【摘 要】
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结合当前钢结构向大规格方向发展的趋势与大线能量焊接提高效率、降低成本的优势,工程结构钢除了要具备高强韧性外,还要有良好的焊接性能,表现为强韧化的粗晶热影响区（CGHAZ）。本文以Nb-V-Ti复合微合金化结构钢为研究对象,运用Gleeble-3800热/力模拟试验机对0.05Nb-0.22V-0.01Ti和0.10Nb-0.22V-0.01Ti实验钢大线能量焊接进行模拟,系统地分析了不同焊接热输入
【基金项目】
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内蒙古自治区自然科学基金（2018BS05002）； 国家自然科学基金（51804170）；
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结合当前钢结构向大规格方向发展的趋势与大线能量焊接提高效率、降低成本的优势,工程结构钢除了要具备高强韧性外,还要有良好的焊接性能,表现为强韧化的粗晶热影响区（CGHAZ）。本文以Nb-V-Ti复合微合金化结构钢为研究对象,运用Gleeble-3800热/力模拟试验机对0.05Nb-0.22V-0.01Ti和0.10Nb-0.22V-0.01Ti实验钢大线能量焊接进行模拟,系统地分析了不同焊接热输入条件下CGHAZ组织演变规律、碳氮化物析出特征及力学性能;并对比研究了增加钢中Nb元素含量对CGHAZ组织与性能的影响。由Thermo-Calc热力学计算结果可知,实验钢中平衡析出碳氮化物有FCC＿A1#2为富V（C,N）低温析出相,FCC＿A1#3是富Nb C中温析出相,FCC＿A1#4为富Ti N高温析出相;增加钢中Nb含量,能够促进富Nb C相析出,抑制富Ti N相和富V（C,N）相析出,碳氮化物析出量总和增大,同时奥氏体中固溶Nb数量增多。电镜分析非平衡条件下CGHAZ碳氮化物的析出特征发现,析出相的种类和成分与热力学计算结果基本一致;其中亚微米级富Ti N和富Nb C颗粒可钉扎晶界、诱导针状铁素体和晶内块状铁素体的形成,有利于改善CGHAZ冲击韧性,而纳米级富V（C,N）颗粒,能够分布在基体、晶界和位错上,利用析出强化提升CGHAZ强度。焊接热输入量对Nb-1实验钢CGHAZ组织演变的影响表明,当E=50k J/cm时,显微组织由马氏体和板条贝氏体组成,且以贝氏体为主;当E=100k J/cm时,组织转变为晶内块状铁素体、针状铁素体、板条贝氏体,且以针状铁素体为主;当E=150和200k J/cm时,显微组织主要由沿晶铁素体、晶内块状铁素体和针状铁素体组成,还有少量的侧板条铁素体、贝氏体和珠光体,其含量和尺寸随着热输入的增加而增大;针状铁素体的含量先增大后减小,当E=100k J/cm时获得最大值51.5%;原奥氏体晶粒尺寸由39.3μm逐渐增大至81.2μm;大角度晶界所占比例由0.537先增大到0.607（E=100k J/cm）后减小至0.423,有效晶粒尺寸由7.16μm不断增大至19.95μm,平均KAM值由0.763°先减小至0.548°（E=150k J/cm）后增加至0.595°。焊接热输入量对Nb-1实验钢CGHAZ显微硬度和冲击韧性的影响表明,当E由50k J/cm增加到200k J/cm,硬度值由304±22.5HV0.1降低至269±15.3HV0.1;20°C对应的冲击功值先由216J±10.3J增大到219±3.7J后减小至184±7.5J,0°C冲击功先由127±4.3J增大到147±8.6J后减小至111±2.9J,-20°C冲击功值先由58±2.7J增大到64±3.0J后减小至45±2.1J,当E=100k J/cm时CGHAZ冲击韧性最优;主要原因是显微组织中针状铁素体含量最高,其交叉互锁的铁素体条片与相邻组织取向差大,能够显著增加大角度晶界所占比例,有效阻碍裂纹扩展及二次裂纹的产生。对比分析增加Nb含量对实验钢CGHAZ组织与性能的影响发现,在焊接热输入一定的条件下,随着Nb含量由0.05wt%增加到0.10wt%,粗晶热影响区显微组织类型一致,但占比不同;当E=50k J/cm时,显微组成中板条贝氏体的含量增加,而马氏体含量减少,当E=100～200k J/cm时,晶内铁素体的含量增加,特别是针状铁素体,而沿晶铁素体、侧板条铁素体、珠光体含量均减少;同时,大角度晶界所占比例增大,平均有效晶粒和原奥氏体晶粒细化,平均KAM值降低;显微硬度值变化并不明显,但冲击韧性得到改善,尤其是低温冲击韧性。Nb-V-Ti复合微合金化结构钢适宜的焊接热输入值为100k J/cm,对应的CGHAZ显微硬度与冲击韧性配合最优;而钢中Nb元素含量增加至0.10wt%,可增大固溶Nb对晶界的溶质拖曳效应与碳氮化物的钉扎作用,强化细晶效果;同时,能够促进亚微米颗粒如富Nb C-（Nb,V,Ti）（C,N）异质形核诱导针状铁素体形成,且二者之间的取向关系为[011]MC//[11 1]Ferrite,有利于粗晶热影响区强韧性的提升,更好地适应大线能量焊接。
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