船板鋼第二相粒子在大熱輸入焊接熱循環(huán)中的變化

劉芳芳 付魁軍 王佳驥 及玉梅 蔣健博 韓嚴法

(海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009)

傳統(tǒng)船板在大熱輸入焊接后，焊接熱影響區(qū)(HAZ)尤其是粗晶區(qū)(CGHAZ)的奧氏體晶粒嚴重長大，造成此區(qū)域性能，特別是沖擊韌性明顯下降[1- 3]。因此，如何有效阻止HAZ奧氏體晶粒長大是船板鋼研究的一個重要內(nèi)容。阻止奧氏體晶粒長大的方法有多種，其中最有效的方法是向鋼中添加微合金元素，一般為Nb、Ti等，引入第二相粒子，利用第二相粒子釘扎奧氏體晶界，從而阻止奧氏體晶粒長大[4- 9]。

本文以一種大熱輸入焊接用EH40船板鋼為研究對象，利用焊接熱模擬技術(shù)和萃取復(fù)型技術(shù)研究了該鋼HAZ區(qū)性能、奧氏體晶粒長大情況及第二相粒子的形狀、尺寸、數(shù)量等，分析了不同熱循環(huán)條件下，第二相粒子在焊接熱循環(huán)中的變化。

1 試驗材料及方法

試驗材料為鞍鋼生產(chǎn)的大熱輸入焊接用EH40船用鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

將試驗用鋼加工成尺寸11 mm×11 mm×100 mm的試樣，在Gleeble- 3800熱模擬試驗機上進行焊接熱模擬試驗，采用的焊接熱模擬制度為：循環(huán)峰值溫度Tm為1 350 ℃，800 ℃冷卻至500 ℃，冷卻時間t8/5分別為50、150、200和400 s。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

萃取復(fù)型所用試樣取自熱模擬試樣均溫區(qū)的中心部位。萃取碳膜的制備步驟為：(1)將試樣表面打磨平整并拋光；(2)利用噴碳儀在試樣拋光面上噴一層約200 nm厚的碳膜；(3)將碳膜劃成2 mm×2 mm的網(wǎng)格并用10%的硝酸酒精溶液浸泡，直至碳膜從試樣表面剝離；(4)將剝離下來的碳膜在酒精中漂洗，用銅網(wǎng)撈取、晾干后進行觀察。

利用TecnaiG220型透射電鏡觀察分析第二相粒子的形貌、尺寸、數(shù)量等，采用EDS分析粒子的成分。每個試樣所統(tǒng)計的視域不少于20個。

采用加少量活性劑的飽和苦味酸水溶液顯示奧氏體晶界，采用截線法測量奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗結(jié)果

2.1 CGHAZ中粒子變化

利用透射電鏡對碳膜萃取復(fù)型試樣進行分析，結(jié)果表明，不同熱循環(huán)制度下的試樣中均存在大量的第二相粒子，絕大多數(shù)呈長方形，如圖1(a)～1(d)所示。在各個試樣中隨機抽取若干第二相粒子進行EDS分析，結(jié)果表明，全部為(Ti,Nb)(C,N)粒子，典型的EDS圖譜如圖1(e)所示(注：圖中的Cu元素峰值表征的是試驗中所使用的銅網(wǎng)中的Cu，可忽略)。

圖1 熱影響區(qū)中第二相粒子的形貌及EDS圖譜Fig.1 TEM morphologies of particles in HAZ and their EDS spectrum

不同焊接熱循環(huán)制度下第二相粒子的數(shù)量、尺寸及分布的統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。圖中d為粒子平均直徑，N表示單位面積上的粒子數(shù)量。從圖中可以看出：經(jīng)歷了t8/5=50 s的焊接熱循環(huán)后，熱模擬CGHAZ中的粒子平均尺寸仍然較小，約為26.75 nm。每平方微米碳膜上的粒子數(shù)量為10.1個。從粒子的尺寸分布看，小于30 nm的粒子占絕大多數(shù)。這種小尺寸的第二相粒子能有效阻止奧氏體晶粒的粗化。之后，隨著熱循環(huán)冷卻時間的延長，粒子的平均尺寸逐漸增大，單位面積內(nèi)的粒子數(shù)量減少。當(dāng)冷卻時間t8/5=400 s時，CGHAZ的粒子平均尺寸已增大至44.7 nm，而單位面積上的粒子僅為3.6個。但總體上看，仍然是30～50 nm的小尺寸粒子占絕大多數(shù)。

圖2 熱影響區(qū)中第二相粒子尺寸及分布Fig.2 Size and distribution of particles in HAZ

2.2 CGHAZ的奧氏體晶粒長大

圖3為經(jīng)過不同焊接熱循環(huán)后的CGHAZ的奧氏體晶粒尺寸。t8/5為50 s時，奧氏體晶粒平均尺寸為18.76 μm。t8/5增至150 s時，奧氏體晶粒的平均尺寸為35.78 μm。即使t8/5=400 s時，奧氏體晶粒的平均尺寸也僅為44 μm。可以看出，隨著t8/5時間的延長，奧氏體晶粒長大速度非常緩慢。圖3還顯示了一種成分與試驗鋼很接近的鋼(不含微合金元素，其主要成分為0.08%C- 0.25%Si- 1.30%Mn- 0.011%P- 0.002%S，以下簡稱對比鋼)的CGHAZ奧氏體晶粒尺寸。從圖3中可以看出，當(dāng)t8/5為50 s時，對比鋼HAZ奧氏體晶粒尺寸約為80 μm，隨著t8/5的延長，奧氏體晶粒顯著長大。在同樣焊接熱循環(huán)條件下，對比鋼CGHAZ中的奧氏體晶粒尺寸顯著大于試驗鋼的。這說明，在焊接熱循環(huán)過程中，試驗鋼中的第二相粒子有效阻止了奧氏體晶粒的長大。

3 分析與討論

3.1 CGHAZ中的第二相粒子

在焊接熱循環(huán)的加熱過程中， 試驗鋼中的第二相粒子隨著溫度的升高而不斷溶解。一般來說，尺寸越小的第二相粒子，其形成溫度也越低，且與大尺寸第二相粒子相比，小尺寸第二相粒子的比表面積(表面積與體積之比)更大，其穩(wěn)定性也差，在熱循環(huán)過程中更容易溶解并消失。相應(yīng)地較大尺寸的粒子是在高溫下形成的，穩(wěn)定性較高，在熱循環(huán)的加熱過程中不會完全溶解，且會通過Ostwald機制長大[5]，其成分還將隨熱循環(huán)加熱溫度的升高和高溫停留時間的延長而不斷變化。因此，經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)后試驗鋼中的第二相粒子數(shù)量減少，且粒子平均尺寸增大。

圖3 試驗鋼和對比鋼經(jīng)不同焊接熱循環(huán)后的CGHAZ奧氏體晶粒尺寸Fig.3 CGHAZ austenite grain size of test steel and contrast steel after different welding heat cycles

在焊接熱循環(huán)過程中，第二相粒子的溶解與長大與焊接熱循環(huán)工藝有關(guān)。焊接冷卻時間t8/5越長，試樣在高溫停留時間就越長，粒子的溶解程度也就越大，消失的小尺寸粒子數(shù)量越多，殘留粒子的平均尺寸也越大。因此，隨著t8/5的延長，粒子數(shù)量逐漸減少，而平均尺寸逐漸增大。

圖1(e)的EDS分析結(jié)果表明，試驗鋼中第二相粒子為復(fù)雜的復(fù)合型粒子，由NbC、NbN、TiC、TiN化合物粒子組成。一般說，在同樣的加熱條件下，這些粒子的溶解程度是依次減小[5]，即TiN粒子在高溫下的穩(wěn)定性最好。因此，在焊接熱循環(huán)過程中，殘留粒子的成分逐漸接近TiN，形狀也呈長方形。而各個尺寸粒子的成分也呈現(xiàn)出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的規(guī)律。對試驗鋼中不同尺寸的粒子成分進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示，可見驗證了上述這一規(guī)律。

圖4 試驗鋼中不同尺寸粒子的成分分布Fig.4 Composition distribution of particles of different size in the tested steel

3.2 第二相粒子對HAZ奧氏體晶粒尺寸的影響

第二相粒子可對奧氏體晶界產(chǎn)生釘扎從而阻止奧氏體晶粒長大，粒子的釘扎力可通過式(1)計算：

(1)

式中：K為常數(shù)，f為粒子的體積分數(shù)，r為粒子的半徑(nm)。

從式(1)可以看出：粒子的數(shù)量越多，其尺寸越小，則粒子對原始奧氏體晶界的釘扎力越大。焊接熱循環(huán)過程中，因發(fā)生溶解及長大，粒子的數(shù)量減少，而平均尺寸增大，即f減小而r增大，這使得粒子對于奧氏體晶界的釘扎作用發(fā)生變化。試驗鋼的HAZ中存在大量的小尺寸第二相粒子，雖然隨著t8/5時間的延長，粒子經(jīng)過了溶解及長大，但即使是經(jīng)過t8/5=400 s的焊接熱循環(huán)，試驗鋼的HAZ中仍存在大量的小尺寸第二相粒子，對晶界的釘扎作用明顯，有效抑制了奧氏體晶粒的長大。而經(jīng)歷了同樣焊接熱循環(huán)制度的對比鋼，由于沒有第二相粒子的釘扎作用，HAZ中奧氏體晶粒長大嚴重。

4 結(jié)論

(1)適合大熱輸入焊接的EH40船板鋼試樣經(jīng)不同制度焊接熱循環(huán)后，CGHAZ中均存在大量的(Ti,Nb)(C,N)粒子，粒子呈長方形。

(2)焊接熱循環(huán)的冷卻速度較高，即t8/5=50 s時，粗晶區(qū)中的小尺寸第二相粒子較多，對奧氏體晶界的釘扎作用較大，奧氏體晶粒長大過程得到有效抑制。隨著熱循環(huán)的冷卻速度下降，即t8/5逐漸延長，第二相粒子發(fā)生溶解及長大，導(dǎo)致粒子數(shù)量逐漸減少且平均尺寸逐漸增大，對于奧氏體晶界的釘扎作用逐漸減小，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。但即使在t8/5=400 s的焊接熱循環(huán)條件下，試驗鋼中仍存在大量的小尺寸粒子，對奧氏體晶粒的長大起到了有效的抑制。

(3)在焊接熱循環(huán)過程中，鋼中第二相粒子的成分逐漸發(fā)生變化，呈現(xiàn)出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的規(guī)律。

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