鈮對(duì)船板鋼大熱輸入焊接熱影響區(qū)組織與韌性的影響

韓麗梅，李 麗，田 猛，曲錦波

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，張家港 215625)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)一體化和全球化發(fā)展，世界范圍內(nèi)的貨運(yùn)量增加，推動(dòng)了貨運(yùn)船舶向大型化發(fā)展，使得船舶用鋼板的厚度也逐漸增大。在船舶制造過程中，焊接工序約占整個(gè)造船周期的20%～30%，焊接成本約占造船總成本的17%[1-2]。為提高船體焊接效率、降低制造成本，大熱輸入焊接方法(熱輸入不低于50 kJ·cm-1)，如氣電立焊、電渣焊、焊劑銅襯墊(FCB)埋弧自動(dòng)單面焊、雙絲埋弧焊等被引入到船舶制造中。大熱輸入焊接工藝具有加熱溫度高、高溫停留時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速率慢等特點(diǎn)，會(huì)延長(zhǎng)原奧氏體晶粒長(zhǎng)大時(shí)間，擴(kuò)大熱影響區(qū)(HAZ)范圍，使組織發(fā)生粗化并惡化熱影響區(qū)的低溫韌性。其中，熱影響區(qū)粗晶區(qū)因晶粒最為粗大，產(chǎn)生的脆化最為明顯，是大熱輸入焊接件的薄弱區(qū)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)，氧化物冶金或微合金化技術(shù)能夠改善熱影響區(qū)的低溫韌性[4-6]，通過添加鈦、釩、鈮等微合金元素，利用這些元素在鋼中生成的氧化夾雜物和細(xì)小第二相來釘扎原奧氏體晶界，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒，并促進(jìn)有益組織(晶內(nèi)針狀鐵素體)的形成。例如，TiOx、TiN、VN可作為非均勻形核質(zhì)點(diǎn)誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，細(xì)化晶粒[7]；V(C，N)、Nb(C，N)第二相粒子可沉淀于晶界，釘扎奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大[8]。鈮、鈦?zhàn)鳛閺?qiáng)碳、氮化物形成元素，對(duì)于提高鋼板強(qiáng)度、改善鋼板低溫韌性十分有效；高強(qiáng)船板鋼中一般添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01%～0.05%的鈮元素和0.01%～0.02%鈦元素，以提高其強(qiáng)韌性和焊接性[9]。

有關(guān)鈮元素對(duì)鋼焊后熱影響區(qū)韌性的影響目前存在一定爭(zhēng)議：高胄[10]認(rèn)為，在小熱輸入焊接條件下，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的韌性總體隨著鈮含量的增加而提高，而大熱輸入焊接條件下，鈮的增加對(duì)粗晶區(qū)韌性改善無明顯影響；張英喬等[11]研究表明，鈮的添加對(duì)大熱輸入焊接條件下鋼的粗晶區(qū)韌性存在不利影響。因此，作者采用控軋控冷工藝(TMCP)生產(chǎn)含鈮和無鈮兩種DH36級(jí)船板鋼，并進(jìn)行熱輸入量為150 kJ·cm-1的大熱輸入氣電立焊，研究了鈮元素對(duì)船板鋼大熱輸入焊接熱影響區(qū)組織與韌性的影響，為低成本大熱輸入焊接船板鋼的開發(fā)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

母材為在常規(guī)DH36船板鋼成分的基礎(chǔ)上，添加少量鈮、鈦元素制備的含鈮和無鈮兩種船板鋼。兩種鋼的化學(xué)成分見表1，均采用低碳成分設(shè)計(jì)，除鈮元素外，其他元素含量相同。采用TMCP工藝生產(chǎn)鋼板，板厚為30 mm，兩種鋼板的軋制態(tài)組織均由細(xì)小鐵素體和珠光體組成，拉伸性能和-20 ℃沖擊韌性良好，如表2所示。焊接材料為日本神鋼生產(chǎn)的直徑為1.6 mm的DW-S1LG氣電立焊專用焊絲。

表1 兩種船板鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 兩種船板鋼的力學(xué)性能

在船板鋼上截取尺寸為800 mm×300 mm×30 mm的試樣，采用對(duì)接接頭形式，開單邊V型坡口。采用YS-EGW-D-II型雙絲氣電立焊機(jī)進(jìn)行焊前無預(yù)熱、焊后無熱處理的氣電立焊，焊接熱輸入為150 kJ·cm-1，焊接電流為400 A，焊接電壓為39 V，保護(hù)氣體為CO2，保護(hù)氣體流量為25～30 L·min-1，焊接速度為6.1 mm·min-1。

使用OMNISCAN MX2型超聲波相控陣探傷儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行無損探傷，檢測(cè)是否存在內(nèi)部缺陷。將焊接接頭橫向剖開制取金相試樣，經(jīng)機(jī)械研磨拋光，體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用蔡司Image-A 1m型光學(xué)顯微鏡(OM)和SIGMA型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察距熔合線(FL)1,2,3,5,9 mm熱影響區(qū)處(分別記為FL+1,FL+2,FL+3,FL+5,FL+9位置)的顯微組織，使用SEM附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。將焊接接頭橫向剖開，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在焊縫(WM)、熔合線以及FL+1，F(xiàn)L+2，F(xiàn)L+3，F(xiàn)L+5，F(xiàn)L+7位置刻畫出V型缺口位置，再將其加工成尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣。在IMP450-J型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，使用SEM觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

兩種船板鋼焊接接頭經(jīng)目視檢測(cè)焊縫成形良好，經(jīng)無損探傷檢測(cè)無焊接缺陷。距熔池中心不同距離處的熱影響區(qū)(HAZ)經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，產(chǎn)生的固態(tài)相變不同，具有的組織與性能不同。根據(jù)焊接熱循環(huán)狀態(tài)，可將熱影響區(qū)分為熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)、熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)和熱影響區(qū)臨界區(qū)(ICHAZ)3個(gè)區(qū)域。含鈮鋼焊接接頭CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ的寬度分別約為1，6，4 mm，無鈮鋼焊接接頭的則分別約為1，7，3 mm，兩種鋼焊接接頭熱影響區(qū)的3個(gè)區(qū)域?qū)挾葻o明顯差別，如圖1所示。

圖1 兩種船板鋼焊接接頭的橫截面宏觀形貌

圖2 含鈮鋼焊接接頭HAZ不同位置的顯微組織

2.2 熱影響區(qū)顯微組織

圖2和圖3中臨近FL位置給出的是CGHAZ的整體形貌；FL+1位置表示距熔合線1 mm位置，以此類推。由圖2和圖3可以看出：兩種鋼焊接接頭CGHAZ的最大寬度均約為1 mm，F(xiàn)L至FL+1位置處的晶粒較為粗大，屬于CGHAZ；兩種鋼CGHAZ的顯微組織均主要由晶界鐵素體、粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體組成，但含鈮鋼CGHAZ中的晶界鐵素體含量較少，粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體含量較多。FL+2，F(xiàn)L+3，F(xiàn)L+5位置的晶粒較為細(xì)小，這些區(qū)域?qū)儆贔GHAZ；隨著距熔合線距離的增大，F(xiàn)GHAZ組織變得細(xì)小、均勻，相組成也發(fā)生明顯變化。在含鈮鋼焊接接頭FGHAZ中，F(xiàn)L+2位置的顯微組織含有較多的粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體，以及較少的鐵素體；FL+3處粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體幾乎全部消失，組織轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體，但珠光體含量極少；FL+5處則為均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織。在無鈮鋼焊接接頭FGHAZ中，F(xiàn)L+2處的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，只含有少量的粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體，F(xiàn)L+3和FL+5處的組織結(jié)構(gòu)與含鈮鋼相同。兩種鋼FL+9處的晶粒大小都不均勻，晶粒取向沿軋制方向，該區(qū)域?qū)儆贗CHAZ，其顯微組織由粗大的鐵素體和細(xì)小的珠光體組成。

與無鈮鋼相比，含鈮鋼焊接接頭CGHAZ組織中的晶界鐵素體含量較少，粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體含量較多，鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變推遲。這是由于鈮元素會(huì)阻礙碳原子擴(kuò)散，降低鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變溫度，抑制這兩相的生成。同時(shí)，固溶在鋼中的鈮元素易在原奧氏體晶界上富集，對(duì)鐵素體相變的界面運(yùn)動(dòng)起到較強(qiáng)的釘扎拖拽作用，從而阻止鐵素體相變，抑制晶界鐵素體生成。鈮元素雖然對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間幾乎沒有影響，但會(huì)擴(kuò)大貝氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速率范圍，增大各冷卻速率下亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的傾向，從而促進(jìn)粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體的生成。

圖3 無鈮鋼焊接接頭HAZ不同位置的顯微組織

圖4 兩種船板鋼焊接接頭HAZ中M-A島的典型微觀形貌

用SEM觀察兩種鋼焊接接頭HAZ組織時(shí)，均發(fā)現(xiàn)存在馬氏體-奧氏體(M-A)島。M-A島或呈塊狀分布在粒狀貝氏體組織上，或呈長(zhǎng)條狀分布在貝氏體鐵素體板條間，如圖4所示。塊狀M-A島和長(zhǎng)條狀M-A島的微觀結(jié)構(gòu)并非典型的結(jié)構(gòu)形態(tài)，兩者均發(fā)生了不同程度的分解，分解為由鐵素體和滲碳體組成的偽珠光體。長(zhǎng)條狀M-A島的分解程度大于塊狀M-A島的，這與MASTUDA等[12]在研究HSLA鋼熱影響區(qū)組織時(shí)觀察到的現(xiàn)象相同。

HAZ中的析出相與鋼中鈦、鈮與碳、氮元素之間的親和力以及各元素含量和析出相形成溫度有關(guān)。含鈮鋼焊接接頭HAZ中析出了(Ti,Nb)(C,N)第二相粒子，而無鈮鋼焊接接頭HAZ中析出了Ti(C,N)第二相粒子，如圖5所示。(Ti,Nb)(C,N)和Ti(C,N)第二相粒子的形態(tài)均為方形，尺寸在50～200 nm之間，彌散分布在原奧氏體晶界和亞晶界附近及晶粒內(nèi)部，具有較好的高溫穩(wěn)定性，可起到細(xì)化晶粒的作用。

圖5 兩種船板鋼焊接接頭HAZ中析出相的SEM形貌和EDS譜

2.3 接頭低溫韌性

圖6 兩種船板鋼焊接接頭不同位置的-20 ℃沖擊功

由圖6可知：無鈮鋼焊接接頭不同位置均具有良好的低溫沖擊韌性，-20 ℃沖擊功單值均在102 J以上，遠(yuǎn)高于船級(jí)社規(guī)范對(duì)DH36級(jí)鋼板焊接接頭的沖擊韌性要求(平均值不低于34 J，單值不低于24 J)；含鈮鋼焊接接頭除了FL位置，其他位置的低溫韌性均良好，-20 ℃沖擊功單值均在143 J以上，而FL位置的低溫韌性顯著降低，-20 ℃沖擊功出現(xiàn)單值低于24 J的情況，無法滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

在焊接接頭FL處開V型缺口時(shí)，V型缺口有一半位于緊鄰FL的CGHAZ；而CGHAZ由于所受熱循環(huán)峰值溫度高，組織易脆化，導(dǎo)致韌性惡化。與無鈮鋼相比，含鈮鋼焊接接頭FL位置出現(xiàn)韌性惡化現(xiàn)象是因?yàn)樵撐恢媒M織中晶界鐵素體含量減少、粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體含量增多，相應(yīng)的粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體組織中的塊狀和長(zhǎng)條狀M-A島含量增多。典型塊狀M-A島的硬度一般在800～1 200 HV，長(zhǎng)條狀的在600～800 HV[13]；鐵素體基體的硬度約為200 HV:M-A島與鐵素體基體之間的強(qiáng)度不匹配。當(dāng)施加載荷時(shí)，位錯(cuò)會(huì)在M-A島附近堆積而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致M-A島與基體界面處形成微空洞和微裂紋，成為局部脆性區(qū)；M-A島因硬度較高、塑性變形能力較弱而在裂紋擴(kuò)展后期斷開，引發(fā)準(zhǔn)解理斷裂，從而降低組織韌性。兩種鋼接頭中的M-A島均發(fā)生了分解，分解后的M-A島雖然硬度有所降低，與基體之間的強(qiáng)度不匹配性減弱，但是位于晶界處的M-A島分解形成的顆粒狀或小短片狀滲碳體一般會(huì)無序、松散地偏聚在晶界和亞晶界處，弱化了晶界，降低了起裂所需的臨界應(yīng)力，極易引發(fā)脆性裂紋的萌生與擴(kuò)展，對(duì)韌性不利。

兩種鋼焊接接頭FL位置的沖擊斷口形貌呈扇形花樣，為典型的準(zhǔn)解理斷裂形貌特征，屬于脆性斷裂，如圖7所示。與無鈮鋼相比，含鈮鋼FL位置沖擊斷口的扇形花樣較大，撕裂脊線較少，擴(kuò)展面較為平整。扇形花樣是由于裂紋擴(kuò)展遇到大角度晶界時(shí)不能通過，在晶界處產(chǎn)生新的裂紋并向外擴(kuò)展而形成的；扇形花樣越小，撕裂脊線越多，裂紋擴(kuò)展所需要的能量越高，韌性越好。因此，無鈮鋼FL位置的韌性優(yōu)于含鈮鋼FL位置的。

圖7 兩種鋼焊接接頭FL位置沖擊斷口形貌

3 結(jié) 論

(1) 未添加鈮和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.025%鈮制備的無鈮鋼和含鈮鋼在熱輸入為150 kJ·cm-1條件下焊接后，CGHAZ組織均由晶界鐵素體、粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體組成，粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體中均存在塊狀和板條狀M-A島，但與無鈮鋼相比，含鈮鋼CGHAZ中的晶界鐵素體含量減少，粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體含量增多；隨著距熔合線距離的增加，兩種鋼接頭HAZ組織均逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體；此外，兩種鋼焊接接頭HAZ中均存在第二相粒子，含鈮鋼熱影響區(qū)的第二相粒子為(Ti,Nb)(C,N)，無鈮鋼中的為Ti(C,N)。

(2) 無鈮鋼焊接接頭焊縫、熔合線處和距熔合線不同距離HAZ位置的-20 ℃沖擊功單值均在102 J以上，遠(yuǎn)高于船級(jí)社規(guī)范對(duì)DH36級(jí)鋼板焊接接頭的沖擊韌性要求；含鈮鋼焊接接頭除了熔合線處-20 ℃沖擊功出現(xiàn)單值低于24 J的情況，無法滿足船級(jí)社規(guī)范要求外，其他位置的-20 ℃沖擊功單值均在143 J以上。鈮的添加對(duì)DH36級(jí)船板鋼大熱輸入焊接接頭韌性不利，這與鈮元素會(huì)推遲鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體生成有關(guān)。