Q690海洋用高强钢的实验材料和方法.docx

实验条件与方法2.1引言在生产实践中，人们通常采用焊接方式来获得高质量的链接［56］但作为生 产工艺的一种手段，复杂的焊接过程和众多的影响因子，如非线性问题、瞬时作 用以及温度的相关性效应等，要使得获得具有优秀使用性能的焊接接头产品非常 困难尤其是焊接过程中的残余应力和焊接形变，严重影响了焊接的质量在实 际工作中，焊接时必须考虑残余应力和焊接形变的综合作用［57］为了更好的分 析焊接过程中应力与应变的关系，现代科学分类把焊接分解为多个学科内容，如 力学、热学等，从而方便了人们对焊接性能的研究与探讨2.2实验材料2.2.1实验母材（Q690）作为调质钢的一种，低合金高强钢Q690具有优秀的综合性能实验采用Q690试样尺寸为300*150*12mm在试样中截取金相试样，并在光学显微镜下 进行观测，如图2-1所示分别为Q690高强钢200倍、500倍和1000倍下的显微 结构，从图中可大致看出母材主要组成组织为马氏体和贝氏体，同时还含有块状铁素体a） 200倍下母材组织（b） 500倍下母材组织（c） 1000倍下母材组织图2-1母材的显微组织然而，高强钢Q690在焊接时会存在一些焊接缺欠，主要表现为两点。

首先 焊接过程中易引入杂质，焊接接头在遇到温度降低时，会出现裂纹敏感问题；其 次是热影响区（HAZ）和焊缝金属在焊接过程中因受到焊接热循环的影响，会产 生组织粗化及魏氏组织等组织恶化现象，焊接接头的力学性能降低这也是文本 主要研究的内容所以，在试验焊接前，必须对母材的化学成分有一定的了解， 然后再确定焊接工艺本文研究的Q690的化学成分如下表所示表2.1 Q690高强钢的化学成分%w (C)w (Si)w (Mn )w (P ) w (S )w (Cr)w (Al)0.1500.3501.3100.012 0.0020.2700.034w (Mo )w (Ti )w(Cu)w (Nb )w (Ni)w (V)0.1600.0160.0900.0010.0300.045米用两种碳当量计算公式：—MnSiNiCrMo VC (JIS)—C+ ++ +++ -(2-1)eq6244054 14C (IIW) = C+ M +(Mo + Cr + V)+ (Cu + Ni) (2-2)eq 6 5 15公式2-1是根据日本工业标准推荐的调质钢碳当量计算公式，而公式(2) 是国际焊接学会推荐的碳当量计算公式。

根据式(1)、式(2)计算得到的结果 分别为0.481和0.471,两者碳当量计算结果相近查国标GB 50661-2011《钢结 构焊接规范》可知，低碳钢Q690高强钢的碳当量较高，焊接难度等级为C,不 易焊接经实验可得Q690的基本机械性能，具体数值见表2.2，其具有较高的 强度和一定的塑性表2.2 Q690低合金高强钢力学性能%屈服强度 抗拉强度 延伸率 冲击试验b /MPa b /MPa A /% A /J(-40OC)s b kv 2690 770〜940 >14 >34为了有利于分析QPT690钢的微观组织，采用Jmatpro软件计算出Q690 钢的连续冷却转变(CCT)曲线，如图2-2所示由图2-2可知，要避免铁素体、 珠光体和贝氏体的形成，而得到马氏体组织，冷却速率应大于100°C/sCCT时DI帥 UNtmifloniH ■帥耐件I •內aim戲㈱ ■也揪11阴9罰 -iMoefefl.lCfeLJn:ln」lJilEiu」-图2-2 Q690高强钢CCT曲线2.2.2 焊材及焊接工艺焊接时为了保障生产及使用时的安全性，一般会选取等强的材料强度过高 会导致焊缝金属的冲击韧性及延展性有所下降，这会降低焊接件的使用寿命，影 响生产安全和效益。

韧性的保障有利于焊接件的使用，只有焊缝金属的性能提高， 才能保证焊接件的使用对于海洋用的高强钢，其所有的工程机械使用的焊材， 还应满足符合低温、耐腐蚀等特殊要求本文采用手工焊接，焊条使用GEL-118M，尺寸为3.2 x 350mm，电流适用 范围为90〜130 Amp，焊接电压25V，焊接速度约为21cm/min化学成分如表 3 所示，其金属力学性能见表 4 表 2.3 焊条的化学成分 %项目w (C)w (Mn)w (Si)w (Cr)w(Ni )w (Mo)w(P) w(S )w (V )GEL-118M0.0821.690.350.132.290.380.010 0.0080.01表2.4熔敷金属力学性能%屈服强度拉伸强度延伸率冲击试验b / MPab / MPaA /%A /J(-40OC)sbkv275082022.0802.3 机械性能试验方法2.3.1 焊接接头拉伸试验实验采用线切割方法对力学性能焊接试板进行加工，制备拉伸和冲击等试样按照《GB/T 2649-89焊接接头机械性能试验取样方法》和《GB/T2651-2008 焊接接头拉伸试验方法》选取拉伸试样的截取位置与形状尺寸，拉伸试样的尺寸 如图2-3和图2-4所示。

试样的原始标距按照下式计算并标记：L 二 5.56 JS （2-4）0 0式中L——原始标距；0S——平行长度部分的原始横截面积0实验试样尺寸为20*80*1.7mm本试验是在常温下以0.5mm/min的速度进 行拉伸，试验仪器为Zwick T1-FR020TN A50型拉伸试验机图2-3拉伸试样尺寸图2-4试样2.3.2焊接接头冲击试验焊接接头夏比冲击试样的尺寸和试验步骤可通过查询国家标准《GB/T229-2007》和《GB/T2650-2008》试样尺寸为 10mm x 10mm x 55 mm， 采用垂直于焊缝表面的V形的缺口为了方便比较，在后续试验中取多个缺口 位置，它们分别位于焊接接头不同位置图2-5为冲击式样的尺寸大小丄■-27.310.3:：9.2^±0.0£z：图2-5冲击试样尺寸2.3.3焊接接头硬度试验按照国标《GBT2654-2008》来确定焊接接头硬度试验个测量点的位置，并 利用洛氏硬度仪（型号：500RA）进行硬度（HRC）测量试样如图2-6所示 每两个相邻的压痕，其间距不得小于2mm图2-6硬度试样测量应力的实验步骤为：先将压头压入试样表面，当达到规定值时保持一段 时间后，卸除主试验力，测量压痕的深度h。

根据深度h值以及常数N和S用式2-5计算洛氏硬度：h洛氏硬度二N - - （2-5）S式中N ——给定标尺的硬度数;S 给定标尺的单位2.4 显微组织观察与表征方法2.4.1 显微金相金相试样的制作首先采用线切割机切割，从高强钢不同的位置取样为了使 金相更加准确，能够清楚准确的观察到显微结构，按镶嵌 -粗磨-细磨-抛光-腐蚀 等步骤进行处理一般来说取样位置为零件或工件的失效位置，并根据加工工艺的特点和失效 情况分析例如失效件应在失效部位，如断口或裂纹处根据其工艺的不同，其 热处理表面与心部的组织成分分布可能不同，需多点取样，以便分析取样时不能破坏取样面的组织结构，对于软材料可用锯、车等方法：而质地 比较硬的材料则可以用线切割或砂轮机切片：大件则可用氧气切割为便于观察和制作，金相的试样尺寸不能太大，高度可取10 -15mm，而用 于观察的面切成长或直径为15 - 25mm的方形或圆形本实验采取AbrasiMet250 手动砂轮切割机和数控线切割机进行切割用于金相观察的试样，对于那些尺寸过于细小甚至不规则的，则需要通过镶 嵌机镶嵌观察镶嵌的方法很多：有夹具夹持法、电木粉镶嵌、低熔点合金的镶嵌、环氧树 脂镶嵌等等。

目前一般都有采用专门的镶嵌机用来镶嵌式样在镶嵌时会有一定 的压力和温度，这种作用下会使材料产生塑性变形和马氏体回火在这种情况下 可改用夹具夹持法本实验中对取好的试样，放入SimpliMetlOOO全自动镶样机制作试样如图 2-7并采用手工和抛磨机磨削试样最后采用 4%的硝酸酒精溶液进行金属表面 的腐蚀图2-7 SimpliMetlOOO全自动镶样机磨制时先通过水砂纸打磨，要不断的加水冷却，然后一次换上9pm、3pm 的砂纸，并使用对应研磨剂在研磨的时候要不断改变砂与金相的相对角度然 后采用ai2o3在水中的悬浮液作为抛光剂，对试样进行抛光，转速为 200 600 r / min2.4.2断口扫描及SEM技术为了研究断裂物理过程中的信息和痕迹，科学家们不断探索试样断口表面的 形成的机理和断裂机制中世纪开始，人们就对尝试通过宏观分析，用放大镜去观察金属的断口和断 口表面［58］19世纪初，从宏观上定义了断口的分类后来开始尝试用光学显微 镜分析断口但是由于技术条件的限制，一般的光学显微镜放大倍数有限，无法 真正意义上从微观上分析端口的机理70年代后，人们广泛运用电子显微镜， 提升了表面断口分析技术。

焊接技术的提高使得焊接结构件被广泛应用，但是往往灾难性的事故都与焊 接接头的缺陷有关3］要准确的判断失效的原因，这就需要通过观察断口的形 貌特征来确定当时的应力状态一般的，形貌特征包括断口的粗糙度、色泽、裂 纹扩展途径等扫描电子显微镜，简称扫描电镜，英文缩写为 SEM (Scanning ElectronMicroscope）,它是通过高速电子轰击成像的，如图2-8所示其优点在于观察方 便、不易失真、立体感强且视野宽广图2-8电镜扫描原理从微观上分析，失效断口可分为两类［60一是延展性破损，即剪切破损二是脆性断裂，也就是解理断裂根据断裂的模式，可以来诊断断裂的起因断 裂的起因有很多种，且情况比较复杂其大体上可分为设计原因、材质原因、工 艺原因、环境（使用或老化）原因等另外通过判断载荷动力过大还是材料抗力 过小等力学因素上进行分析最后要保存清洗好断口，避免污染碰伤对断口观察 的结果造成影响2.5本章小结本章给出了试验所采用的低合金高强钢Q690和焊条GEL-118M的化学成分 和力学性能等，表明了试验中采用的焊接方法及对应的焊接参数并阐明了研究 Q690钢焊接接头力学性能、接头区显微组织、精细结构及所采用的试验方法、 测试设备。

本论文将分别从宏观力学和微观金相上比较不同工艺下Q690高强钢 焊接接头的性能的差异热处理可改变Q690焊接接头的性能，扩大其应用范围, 可更好地运用到海洋用平台上。