大線能量輸入焊接粗晶熱影響區(qū)的微觀組織及力學(xué)性能

大線能量輸入焊接粗晶熱影響區(qū)的微觀組織及力學(xué)性能

在設(shè)計(jì)過程中，大螺旋能量焊接（大螺旋能量50kj）應(yīng)采用氣電立焊等大螺旋能量焊接，以提高焊接效率。大螺旋能量焊接容易導(dǎo)致焊接冷裂紋，導(dǎo)致性能惡化。傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度鋼(HSLA)在強(qiáng)度提高的同時(shí)其沖擊吸收功和焊接性顯著下降,尤其在大線能量輸入焊接條件下,焊接裂紋敏感性增加。因而在提高強(qiáng)度的同時(shí),改善鋼板的韌性及耐大線能量焊接性能也越來越受到關(guān)注。近年來,利用低碳低合金鋼中加入Ti等合金元素,在冶金過程中形成TiN等析出相抑制焊接熱循環(huán)過程中奧氏體晶粒迅速長大,提高焊接接頭的力學(xué)性能等措施,受到廣泛重視。但在大線能量輸入焊接熱循環(huán)條件下,改善粗晶熱影響區(qū)(CoarseGrainHeatAffectedZone,簡稱CGHAZ)組織,提高CGHAZ力學(xué)性能,仍然是人們一直研究的重要內(nèi)容。本研究的目的在于通過控制鋼中適當(dāng)?shù)腡i及Al含量,形成高溫穩(wěn)定的復(fù)合氧化物夾雜物析出相,促使CGHAZ中針狀鐵素體的形成,改善CGHAZ的組織,并可有效抑制奧氏體晶粒迅速長大,從而提高CGHAZ的綜合性能。1試驗(yàn)材料與方法在實(shí)驗(yàn)室用50kg真空感應(yīng)爐冶煉試驗(yàn)鋼并真空澆鑄成鋼錠,然后軋制成20mm厚鋼板,再進(jìn)行淬火+高溫回火(淬火溫度:900℃以上,保溫時(shí)間:1h;回火溫度:600℃以上,保溫時(shí)間:2h)。鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):0.09C,0.25Si,1.40Mn,≤0.02P,≤0.01S,≤0.30Cr,≤0.040Al,≤0.035Ti,47×10-4%O。從軋制鋼板上切取并加工成11mm×11mm×90mm的熱模擬試樣,在Gleeble-2000熱模擬試驗(yàn)儀上采用60、80及100kJ/cm的線能量對試驗(yàn)鋼進(jìn)行了模擬焊接熱循環(huán)試驗(yàn),再以加熱點(diǎn)為中心將試樣加工成拉伸試樣及夏比沖擊試樣,分別在INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)和JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn),沖擊吸收功數(shù)據(jù)是3個(gè)試樣的平均值,拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為兩個(gè)試樣的平均值。用OlympusPME3-323μn金相顯微鏡觀察分析微觀組織形貌、Superprobe-JXA8800R電子探針分析夾雜物形態(tài)特征及組成。從模擬CGHAZ試樣上切割0.5mm的薄片制作透射電鏡薄膜試樣,機(jī)械磨至50μm,最后用5%的高氯酸酒精溶液在-20℃進(jìn)行電化學(xué)雙噴腐蝕減薄,電壓為20V,用JEM-2000FXⅡ透射電鏡觀察其精細(xì)結(jié)構(gòu)。用IBAS-2000圖像分析設(shè)備進(jìn)行微觀組織定量分析測試。2試驗(yàn)結(jié)果2.1強(qiáng)韌性配合試驗(yàn)鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度σb=645MPa,屈服強(qiáng)度σs=580MPa,伸長率δ5=21.0%,-20℃下的沖擊吸收功AKV=213J,因此該調(diào)質(zhì)鋼具有良好的強(qiáng)韌性配合。圖1為試驗(yàn)鋼母材組織,其組織均勻,為回火馬氏體+少量鐵素體,原奧氏體平均晶粒大小約為24μm,回火馬氏體板條平均寬度約為68nm。2.2輸入線能量下降不同線能量下模擬CGHAZ的力學(xué)性能見圖2。由圖2可見,隨著線能量的增加,σb及σs均呈下降趨勢。當(dāng)輸入線能量<80kJ/cm時(shí),σb均高于610MPa,σs高于490MPa。當(dāng)線能量增加到100kJ/cm時(shí),抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度下降的幅度增加,-20℃沖擊吸收功隨著線能量的增加呈明顯下降趨勢,當(dāng)線能量為100kJ/cm時(shí),沖擊吸收功下降到60J。2.3線能量模擬石質(zhì)材料的微觀結(jié)構(gòu)觀察圖3為經(jīng)60、80及100kJ/cm能量輸入焊接條件下,模擬CGHAZ典型光學(xué)金相組織。由圖3可見,模擬CGHAZ的組織比母材復(fù)雜得多,其組織由針狀鐵素體、貝氏體、較為粗大的魏氏體及塊狀鐵素體等組成。隨著輸入線能量的提高,模擬CGHAZ中奧氏體晶粒逐漸增加,粗大的鐵素體板條(魏氏組織)數(shù)量隨之增加,經(jīng)80及100kJ/cm線能量模擬CGHAZ中部分粗大板條鐵素體橫跨整個(gè)奧氏體晶粒(見圖3b及圖3c)。圖4為經(jīng)過60kJ/cm(圖4a)及100kJ/cm(圖4b)的線能量模擬CGHAZ透射電鏡照片,展示了模擬焊接CGHAZ的精細(xì)結(jié)構(gòu),鐵素體板條寬度比調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的增加了約1倍,位錯(cuò)密度明顯下降,調(diào)質(zhì)狀態(tài)下彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)絕大部分在高溫?zé)嵫h(huán)過程中已溶解到基體中,100kJ/cm模擬CGHAZ中鐵素體板條的平均寬度>60kJ/cm模擬CGHAZ中鐵素體板條的平均寬度。研究認(rèn)為,CGHAZ中的晶內(nèi)針狀鐵素體(IntragranularAcicularFerrite,簡稱IAF)能夠提高CGHAZ的力學(xué)性能,尤其是可顯著提高沖擊吸收功。因此,用定量金相法測定了不同輸入線能量下模擬CGHAZ中的針狀鐵素體含量,結(jié)果見圖5。可見,線能量由30kJ/cm增加到75kJ/cm時(shí),針狀鐵素體含量隨著線能量的增加而提高,當(dāng)線能量超過75kJ/cm時(shí),隨著線能量的增加針狀鐵素體量隨之減少。3分析與討論3.1復(fù)合多形態(tài)鐵素體的形成及其強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果普遍認(rèn)為,針狀鐵素體可顯著提高CGHAZ的力學(xué)性能。本試驗(yàn)結(jié)果也表明,試驗(yàn)鋼模擬CGHAZ中包含大量的針狀鐵素體,具有良好的力學(xué)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)穩(wěn)定含Al2O3+Ti2O3氧化物的復(fù)合夾雜物顆粒促使針狀鐵素體的形成,見圖6。研究認(rèn)為,穩(wěn)定的復(fù)合夾雜物通過以下機(jī)理促使IAF在其界面形核并生長,①夾雜物與基體的錯(cuò)配度;②夾雜物周圍通過形成MnS而產(chǎn)生的貧Mn區(qū);③夾雜物與鐵素體的界面能。一些溶質(zhì)原子(如B、V、Mo等)偏聚也可促使針狀鐵素體的形成。本研究工作中,輸入線能量達(dá)到80kJ/cm時(shí),抗拉強(qiáng)度仍高于610MPa,沖擊吸收功高于90J,線能量達(dá)到100kJ/cm時(shí),模擬CGHAZ沖擊吸收功仍高于60J,這種相互交錯(cuò)的針狀鐵素體組織使模擬CGHAZ具有良好的綜合力學(xué)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入線能量從30kJ/cm增加到75kJ/cm時(shí),模擬CGHAZ中針狀鐵素體數(shù)量隨之增加,這是因?yàn)樵诖藷嵫h(huán)范圍,滿足針狀鐵素體形成條件(能量起伏及動(dòng)力學(xué)條件),并逐步有利于它的形成。當(dāng)輸入線能量進(jìn)一步提高到100kJ/cm時(shí),一方面,鐵素體進(jìn)一步長大;另一方面,溶質(zhì)原子通過長程擴(kuò)散形成珠光體,使CGHAZ中針狀鐵素體數(shù)量下降。試驗(yàn)鋼經(jīng)微量Al、Ti處理后形成穩(wěn)定、細(xì)小、彌散分布的復(fù)合夾雜物,經(jīng)能譜分析確定為含Al2O3+Ti2O3的氧化物及MnS的復(fù)合夾雜物,見圖7和圖8,這種復(fù)合夾雜物具有以下作用:①對鋼中可塑性夾雜物進(jìn)行有效變質(zhì),使MnS附著在Al2O3+Ti2O3復(fù)合氧化物邊緣,形成穩(wěn)定的復(fù)合夾雜物,使夾雜物的形態(tài)、大小及分布均得到改善,形成細(xì)小、圓形、彌散分布的顆粒。避免粗大、集中分布的夾雜物,使鋼的力學(xué)性能得到提高。②細(xì)小富Al2O3+Ti2O3的復(fù)合氧化夾雜物顆粒具有高溫穩(wěn)定性,在熱循環(huán)過程中可有效阻礙奧氏體晶界快速移動(dòng),細(xì)化奧氏體晶粒。③富Al2O3+Ti2O3復(fù)合夾雜物顆粒促使CGHAZ中針狀鐵素體的形成,并抑制粗大貝氏體、魏氏體及塊狀鐵素體的形成,從而細(xì)化了鐵素體晶粒,見圖7。④合金元素Al及Ti與鋼中殘留氧、氮等結(jié)合生成穩(wěn)定的析出相,鋼中氧、氮等有害元素含量進(jìn)一步減少,使鋼的綜合性能得到提高。3.2線能量的參研究中發(fā)現(xiàn),模擬CGHAZ中的針狀鐵素體組織,可顯著提高綜合力學(xué)性能。一方面隨著輸入線能量從30kJ/cm提高到75kJ/cm,IAF的含量隨之提高,見圖3;另一方面模擬CGHAZ的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊吸收功隨著線能量的增加而呈持續(xù)下降趨勢。研究表明,針狀鐵素體組織只是影響CGHAZ力學(xué)性能因素之一,其它因素如奧氏體晶粒大小、鐵素體晶粒大小、珠光體、馬氏體-奧氏體形態(tài)及分布等均是影響CGHAZ力學(xué)性能的因素。隨著輸入線能量的增加,熱循環(huán)過程中奧氏體晶粒會(huì)逐漸長大,相應(yīng)地,鐵素體板條也會(huì)變寬、變長,有的魏氏體鐵素體板條甚至?xí)灤┱麄€(gè)奧氏體晶粒,這種因素惡化了CGHAZ力學(xué)性能。圖9展示的是80kJ/cm線能量模擬CGHAZ經(jīng)過飽和苦味酸腐蝕的光學(xué)組織,可見,模擬熱循環(huán)過程中形成了粗大的鐵素體板條(魏氏體)及沿鐵素體板條形成的珠光體及M-A相等,這些組織使模擬CGHAZ綜合力學(xué)性能降低。4實(shí)際焊接粗晶熱影響區(qū)中金屬元素體數(shù)量的變化(1)研制的低碳低合金600MPa級耐大線能量焊接用鋼模擬CGHAZ具有良好的強(qiáng)韌性配合。(2)模擬熱循環(huán)中,隨著輸入線能量從30kJ/cm提高到75kJ/cm,模擬焊接粗晶熱影響區(qū)中針狀鐵素體數(shù)量隨之增加,