去應(yīng)力退火對S355J2W耐候鋼焊接接頭組織及性能的影響

岑升波　王洪廣　趙博寧

摘要：文章通過金相分析、拉伸試驗、彎曲試驗、硬度試驗和沖擊試驗，研究了去應(yīng)力退火對S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織和力學性能的影響，得出結(jié)論：S355J2W耐候鋼焊接接頭具有良好的力學性能，接頭的強度高于母材;經(jīng)退火處理后，接頭各微區(qū)組織趨于均勻化，珠光體數(shù)量增多，母材條帶狀組織得到顯著改善;接頭的強度降低了2.04%，斷后伸長率提高了11.71%，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊韌性分別提高18.2%、15.5%、5.2%;接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但各微區(qū)硬度值都有所下降，焊縫區(qū)域硬度平均下降了5.95%，峰值下降了10.1%，母材平均下降了2.98%。

關(guān)鍵詞：S355J2W耐候鋼;焊接接頭;顯微組織;力學性能

中圖分類號：U213.4+6A421594

0 引言

S355J2W鋼是采用歐洲標準EN10025-5-2004生產(chǎn)的一種低合金高強度耐候鋼，具有高強度、良好的低溫韌性和優(yōu)良的耐腐蝕性等特點，被廣泛地應(yīng)用于高速列車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁及側(cè)梁與橫梁的連接處，其焊接接頭性能的可靠性直接影響到高速列車的安全運行 [1-2]。隨著列車運行速度的不斷提高，對轉(zhuǎn)向架使用要求也顯著提高，需要焊接構(gòu)架具有更高的使用強度、沖擊韌性和疲勞強度[3-4]。但目前該材料仍依賴于進口，國內(nèi)對該耐候鋼的制造工藝、力學性能的研究并未充分掌握，特別是焊接工藝和熱處理方式對該耐候鋼組織和力學性能影響方面的數(shù)據(jù)仍需進一步完善[5-6]，這將會嚴重制約該材料的國產(chǎn)化進程和在高速鐵路中的應(yīng)用和發(fā)展。因此，本文對S355J2W耐候鋼焊接接頭的去應(yīng)力退火狀態(tài)和空冷狀態(tài)進行了金相分析、拉伸試驗、硬度試驗、彎曲試驗和沖擊試驗，重點研究了S355J2W耐候鋼在兩種狀態(tài)下顯微組織和力學性能變化規(guī)律，以此更好、更準確地指導構(gòu)架焊接工藝，提高車輛構(gòu)架力學性能和使用壽命，為S355J2W耐候鋼的研究使用提供扎實的試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為12 mm厚的S355J2W耐候鋼板材，焊接材料為JM55Ⅱ焊絲，母材及焊絲主要化學成分如表1所示。

1.2 焊接工藝

采用MAG焊（熔化極活性氣體保護電弧焊）多層多道焊接工藝，保護氣體為80%Ar+20%CO2混合氣，接頭形式為對接，V形坡口，坡口角度為60°，焊接間隙為2 mm，鈍邊為1 mm，如圖1所示。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 熱處理工藝

S355J2W耐候鋼焊后采用去應(yīng)力退火處理和空冷處理兩種方式。其中，退火溫度為550 ℃±15 ℃，保溫時間為2.5 h，隨爐冷卻到300 ℃后取出空冷到室溫。

1.4 試驗方法

在S355J2W耐候鋼焊接接頭焊縫區(qū)域進行取樣，試樣包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，采用Zeiiss-A1M數(shù)碼金相顯微鏡進行金相分析，腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。采用HVS-30型維氏硬度計進行硬度測試，載荷為200 g，載荷保持時間為15 s，測試點沿焊縫中心向兩側(cè)母材方向分布，點間距在焊縫區(qū)為1 mm，母材區(qū)為2 mm。

拉伸試驗按照《焊接接頭拉伸試驗方法》（GB/T 2651-2008）標準規(guī)定制成矩形橫截面拉伸試樣，試樣去焊縫余高，焊縫位于試樣中心，試驗設(shè)備為DNS300萬能試驗拉伸機。

對接接頭彎曲試驗采用DNS300萬能試驗拉伸機，試驗按照 《焊接接頭彎曲試驗》（ISO5173-2009 ）標準規(guī)定進行。

沖擊試驗按照《焊接接頭沖擊試驗方法》（GB/T2650-2008）標準規(guī)定制成V型缺口試樣，缺口分別開在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，采用JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 組織分析

如圖2所示為空冷處理和退火處理后S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織對比圖。圖2（a）為空冷處理母材區(qū)的顯微組織，母材區(qū)不受熱輸入的影響，組織由條帶狀的鐵素體和珠光體組成，呈現(xiàn)出典型的熱軋組織形態(tài)。圖2（d）為退火處理后母材的顯微組織，由塊狀的鐵素體和珠光體組成，但與空冷狀態(tài)的組織相比，組織更為均勻和細小，且條帶狀組織得到顯著改善。圖2（b）為空冷處理焊縫區(qū)的顯微組織，組織主要由粗大的柱狀鐵素體和少量的珠光體組成，由于S355J2W鋼碳含量低，熔池冷卻時部分先共析鐵素體沿著原奧氏體晶界析出，形成白色網(wǎng)狀組織：一部分先共析鐵素體于原奧氏體晶粒內(nèi)部析出，呈現(xiàn)出具有一定位向關(guān)系的層片狀、針狀鐵素體組織，珠光體分布在層片狀鐵素體周圍;還有一部分先共析鐵素體表現(xiàn)為粗大的側(cè)板條狀組織。圖2（e）為退火處理后焊縫區(qū)的顯微組織，顯微組織仍為柱狀鐵素體和珠光體，但和空冷處理相比，組織明顯均勻化，珠光體的數(shù)量明顯增多。圖2（c）為空冷處理熱影響區(qū)的顯微組織，該區(qū)域組織在焊接過程中相當于經(jīng)歷了一次正火處理過程，高溫下原條帶狀分布的鐵素體和珠光體組織全部奧氏體化，冷卻時又由奧氏體重新析出鐵素體和珠光體，組織細小均勻，具有超過母材的性能。圖2（f）為退火處理后的熱影響區(qū)顯微組織，組織為細小均勻的鐵素體和珠光體，更多細小的滲碳體在側(cè)板條狀鐵素體中析出，珠光體數(shù)量明顯增多。

2.2 拉伸試驗

如表3所示，為S355J2W耐候鋼對接接頭退火前后的拉伸試驗結(jié)果。由表3可知，焊接接頭的拉伸試樣均斷裂于靠近熱影響區(qū)的母材位置，斷裂位置有明顯的頸縮現(xiàn)象，這說明焊縫的抗拉強度高于母材?？绽涮幚淼暮附咏宇^試樣的抗拉強度為549 MPa，而退火狀態(tài)的接頭抗拉強度為538 MPa，降低了2.04%?？绽涮幚砗蠼宇^的斷后伸長率為31.33%，退火處理后接頭的斷后伸長率為35.00%，這說明退火處理可以有效提高接頭的韌性，提高比例達到了

11.71%。這是由于焊接過程是不均勻的熱輸入過程，焊縫和母材之間的溫度梯度巨大，同時焊材和母材成分不同，造成了焊縫到母材之間組織的極度不均勻，材料在組織不均勻和巨大的溫度差下形成較大的殘余應(yīng)力，并形成了較多的空位、晶格畸變、彈性應(yīng)變場等微觀缺陷。這些微觀缺陷具有釘扎作用，能有效地阻礙位錯的移動，提高材料的強度。焊接接頭在退火處理過程中，原子在高溫下得以擴散，運動能力增強，減少了不平衡組織的形成，減少了空位和晶格畸變等微觀缺陷的數(shù)量，降低了應(yīng)力集中，使得接頭的強度下降、塑性提高。

2.3 彎曲試驗

對空冷處理和退火處理后的焊接接頭進行了彎曲試驗，試驗結(jié)果如表4所示。可以看出，無論是空冷處理還是退火處理的接頭都通過了彎曲角度為180°的面彎和背彎測試，S355J2W鋼的焊接接頭表現(xiàn)出了優(yōu)良的韌性。

2.4 硬度測試

如下頁圖3所示為空冷處理和退火處理后焊接接頭的硬度分布圖，圖中描繪了接頭從焊縫中心到母材兩側(cè)的硬度變化曲線。由圖3可知，接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，從焊縫到熱影響區(qū)的過熱區(qū)硬度減小，熱影響區(qū)中的正火區(qū)硬度最高，之后往母材區(qū)迅速降低。接頭硬度的變化規(guī)律與接頭各區(qū)域微觀組織的特征是相對應(yīng)的，焊縫區(qū)域所用的JM-55Ⅱ焊條和母材性能相近，焊縫在較大的溫度梯度下形成側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和貝氏體組織，導致焊縫區(qū)域硬度增大。熔合區(qū)是柱狀晶組織和晶粒粗大的過熱組織的混合區(qū)，所以硬度隨之減低;過熱區(qū)的組織晶粒粗大，相對于細小晶粒，其性能降低，所以硬度繼續(xù)降低;而正火區(qū)的組織晶粒細小，晶界數(shù)量多，有效地阻礙了位錯在相鄰晶粒間的運動，減小了晶粒內(nèi)部位錯塞積群的尺寸。產(chǎn)生宏觀可見的塑性變形必須在晶粒內(nèi)部塞積足夠的位錯，使之提供必要的應(yīng)力，使位錯源相鄰晶粒間移動，減小晶粒尺寸，達到強化的效果，進而導致此處硬度快速提高形成峰頂，母材區(qū)的組織受到焊接熱輸入的影響較小，硬度值再次降低。

焊接接頭經(jīng)過退火后發(fā)現(xiàn)，去應(yīng)力退火并沒有改變從焊縫中心到母材的硬度變化規(guī)律，硬度仍呈現(xiàn)雙峰狀分布，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但是硬度的變化曲線整體下移，說明同一區(qū)域經(jīng)過退火后硬度值下降，焊縫區(qū)域硬度大約下降了5.95%，峰值大約下降了10.1%，母材大約下降了2.98%。接頭在退火過程中，材料的屈服強度隨著溫度的升高而降低，部分殘余應(yīng)力超過高溫下材料的屈服強度時，將會在材料內(nèi)部發(fā)生局部塑性變形，使殘余應(yīng)力松弛，彈性應(yīng)變場也隨之消失或者減弱，從而達到降低硬度的目的。但由于退火溫度并未達到接頭相變溫度，各微區(qū)組織發(fā)生相變再結(jié)晶，所以熱處理未能完全改善接頭硬度分布的不均勻性。

2.5 沖擊實驗

如表5所示，為焊接接頭在空冷處理和退火處理后接頭各微區(qū)的沖擊試驗結(jié)果?？绽涮幚砗蠛缚p、熱影響區(qū)和母材的沖擊吸收功平均值分別為132 J、213 J和193 J。焊縫區(qū)的沖擊韌性最低，這是由于焊縫柱狀晶組織由硬度較高的側(cè)板條狀、針狀鐵素體和貝氏體組成，強度較高則韌性低;熱影響區(qū)沖擊韌性最高，這是細晶強化的結(jié)果。沖擊試樣的缺口開在晶粒細小的正火區(qū)，細小的晶粒使得晶界總面積增加，降低了晶界上雜質(zhì)的濃度，減小了沿晶脆性斷裂的可能性，同時晶界阻礙了裂紋尖端的擴展，減少了晶界前位錯的塞積，有利于降低應(yīng)力集中，提高材料的韌性。

退火狀態(tài)下焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊吸收功平均值分別為156 J、246 J和203 J，接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材經(jīng)過退火后的沖擊韌性分別提高18.2%、15.5%、5.2%。高溫下，材料屈服強度降低，局部塑性變形使得內(nèi)部殘余應(yīng)力得以釋放，減少了彈性應(yīng)變場的存在，同時高溫下原子擴散速度加快，使空位濃度降低，減少了位錯釘扎和位錯塞積，提高了接頭的韌性。由于母材的供火狀態(tài)是正火，且受到的熱影響較小，焊接殘余應(yīng)力和晶粒內(nèi)部缺陷較少，所以退火對母材韌性的提高不如焊縫和熱影響區(qū)的大。

3 結(jié)語

（1）S355J2W鋼焊接接頭空冷處理的焊縫區(qū)微觀組織為粗大的柱狀鐵素體、網(wǎng)狀鐵素體、針狀鐵素體和少量的珠光體組成，熱影響區(qū)微觀組織由細小均勻的鐵素體和珠光體組成，母材區(qū)微觀組織由條帶狀的鐵素體和珠光體組成。經(jīng)退火處理后，各區(qū)域組織趨于均勻化，珠光體數(shù)量增多，母材條帶狀組織得到顯著改善。

（2）S355J2W鋼焊接接頭具有良好的力學性能，接頭的強度高于母材，退火處理和空冷處理相比，經(jīng)過退火處理后接頭的強度降低了2.04%，斷后伸長率提高了11.71%，焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊韌性分別提高了18.2%、15.5%、5.2%。

（3）S355J2W鋼焊接接頭的硬度分布沿著焊縫中心兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰狀，峰值出現(xiàn)在熱影響區(qū)，退火處理未能完全改變硬度分布不均勻的狀況，但各區(qū)域硬度值下降，焊縫區(qū)域硬度平均下降了5.95%，峰值下降了10.1%，母材平均下降了2.98%。

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基金項目：2020年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“850H裝載機側(cè)圍焊接夾具的設(shè)計”（編號：2020KY44002）

作者簡介：

岑升波（1990—），碩士，講師，研究方向：機械制造;

王洪廣（1980—），碩士，教授，研究方向：機械制造;

趙博寧（1981—），碩士，副教授，研究方向：機械制造。