極易受到雜波信號的干擾。Ritec SNAP 5000系統(tǒng)具有超強的信號處理功能，對同一種試樣進行反復測試，獲得的β因子的相對誤差均小于1%，具有很好的測量精度。

圖3給出了壓縮比從0%增加到50%時，Q235鋼的壓縮比與歸一化β因子的對應關系。圖中顯示，在Q235鋼幾乎沒發(fā)生機械形變的條件下，當有限振幅超聲波穿過材料時也會產(chǎn)生二次諧波振幅，表明了二次

圖2 非線性超聲波信號頻譜圖圖3歸一化β因子與壓縮比之間的關系曲線

Q235鋼板在冷軋過程中發(fā)生冷作硬化，隨著壓縮比的增大，屈服點提高。反過來依據(jù)每種厚度鋼板獲得的屈服強度，就可以通過Q235真應力-真應變曲線確定每種厚度鋼板發(fā)生的塑性應變。圖4顯示塑性應

圖4塑性應變與歸一化β因子之間的關系變與歸一化β因子之間存在線性對應關系的可能性非常大，采用線性擬合，相關性系數(shù)達到0.996以上。此結果很好的印證了Yost等人提出的非線性超聲二次因子的與材料的塑性變形呈正比關系理論[6-7]。

4結論

（1）采用Ritec公司的RAM-5000 SNAP非線性超聲檢測系統(tǒng)，并采用5 MHz有限振幅超聲波能夠在Q235材料中激發(fā)出可檢測的二次諧波信號，獲得的信號誤差小于1%；

（2）在Q235鋼0%～50%壓縮比范圍內(nèi)，二次諧波信號的強度與壓縮比之間存在可用二次二項式逼近的正比例關系；

（3）Q235鋼板的塑性應變與非線性超聲二次因子之間存在正線性對應關系。

參考文獻[1]李常武. 基于無損檢測的結構鋼機械性能退化研究[D]. 北京： 北京交通大學， 2013.

[2]弓飛. 金屬材料拉伸變形下的超聲非線性特性研究[D]. 北京： 北京交通大學， 2010.

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

[4]稅國雙， 汪越勝， 曲建民. 材料力學性能退化的超聲無損檢測與評價[J]. 力學進展， 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

王曉林簡介： 1975年出生，博士，高級工程師；主要從事電站金屬材料監(jiān)督檢測方面的工作。