Nb對低碳鋼焊接區(qū)組織和性能的影響

路寶學， 萬榮春， 劉佳

（1.渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶重工有限責任公司，遼寧葫蘆島125000）

Nb對低碳鋼焊接區(qū)組織和性能的影響

路寶學1， 萬榮春1， 劉佳2

（1.渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島125000；2.渤海船舶重工有限責任公司，遼寧葫蘆島125000）

通過微觀組織分析研究了含鈮低碳鋼焊接接頭的組織特征，測定了焊接接頭各區(qū)域的硬度分布。結(jié)果表明鋼中由于Nb的存在，使焊接區(qū)組織發(fā)生變化，粗晶區(qū)得到細化，同時降低了焊縫脆化的傾向，使鋼具有良好的焊接性能與力學性能。

Nb；焊接區(qū)；低碳鋼；硬度

0 引言

微合金化鋼近幾十年迅猛發(fā)展，因其良好的強韌性與焊接性能［1］，廣泛用于橋梁、船舶、壓力容器等重要焊接結(jié)構(gòu)件中。在微合金鋼焊接時，焊接接頭的韌性首先取決于鋼的化學成分，在成分已定的情況下則主要取決于其顯微組織。本文將通過金相和硬度試驗，來研究微合金化元素Nb對低碳鋼焊接區(qū)的組織和性能。

1 試驗材料與方法

焊接試驗用鋼選用厚14 mm的熱軋含鈮低碳鋼板，其中Nb含量為0.046%，其具體化學成分如表1所示。

焊材選用直徑為3.2 mm的MK507堿性焊條，焊條化學成分如表2，其ReL≥410 MPa，Rm≥490 MPa，A≥24%。同時將鋼板加工成14 mm×80 mm× 200 mm，并且切割成30°V形坡口。

表1 試驗鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù) %

表2 焊條的化學成分質(zhì)量分數(shù) %

試件采用焊條電弧焊單面焊雙面成型，首先進行裝配，在試樣兩端定位焊，定位焊縫長度10 mm，試板間隙3 mm，焊接電流選擇130 A，焊接電壓選擇24 V，焊接速度150 mm/min，焊接6道次［2］。

焊接后試驗鋼的焊縫橫剖面經(jīng)切割、研磨、拋光及4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，在德國蔡司Axiophot2型光學金相顯微鏡下觀察組織并照相。

利用HR-150洛氏硬度計測試焊接后試驗鋼的焊縫橫剖面的硬度，試驗溫度為室溫（實測溫度為15℃）。加預(yù)載10 N，主載荷140 N，保持時間為15 s，每個待測點測3個硬度值，再取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗鋼顯微組織

如圖1所示為試驗鋼焊接接頭的顯微組織。焊接接頭一般分為4部分：焊縫區(qū)、過熱粗晶區(qū)、細晶區(qū)和母材。圖1（a）顯示為焊縫區(qū)中心，為鐵素體+珠光體組織。焊縫區(qū)中心的晶粒為等軸，而不是一般焊縫區(qū)的柱狀晶。粗大針狀鐵素體（柱狀晶）和珠光體出現(xiàn)在焊縫區(qū)邊緣，如圖1（b）所示熔合線附近。粗晶區(qū)（圖1（c））緊靠焊縫，此區(qū)域溫度較高，奧氏體晶粒易發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，冷卻后便得到相對較粗大的組織，但未發(fā)現(xiàn)馬氏體，僅觀察到類似貝氏體組織的針狀鐵素體。細晶區(qū)為等軸鐵素體+珠光體組織，如圖1（d）所示，細晶區(qū)組織晶粒尺寸與焊縫區(qū)中心組織晶粒尺寸接近。相對母材區(qū)，焊接時細晶區(qū)溫度升至Ac3以上，相變重結(jié)晶進行完全，即組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，空冷后得到均勻細小的鐵素體+珠光體組織［3-4］。圖1（e）顯示為母材區(qū)的組織，為鐵素體+珠光體。母材區(qū)組織的晶粒尺寸明顯大于細晶區(qū)。另外，在細晶區(qū)與母材之間還存在不同溫度的過渡區(qū)，這個區(qū)域為部分相變區(qū)圖1（f），此區(qū)在焊接時，珠光體部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，鐵素體部分溶解，未發(fā)生完全相變［5］。冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉闹楣怏w和鐵素體，加熱時未溶解的鐵素體成為粗大的鐵素體，因此此區(qū)域晶粒大小不一，組織不夠均勻。

圖1 試驗鋼焊接區(qū)的組織

2.2 力學性能

焊接接頭硬度測試結(jié)果見圖2，從顯微硬度變化曲線看，沿焊接區(qū)硬度變化不是很大，其中母材區(qū)最低，焊縫部分與熱影響區(qū)中粗晶區(qū)硬度最高。熱影響區(qū)中最高硬度值為216HV10。熱影響區(qū)由于受熱循環(huán)作用，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，使該區(qū)硬度升高，塑性下降，從而增加熱影響區(qū)開裂傾向［6-7］。實踐中根據(jù)經(jīng)驗往往用熱影響區(qū)的硬度值來衡量其焊接性能的好壞，當熱影響區(qū)的硬度值達到350HV10以上時就容易產(chǎn)生開裂。所研究鋼焊接時未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且其最高硬度值為216HV10，故可認為該鋼具有較好的焊接性能，可在不預(yù)熱的條件下進行焊接。

圖2 試驗鋼焊接區(qū)的硬度

3 結(jié)論

1）低碳鋼中由于Nb的存在，使焊接區(qū)組織發(fā)生變化，粗晶區(qū)得到細化。

2）試驗鋼種具有較好的焊接性能，可在不預(yù)熱的條件下進行焊接。

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（編輯昊 天）

Effect of Nb on Microstructure and Properties of Welding Zone in Low-carbon Steel

LU Baoxue1， WAN Rongchun1,LIU Jia2
（1.Materials Engineering Department,Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125005,China; 2.Bohai Shipbuilding Heavy Industry Co.,Ltd.,Huludao 12500,China）

The microstructure in welding zone of low-carbon steel was investigated by microscope.The hardness distribution measurements on the different welded specimens were conducted.The results show that microstructure of welding zone has been refined and embrittling tendency of welding line is decreased due to Nb solubilization and precipitation.The steel exhibits excellent mechanical properties and welding properties.

Nb;welding zone;low-carbon steel;hardness

TG 142.1

A

1002－2333（2014）05－0057－02

路寶學（1982—），男，實驗師，主要研究方向為材料成型。

2014-02-26