羅永劍，周友龍，趙艷麗，張 鍇，姬生星

（西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

35CrMo鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，成分相當(dāng)于國(guó)外ASTM4130鋼，其調(diào)制后的抗拉強(qiáng)度大于等于985MPa，屈服強(qiáng)度大于等于835MPa，沖擊韌性大于等于63J。該鋼種在火力發(fā)電、石油化工、航空、航天、造船等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用。35CrMo鋼中的合金元素以鉻和鉬為主，鉻元素的主要作用是提高鋼的淬透性。鉻溶于Fe3C后，可以使碳化物具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，阻止碳化物的分解和減緩碳在鐵素體中的擴(kuò)散，有效防止石墨化。鉬是其中主要的強(qiáng)化元素，鉬優(yōu)先進(jìn)入固溶體使其強(qiáng)化，提高鋼的熱強(qiáng)性，降低熱脆敏感性[1]。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用母材為35CrMo鋼，板厚16 mm，35CrMo鋼的化學(xué)成分如表1所示。

1號(hào)試樣采用的焊條為CHE857XX，2號(hào)試樣采用的焊條為CHE757XX。焊前采用氧-乙炔焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度150℃～280℃。坡口型式采用X形。接頭簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 試樣的焊接接頭簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)采用焊條電弧焊，焊后進(jìn)行560℃的高溫回火處理。對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相試驗(yàn)。在WD-E系列精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，使用GX40觀察接頭的微觀金相組織，使用HV-10維氏硬度計(jì)檢測(cè)維氏硬度。

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分%

表2 1#試樣的焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所示，用CHE857XX焊接的試樣的抗拉強(qiáng)度比用CHE757XX焊接的要高。兩組試驗(yàn)中，焊縫的沖擊值都比熱影響區(qū)高，兩種焊接接頭的強(qiáng)度均滿足相關(guān)的技術(shù)要求。

表3 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果

2.2 接頭硬度分布

調(diào)質(zhì)鋼在調(diào)制狀態(tài)下焊接時(shí)，熱影響區(qū)被加熱到超過(guò)回火溫度的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的軟化現(xiàn)象[2]，1#和2#焊接接頭的硬度分布如圖2、圖3所示。

圖3 2號(hào)試樣硬度分布曲線

用CHE857XX焊接的試樣硬度比CHE757XX焊接的試樣要高。這是由于焊絲中的化學(xué)成分對(duì)焊縫的力學(xué)性能和組織的影響。焊條CHE857XX和CHE757XX都是低氫型焊條，前者比后者含有更多的Cr和V元素，后者含有較多的Ni元素。Cr元素能提高材料的淬透性、強(qiáng)度和硬度，V元素能顯著改善低碳合金鋼的焊接性，這兩種元素都很容易與碳結(jié)合，從而形成更多的強(qiáng)化相，使得焊縫的硬度較高。Ni元素能提高鋼的強(qiáng)度而不降低其韌性。

兩組試驗(yàn)中，焊縫上部的硬度都比焊縫中部的要高一些，這是因?yàn)榍耙坏篮缚p受到后一道焊縫的熱輸入影響，前道發(fā)生一定程度的軟化。

2.3 焊接接頭顯微組織分析

2.3.1 焊接接頭組織轉(zhuǎn)變

同一焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度是不同的，從而影響到接頭各個(gè)區(qū)域的組織狀況也不同。從焊接接頭連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖即CCT圖可以比較直觀地預(yù)測(cè)和解釋焊接接頭出現(xiàn)的各種組織狀況，如圖4所示。

圖435CrMo鋼的CCT曲線

由圖4可知，35CrMo鋼的相變溫度為700℃～800℃，當(dāng)冷卻時(shí)間大于104s時(shí)，主要形成的組織是鐵素體+珠光體；而當(dāng)冷卻時(shí)間在103～104s時(shí)，主要形成的組織是鐵素體+貝氏體；當(dāng)冷卻時(shí)間在102～103s時(shí)，形成的組織以貝氏體為主；當(dāng)冷卻時(shí)間小于102s時(shí)，會(huì)形成淬硬的馬氏體。在焊接過(guò)程中，一般冷卻速度都比較快，冷卻速度的范圍大概在10～104s之間，其中焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)的冷卻速度很快，介于10～102s，很容易形成淬硬馬氏體，而部分相變區(qū)的冷卻速度在103～104s之間，這樣冷卻下來(lái)形成以貝氏體+少量鐵素體為主的組織，當(dāng)焊接試樣在560℃回火處理時(shí)，此時(shí)整個(gè)接頭的組織都會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而且在轉(zhuǎn)變后的組織中，淬硬組織已基本消失，取而代之的是回火馬氏體或回火貝氏體組織，這些組織的塑性和韌性都要明顯高于淬硬馬氏體組織的性能，因此在焊接此類材料時(shí)，應(yīng)盡可能使接頭的金相中含有較多的粒狀貝氏體或回火馬氏體等。

2.3.2 不同焊絲對(duì)接頭組織和性能的影響

焊縫的金相組織取決于母材和填充金屬（焊條）的比例（熔合比）及焊接工藝條件。用不同的焊材焊接同種母材，接頭金相組織是有差別的，從而對(duì)焊縫的性能有一定影響，如圖5、圖6所示。

圖5 1#上部焊縫區(qū)組織（200×）

1#、2#上部焊縫硬度曲線如圖7所示。由圖7可知，1#上部焊縫處的硬度要明顯高于2#上部焊縫和母材的硬度。1#焊縫硬度約為365 HV，2#焊縫的硬度與母材相當(dāng)。1#試樣熱影響區(qū)軟化區(qū)的硬度要高于2#軟化區(qū)。從組織上看：1#焊縫組織為貝氏體+少量回火索氏體；而2#焊縫組織主要為貝氏體，且晶粒因?yàn)楹附泳€能量稍大造成組織粗大，并且使得熱影響區(qū)軟化程度更嚴(yán)重。

圖6 2#上部焊縫區(qū)組織（200×）

圖7 1#、2#上部焊道硬度

綜合可以得出，采用CHE857CrNi焊接的試樣，焊縫的硬度與母材差別很大；采用CHE757Ni焊接的試樣，其焊縫硬度與母材相當(dāng)，而且軟化區(qū)的硬度遠(yuǎn)低于母材。1#中的碳化物強(qiáng)化相比2#的要多，這是提高其力學(xué)性能的重要因素。

3 結(jié)論

（1）采用焊絲CHE857XX焊接的試樣，其接頭的抗拉強(qiáng)度和沖擊功都高于用焊絲CHE75XX焊接的試樣。焊縫的硬度要比用焊絲CHE757XX焊接的試樣高。

（2）對(duì)于各組試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，由于采用多道焊，后道焊接會(huì)對(duì)前一道焊接有一定的熱影響，所以焊縫上部的硬度要高于焊縫中部。

（3）造成兩種焊接接頭性能不同的原因之一是焊接材料不同，更重要是焊接接頭冷卻速度不同。

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[1]于啟湛，史春元.耐熱金屬的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]王 勇，王引真.材料冶金學(xué)與成型工藝[M].北京：石油大學(xué)出版社，2005.