不同熱輸入下F460鋼焊接粗晶熱影響區(qū)韌脆轉變的內在機理

李　靜，曹　睿，毛高軍，劉東升，陳劍虹

(1 蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050；2 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

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不同熱輸入下F460鋼焊接粗晶熱影響區(qū)韌脆轉變的內在機理

李靜1，曹睿1，毛高軍1，劉東升2，陳劍虹1

(1 蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050；2 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

使用Gleeble 3800熱模擬試驗機模擬F460鋼單道次焊接條件下焊接粗晶熱影響區(qū)的熱循環(huán)過程，通過光鏡(OM) 、掃描電鏡(SEM)分析熱影響區(qū)的顯微組織、確定臨界事件,通過ABAQUS軟件計算臨界解理斷裂應力σf，進而系統分析不同焊接熱輸入E下韌脆轉變溫度變化的內在機理。結果表明：隨著E的提高，焊接粗晶熱影響區(qū)顯微組織依次為少量板條馬氏體和大量細密的板條貝氏體，板條貝氏體較多的板條/粒狀貝氏體，粒狀貝氏體較多的板條/粒狀貝氏體，粗大的粒狀貝氏體。原始奧氏體晶粒、貝氏體團的最大尺寸隨著E的提高而變大。在完全解理斷裂的沖擊斷口上，尋找停留在缺口尖端附近的殘留裂紋，通過對比殘留裂紋長度、原始奧氏體晶粒大小、貝氏體團尺寸，發(fā)現不同E下解理斷裂的臨界事件尺寸都是貝氏體團大小，而臨界事件尺寸越小，韌脆轉變溫度越低。此外，通過有限元模擬缺口尖端的應力分布得到σf，σf越大沖擊韌度越好，隨著E的提高σf降低，故進一步說明隨著E的提高韌脆轉變溫度Tk上升的內在機理。

F460鋼；焊接粗晶熱影響區(qū)；韌脆轉變；臨界事件；解理斷裂應力

F460鋼是屈服強度大于460MPa的F級船板鋼，其工作環(huán)境溫度低且受力復雜，為確保船體在工作環(huán)境中的安全性，要求母材鋼板、焊縫以及熱影響區(qū)(HAZ)均具有等同的強度、韌性。通過調整焊材的化學成分以及焊接工藝參數，焊縫可以得到與母材等同的強度與韌性。當母材化學成分一定時，HAZ的組織與性能主要取決于焊接時的熱輸入，故通過優(yōu)化焊接熱輸入可以達到改善HAZ的組織與性能[1-3]。然而，HAZ在焊接熱循環(huán)的作用下往往會發(fā)生晶粒粗化，造成焊接接頭的局部韌性惡化，嚴重影響船體的整體安全性。

Liu等[4，5]使用焊接熱模擬技術，討論了不同焊接熱輸入下(5，30，50，100kJ/cm)熱影響區(qū)的組織與低溫沖擊韌度的關系。但是，不同焊接熱輸入下導致韌脆轉變溫度發(fā)生變化的根本原因還不清楚。本工作通過不同線能量下組織的觀察、臨界事件的確定、臨界解理斷裂應力σf的計算，系統分析不同焊接熱輸入下韌脆轉變溫度變化的內在機理。

1　實驗材料和方法

本實驗所用母材為F460鋼，其化學成分如表1所示。首先，使用Gleeble 3800熱模擬試驗機在F460鋼上進行HAZ模擬，并應用Rykalin點熱源解析公式[6]，計算HAZ溫度-時間曲線，從而模擬HAZ的單道次焊接熱循環(huán)，詳細的熱模擬工藝參數如圖1所示，加熱速率為116.39℃/s，峰值溫度為1352.4℃，焊接熱輸入分別為15，30，50，100kJ/cm，所對應的t8/5(800℃到500℃的冷卻時間)依次為4.08，7.52，13.36，25.65s。Charpy V型試樣按GB/T2975-1998標準制備，尺寸為10mm×10mm×55mm，沿厚度方向(ND)加工成標準V型缺口。熱模擬試樣的V形缺口是在熱電偶點焊接處且沿ND加工[6]。使用450-J沖擊試驗機按照GB/T229-2007標準，在-195～0℃之間進行沖擊性能測試，其中通過調節(jié)液氮與工業(yè)酒精的比例獲得所需低溫。

表1　F460鋼的化學成分(質量分數/%)Table 1　The chemical composition of F460 steel(mass fraction/%)

圖1　不同熱輸入下焊接熱影響區(qū)的溫度-時間熱循環(huán)曲線Fig.1　The welding thermal cycle curves between temperature and time of HAZ with various heat inputs

圖2為金相試樣沖擊斷口側面示意圖。將處于韌脆轉變曲線下平臺的脆性解理斷口試樣切成5個2mm厚的薄片，機械拋光后用過飽和苦味酸常溫腐蝕15min，分別用OM，SEM觀察HAZ的微觀組織形態(tài)，并用Image軟件測量原始奧氏體晶粒大小與貝氏體團的尺寸。然后將重新拋光后的金相試樣用質量分數為3%的硝酸酒精腐蝕，用SEM觀察HAZ上距沖擊缺口尖端250μm范圍內的殘留裂紋，將其長度與原始奧氏體晶粒大小、貝氏體團尺寸比較，以確認裂紋擴展過程中最艱難階段-臨界事件。

圖2　沖擊斷口側面金相試樣示意圖Fig.2　Metallographic specimen of cross section perpendicular to the impact fracture surface

通過應用有限元軟件ABAQUS建立夏比V型缺口模型，沖擊模型如圖3所示，模型的節(jié)點數為9480，單元數為6912，并采用ABAQUS/explicit動態(tài)分析。在設置材料屬性時，將彈性模量與泊松比分別設定為2×106MPa和0.3，而將完全解理斷裂時的動態(tài)沖擊應力、應變設定為材料的塑性性能。結合解理起裂位置Xf值(起裂源到塑性裂紋擴展區(qū)末端的垂直距離)和有限元計算的沖擊缺口前端的應力分布曲線，測得不同熱模擬工藝下起裂點處的臨界解理斷裂應力σf。

圖3　夏比沖擊試樣有限元模型Fig.3　Finite element model of the Charpy impact specimen

2　結果與分析

2.1不同熱輸入下的沖擊韌度

韌脆轉變溫度Tk是衡量材料脆性轉變的重要指標，其值越低表示材料的低溫韌性越好、應用范圍越廣。圖4為不同熱輸入下HAZ的韌脆轉變曲線。可知，隨著熱輸入的增加，相應的韌脆轉變溫度逐漸上升，依次為-95，-60，-30，-26℃。

圖4　不同熱輸入下HAZ的韌脆轉變曲線Fig.4　Ductile-brittle transition curves of HAZ with various heat inputs

2.2HAZ的顯微組織

不同熱輸入下HAZ的顯微組織如圖5所示。隨著熱輸入的增加，冷卻速率降低，原始奧氏體晶粒與貝氏體團逐漸變粗，相變產物亦發(fā)生變化。在15kJ/cm下獲得的組織是少量的板條馬氏體和大量細密的板條貝氏體。而在30，50，100kJ/cm下所獲得的組織是板條貝氏體與粒狀貝氏體的混合組織，尤其當E≥50kJ/cm時形成的粒狀貝氏體所占比例明顯增多，當E=100kJ/cm時，顯微組織以粗大的粒狀貝氏體為主，此外板條之間的距離亦隨著熱輸入的增加而增加。

圖5　不同熱輸入下HAZ的顯微組織(a)15kJ/cm;(b)30kJ/cm;(c)50kJ/cm;(d)100kJ/cmFig.5　The microstructures of HAZ with various heat inputs(a)15kJ/cm;(b)30kJ/cm;(c)50kJ/cm;(d)100kJ/cm

對板條組織而言，板條團是實際的韌性控制單元，板條團之間形成較大取向的晶界，大角度晶界使裂紋的擴展方向發(fā)生偏移，從而消耗一定的能量。板條團尺寸越小，單位面積內所含大角度晶界的比例越高，材料韌性提高的越明顯，隨著熱輸入的增加，板條團尺寸增加，其中15kJ/cm下的板條團尺寸明顯較小，這就是15kJ/cm下板條馬氏體韌性遠高于其他熱輸入下貝氏體韌性的主要原因之一。

粒狀貝氏體內含有較大尺寸的硬質相——M/A組元，該組元分布于鐵素體基體上。隨著熱輸入的增加，粒狀貝氏體的M/A組元變粗大，而粗大的M/A組元減少了M/A組元與鐵素體基體的界面，導致塑性α相在變形時的滑移自由程減少[7，8]，使得裂紋容易擴展，從而降低了材料的韌性。由此可知，粒狀貝氏體含量越高，尺寸越粗大，材料韌性下降越明顯。

綜上所述，有效晶粒-板條團(本工作稱為貝氏體團)尺寸的增加，粒狀貝氏體含量的增加與尺寸的粗化，導致HAZ韌性隨熱輸入的增加而下降。

Chen等[9-13]研究指出,試樣沖擊韌度的好壞和解理斷裂的早晚有關，同時也取決于控制解理斷裂臨界事件的最大尺寸。圖6為不同熱輸入下原始奧氏體晶粒尺寸和貝氏體團尺寸的變化?？芍?，隨著熱輸入的增加，原始奧氏體晶粒尺寸和貝氏體團尺寸逐漸變大，其對應的最大原始奧氏體晶粒尺寸依次為164，225，282，293μm，最大貝氏體團尺寸依次為56，85，105，132μm。

圖6　原始奧氏體晶粒尺寸(a)和貝氏體團尺寸(b)隨熱輸入的變化規(guī)律Fig.6　Variation of original austenite grain size(a) and bainite packet size(b) with various heat inputs

2.3臨界事件

沖擊試樣在受到外力作用時先發(fā)生塑性變形,當變形達到一定程度時產生裂紋，繼續(xù)加載外力使得裂紋尖端不斷鈍化，直到外力大于臨界斷裂應力時裂紋才開始快速擴展，最終導致試樣斷裂。Chen等[9-13]提出解理斷裂的三個準則，分別為裂紋形核控制的應變準則、控制裂紋鈍化的三向應力度準則以及控制裂紋擴展的應力準則。也即當εp≥εpc時裂紋開始形核，直到σm/σe≥Tc時形核的微裂紋不被鈍化，最后當σyy≥σf時裂紋才開始擴展，其中εpc為起裂點處的應變，σm為平均主應力，Tc為臨界三向應力度，σe為Mises應力，σyy為y方向的正應力。而臨界事件是三個準則斷裂過程中最困難的階段。因此，臨界事件可能是形核控制，可能是鐵素體晶粒尺寸的裂紋擴展控制，也可能是碳化物尺寸的裂紋擴展控制等。而且以前的研究也指出臨界事件隨著實驗的溫度、加載速率等因素而變化[14]。

通過文獻[9]可知，殘留裂紋通常在具有最大擴展阻力的組織或第二相上中斷，故通過尋找殘留裂紋可反推出斷裂過程中的最困難階段，即臨界事件。此外只有完全解理斷口上的殘留裂紋才能真實地反映臨界事件。圖7 為貝氏體團內和貝氏體團邊界處的殘留裂紋形態(tài)。通過殘留裂紋中斷于團邊界或者晶粒邊界來確定決定解理斷裂最困難的因素，即確定臨界事件。圖7中殘留裂紋都停留在貝氏體團內或者貝氏體團邊界，這就說明臨界事件是由貝氏體團尺寸來控制。

圖7　貝氏體團內(a) 和貝氏體團邊界處(b)的殘留裂紋形態(tài)Fig.7　Morphologies of retained cracks within the bainite packet(a)and in bainite packet boundaries(b)

臨界事件的尺寸決定了韌脆轉變溫度的變化，其值越小表示對應的韌脆轉變溫度越低。圖8為不同熱輸入下殘留裂紋長度與貝氏體團尺寸?？芍?，隨著貝氏體團數目的增多，殘留裂紋的數量增加。隨著熱輸入的增加，貝氏體團變粗，對應的臨界事件尺寸變大，材料的沖擊韌度變差。結合圖5～8及HAZ顯微組織和臨界事件的分析，能夠解釋圖4不同熱輸入下韌脆轉變溫度變化的規(guī)律：Tk(15kJ/cm)

圖8　不同熱輸入下殘留裂紋長度與貝氏體團尺寸的比較(a)15kJ/cm;(b)30kJ/cm;(c)50kJ/cm;(d)100kJ/cmFig.8　Comparison of residual crack length and bainite packet size with various heat inputs(a)15kJ/cm;(b)30kJ/cm;(c)50kJ/cm;(d)100kJ/cm

2.4解理斷裂微觀參數

σf是判斷材料斷裂韌度的重要指標，是材料固有的內部斷裂阻力，其值越大則裂紋擴展所需的外界驅動力也越大，材料的韌性相應較大，故σf值的大小可以用來表征材料沖擊韌度的好壞。通過比較最長殘留裂紋與最大原始奧氏體、貝氏體團的尺寸，發(fā)現這些參數隨著熱輸入的增加也在發(fā)生相應變化。進一步結合解理起裂位置Xf值以及有限元計算的缺口前端應力曲線能夠獲得真實的臨界解理斷裂應力σf。根據-195℃下100kJ/cm試樣的解理斷裂斷口特征(圖9)，確定解理斷裂的起裂源，測得起裂源到塑性裂紋擴展區(qū)末端的垂直距離Xf值。通過有限元計算各試樣達到斷裂載荷時的缺口尖端的應力曲線(圖10)，根據測得的Xf即可在應力曲線上找到對應的σyy，這個值就是決定斷裂的臨界解理斷裂應力σf值[9]。表2為-195℃時不同熱輸入下的σf值，可知σf隨著熱輸入的增加而降低。說明100kJ/cm下HAZ的最大晶粒尺寸最大，而σf值最低，因此在較小的外加載荷下試樣就發(fā)生解理斷裂，這樣最終的韌脆轉變溫度也就越高，對應的整體沖擊韌度越小。這就進一步從斷裂的內在機制解釋了不同熱輸入試樣之間韌脆轉變溫度的變化規(guī)律：Tk(15kJ/cm)

3　結論

(1)焊接熱輸入較低的熱循環(huán)條件下(15kJ/cm)，顯微組織為少量的板條馬氏體和大量細密的板條貝氏體。隨焊接熱輸入的增加，顯微組織變?yōu)榘鍡l貝氏體和粒狀貝氏體的混合組織。隨著熱輸入的繼續(xù)增加，混合組織中板條貝氏體所占比例逐漸減小。其中，當熱輸入為100kJ/cm時，顯微組織主要是分布稀疏的粗大粒狀貝氏體。

圖9　-195℃下試樣的解理斷裂斷口(a)起裂源位置;(b)測量Xf值的示意圖Fig.9　Cleavage fracture surfaces of specimen at -195℃(a)crack initiation location;(b)schematic measured Xf

圖10　試樣缺口前沿的應力分布曲線Fig.10　Stress distribution curve ahead of notch root of specimen

E/(kJ·cm-1)153050100σf/MPa1916.021567.201300.101104.1

(2)原始奧氏體晶粒大小和貝氏體團尺寸隨著焊接熱輸入的增加而增大。最大原始奧氏體晶粒尺寸依次為164，225，282，293μm，最大貝氏體團尺寸依次為56，85，105，132μm。

(3)不同焊接熱輸入下的臨界事件都是貝氏體團尺寸。臨界事件的尺寸越小，韌脆轉變溫度Tk越低，材料的沖擊韌度越高。

(4)隨焊接熱輸入的增加，σf越小，沖擊韌度越差，韌脆轉變溫度Tk越高。

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Intrinsic Mechanisms of Ductile-brittle Transition for F460 Steel Welding Coarse Grained Heat Affected Zones with Different Heat Inputs

LI Jing1，CAO Rui1，MAO Gao-jun1，LIU Dong-sheng2，CHEN Jian-hong1

(1 State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2 Institute of Research of Iron and Steel,Shasteel,Zhangjiagang 215625,Jiangsu,China)

Coarse grain heat affected zone (HAZ) of F460 steel was simulated by a Gleeble 3800 thermo-mechanical simulator. The microstructure, critical event of the HAZ formed at various heat inputs (E) were characterized and determined by optical microscopy (OM) and scanning electronic microscopy (SEM), and cleavage fracture stressσfwas also calculated by ABAQUS software. Based on above systematic analysis, the intrinsic mechanism of ductile-brittle transition for F460 steel heat affected zones with different heat inputs were revealed. The results indicate that: with the improvement of heat input, the microstructures in sequence are a minority of lath martensite and massive fine lath bainite, more lath bainite with less granular bainite, more granular bainite with less lath bainite, bulky of granular bainite; and the maximum size of the original austenite grain and bainite packet becomes bigger with the improvement of heat input. The size of bainite packet is critical event of the cleavage fracture for coarse grain heat affected zone specimens with various heat inputs by comparing the relationships among residual crack length, original austenite grain size and bainite packet size. With the decreasing of the bainitic packet, the ductile to brittle transition temperature decreases. In addition, cleavage fracture stressσfis also calculated by ABAQUS software,σfgradually decreases with the increase of the heat input, which can explain the intrinsic mechanism of ductile to brittle transition temperatureTkwith the change of the heat input.

F460 steel;welding coarse grain heat affected zone;ductile-brittle transition;critical event;cleavage fracture stress

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.012

TG407

A

1001-4381(2016)08-0070-07

國家自然科學基金資助項目(51265028,51035004)

2014-12-23;

2015-12-29

曹睿(1977-)，女，教授,博士,主要研究方向為新材料的焊接性及材料的斷裂變形行為，聯系地址：甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭州理工大學校本部(730050)，E-mail:caorui@lut.cn