鎳含量對高強鋼熔敷金屬性能和組織的影響

郭棲利，毛高軍，蔣勇，明廷澤，謝玉倫，曹睿，陳劍虹

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643000；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730000）

0 前言

近年來，抗拉強度850 MPa以上的低合金高強鋼在海上采油平臺及工程機械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是由于焊接材料制備的復(fù)雜性以及焊接熱過程的局限性等因素，導(dǎo)致焊縫金屬低溫韌性遠低于母材。如何在滿足強度要求的條件下提高熔敷金屬的韌性一直是焊接工作者研究的熱點課題之一。除此以外，國內(nèi)與高強鋼焊接配套的高強鋼用藥芯焊絲品種很少，且基本依賴進口，因此國內(nèi)對研制強度高且韌性優(yōu)良的藥芯焊絲有迫切的需求。

藥芯焊絲分為酸性、堿性、自保護型及金屬粉型藥芯焊絲四類[1]。本課題選用金屬粉型藥芯焊絲，因為它具有熔敷速度快、焊縫成形好、擴散氫含量低及熔渣含量少等優(yōu)點，并且在配方中可添加較多量的多種合金元素，來提高熔敷金屬的綜合性能[2]。Ni是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，并使之強化，能降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度、提高低溫沖擊韌性[3-6]。影響熔敷金屬強度與韌性的一個重要因素是熔敷金屬中合金元素的種類和含量，本文通過改變金屬藥芯焊絲中的Ni元素含量，研究Ni含量對低合金高強鋼對熔敷金屬性能及組織的影響。

在本課題研究中，對低碳貝氏體高強鋼采用含有不同含鎳量的藥芯焊絲進行焊接，并對熔敷金屬的力學(xué)性能和組織進行分析，最終獲得不同鎳含量對熔敷金屬沖擊韌性和拉伸性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

試驗?zāi)覆臑?0 mm厚的Q345鋼板，采用直徑為1.2 mm的金屬粉型藥芯焊絲，型號為GB/T 17493 E83C-K4，牌號是CHT120CK4。采用80%Ar+20%CO2作為保護氣體，焊接電流約為240 A，電壓為29 V，熱輸入為 15～19 kJ/cm，焊接速度為 21～27 cm/min，道間溫度保持在100 ℃左右。為了降低母材對焊縫金屬的成分以及性能的影響，在試板兩側(cè)的坡口處堆焊3 mm的熔敷金屬，然后進行多層多道焊接試驗，焊接方式如圖1所示。

圖1 多層多道焊焊接方式

采用四種不同Ni含量的焊絲進行焊接，母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示，焊縫熔敷金屬的化學(xué)成分如表3所示。

表1 試驗用鋼板Q345化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 試驗用鋼板Q345力學(xué)性能

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔敷金屬沖擊性能

不同條件下熔敷金屬沖擊吸收能量如表4和圖2所示。

從表4及圖2中，可以明顯看到，當(dāng)w（Ni）=0時，常溫沖擊韌性值較高，隨著沖擊溫度的降低，低溫沖擊韌性開始越變越低。當(dāng)w（Ni）=4%時，熔敷金屬具有最高的低溫沖擊韌性；當(dāng)w（Ni）=2% 和w（Ni）=6% 時，沖擊性能有所下降。

表4 不同溫度下熔敷金屬沖擊吸收能量KV2 單位：J

圖2 熔敷金屬沖擊韌性示意圖

2.2 熔敷金屬拉伸性能

焊縫熔敷金屬拉伸性能如表5和圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)w（Ni）=4%時，熔敷金屬抗拉強度和屈服強度達到最大；當(dāng)Ni含量是6%時，由裂紋指數(shù)（HCI=1080P+733S+13Si+0.2Ni-43C-3Mn-0.7Cr）計算可知，此時更容易產(chǎn)生熱裂紋?？估瓘姸冉档?，已經(jīng)找不到明顯的下屈服平臺，試樣在做拉伸試驗時，出現(xiàn)明顯的脆斷，表面開始出現(xiàn)微裂紋。

表5 熔敷金屬拉伸性能

圖3 熔敷金屬拉伸性能示意圖

2.3 熔敷金屬斷口分析

為了研究Ni對低溫沖擊韌性的影響，選取了-50℃及-196 ℃的典型斷口，對組織及斷裂形式進行分析。

不同Ni含量熔敷金屬的宏觀斷口形貌如圖4～圖6所示。

由圖4及圖5可以看出，隨著Ni含量的增多，起裂源的斷裂方式由解理斷裂最終轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩斷裂，但是當(dāng)Ni含量超過6%時，韌窩周圍出現(xiàn)了解理面，這與前面的結(jié)果是相吻合的。

圖4 -50 ℃不同Ni含量的熔敷金屬沖擊斷口宏觀形貌

圖5 -50 ℃不同Ni含量的熔敷金屬沖擊斷口微觀形貌

圖6 -196 ℃不同Ni含量的熔敷金屬沖擊斷口宏觀形貌

圖7 -196 ℃不同Ni含量對應(yīng)熔敷金屬沖擊斷口微觀形貌

由圖6及圖7可知，當(dāng)Ni含量為4%時，沖擊試驗獲得的試樣斷口呈典型的韌性斷裂形貌，斷口中韌窩數(shù)量較多、尺寸較小、深度較深、分布較均勻；但當(dāng)Ni含量增加到6%時，沖擊試驗獲得的試樣斷口微觀形貌中韌窩逐漸變少、變淺，并開始出現(xiàn)部分脆性斷裂形貌-河流狀解理花紋，且脆性斷裂形貌所占的比例逐漸升高。

2.4 熔敷金屬金相組織分析

熔敷金屬試樣經(jīng)研磨、拋光后，用過飽和苦味酸溶液超聲波震蕩腐蝕5 min，在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形貌；另一部分試樣用3%硝酸酒精腐蝕12 s，在掃描電鏡下觀察其微觀組織形態(tài)。

合金元素的成分及其含量直接影響焊縫組織形貌，而焊縫組織決定其力學(xué)性能，因此明確合金元素Ni對焊縫組織的影響規(guī)律對分析Ni對焊縫力學(xué)性能的影響是非常必要的。不同Ni含量對應(yīng)熔敷金屬沖擊斷口起裂源處組織如圖8所示。

圖8 不同Ni含量的焊縫金屬沖擊斷口起裂源處組織

由圖8a可知，當(dāng)Ni含量幾乎為0時，起裂源處的微觀組織主要由大量的粒狀貝氏體(GB)和塊狀的先共析鐵素體(PF)組成。Ni2試樣焊縫金屬的顯微組織與Ni0試樣相差不大，主要有粒狀貝氏體。Ni4試樣連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由蛻化的上貝氏體、致密的板條貝氏體和馬氏體、針狀鐵素體組成，而Ni6試樣的組織為板條貝氏體、馬氏體及極少量的針狀鐵素體。

產(chǎn)生圖2所示結(jié)果最主要的原因是：隨著Ni含量由0增加到4%，焊縫金屬組織中針狀鐵素體含量逐漸增多，先共析鐵素體逐漸減少。由于針狀鐵素體比較細小，取向自由，呈大角度晶界，具有較強的抗裂紋擴展能力；又因針狀鐵素體板條之間為大角度晶界，且含有高密度位錯，微裂紋解理跨越針狀鐵素體要消耗較高的能量。因此這種組織不僅可以提高焊縫金屬的強度，而且能夠顯著提高焊縫金屬的沖擊韌性。而先共析鐵素體是奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，為低屈服點的脆性相，因而會使焊縫金屬的韌性降低。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)Ni含量增大到w（Ni）=4%時，沖擊韌性和抗拉強度得到最優(yōu)結(jié)果；隨著Ni含量增加到w（Ni）=6%時，低溫沖擊韌性及抗拉強度大大降低，出現(xiàn)微裂紋及脆斷。

（2）隨著Ni含量的增加，斷口起裂源處由解理斷裂最后轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩斷裂，當(dāng)Ni含量增加到6%時，由于熱裂紋的存在，最后轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂方式。

（3）隨著Ni含量的增加，焊縫金屬微觀組織的變化規(guī)律是由粒狀貝氏體和先共析鐵素體，轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l貝氏體和針狀鐵素體，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l貝氏體、板條馬氏體、針狀鐵素體和少量先共析鐵素體。

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