Ni對(duì)Q690鋼SMAW熔敷金屬組織和性能的影響

陳建國(guó)， 楊詠梅， 李俐群， 王澤軍， 肖輝英

(1. 天津市永昌焊絲有限公司，天津 300300； 2. 天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

0 前言

隨著資源勘探領(lǐng)域向海洋深處的擴(kuò)展，海上結(jié)構(gòu)變得更大，用于新一代海上結(jié)構(gòu)的重型鋼板要求具有超高強(qiáng)度性能以減輕重量。高強(qiáng)鋼作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺(tái)、工作平臺(tái)及海底管道等位置。其中，海工領(lǐng)域中的自升式鉆井平臺(tái)的樁腿、懸臂梁等關(guān)鍵部件需要大量屈服強(qiáng)度等級(jí)接近690 MPa的高強(qiáng)鋼。

高強(qiáng)鋼的使用對(duì)與之配套的焊材提出了苛刻的要求，既要求需要滿足與之相應(yīng)的強(qiáng)度，又要滿足與之相應(yīng)的韌性[1]。而中國(guó)現(xiàn)有高強(qiáng)鋼配套焊材多存在屈服比太高、塑性儲(chǔ)備差的特點(diǎn)。通常，C-Mn焊縫金屬的微觀組織結(jié)構(gòu)包括針狀鐵素體、先共析鐵素體、魏氏鐵素體和其它微相[2]，其屈服范圍為350～450 MPa；一些高強(qiáng)度低合金焊縫金屬，例如添加了少量微合金元素的C-Mn焊縫金屬，具有與C-Mn焊縫相似的顯微組織，它們具有較高的屈服強(qiáng)度，通常在500～700 MPa的范圍內(nèi)。如果進(jìn)一步提高淬透性，則顯微組織會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體、貝氏體、甚至于低碳馬氏體的混合組織，室溫下的屈服強(qiáng)度范圍為690～1 000 MPa。但是鋼鐵材料的強(qiáng)度與韌性呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，強(qiáng)度的提高往往會(huì)導(dǎo)致韌性的降低。因此，不能盲目地向焊縫金屬中添加微合金元素。

文中以研發(fā)Q690鋼所用焊接材料為目的，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，著重討論了在不同含量的合金元素Ni下，焊縫金屬內(nèi)部組織和力學(xué)性能的演變規(guī)律，擬澄清微Ni對(duì)Q690高強(qiáng)鋼焊縫金屬組織和力學(xué)性能的作用，對(duì)于中國(guó)發(fā)展高強(qiáng)鋼配套的焊接材料意義重大。

1 試驗(yàn)材料及方法

焊接材料為自主研發(fā)的用于焊接Q690鋼的焊條。焊接試驗(yàn)中，母材為Q345鋼板材，板材尺寸為300 mm×120 mm×20 mm，坡口角度為45°，為了防止母材對(duì)熔敷金屬的稀釋，在坡口處堆焊3 mm的隔離層，根部間隙為15 mm，墊板尺寸為300 mm×25 mm×12 mm，焊接電流為150～170 A，道間溫度為150 ℃，焊件的截面示意圖如圖1所示。焊后的熔敷金屬在600 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，在450 J擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗(yàn)。焊接后熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1 制備熔敷金屬的示意圖

表1 熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

將熔敷金屬切成15 mm×30 mm×20 mm的塊，依次用400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)、1 000號(hào)、1 500號(hào)和2 000 號(hào)的碳化硅砂紙對(duì)垂直于焊接方向的截面進(jìn)行打磨，打磨后的試樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，最后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。將腐蝕后的試樣放在酒精中進(jìn)行超聲清洗，隨后吹干。采用OLYMPUS DSX510型光學(xué)數(shù)碼體視顯微鏡，對(duì)熔敷金屬中間位置進(jìn)行微觀金相觀測(cè)。為了進(jìn)一步探究熔敷金屬組織的演化機(jī)理和斷口形貌的特征，對(duì)金相試樣和沖擊斷口在ZEISS GeminiSEM500型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫金屬的微觀組織

圖2為不同Ni含量下熔敷金屬的金相組織。從圖中可以看出，當(dāng)Ni含量為1.15%時(shí)，熔敷金屬的組織最為粗大，隨著Ni含量的增加，N1至N5試樣的微觀組織明顯細(xì)化，這是由于Ni含量較低時(shí)，難以抑制鐵素體相變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，且相變溫度較高，晶粒粗大；當(dāng)Ni含量增加時(shí)，鐵素體相變得到抑制，相變溫度變低，從而細(xì)化晶粒尺寸[3]。另外，Ni含量的增加使熔敷金屬的組織形貌也發(fā)生了變化，隨著Ni含量的增加，組織中出現(xiàn)了條狀結(jié)構(gòu)，并且Ni含量越高，條狀結(jié)構(gòu)之間的寬度越小。

圖2 不同Ni含量下熔敷金屬的金相組織

為了更深入的分析熔敷金屬組織的演變規(guī)律，圖3給出了不同Ni含量下熔敷金屬的顯微組織。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，Ni含量為1.15%時(shí)，熔敷金屬的組織為粒狀貝氏體和塊狀鐵素體的混合組織；隨著Ni含量的增加，組織中粒狀貝氏體和塊狀鐵素體明顯減少；當(dāng)Ni元素，能與Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體含量為3.13%時(shí)，組織中演變?yōu)獒槧铊F素體和板條貝氏體的混合組織，這是因?yàn)镹i是形成和穩(wěn)定奧氏體的中，并降低鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，抑制先共析鐵素體的產(chǎn)生，促進(jìn)針狀鐵素體的形成[4-6]；針狀鐵素體是一種在晶內(nèi)形核的非熱平衡型貝氏體，且具有非常細(xì)的晶粒尺寸和高的位錯(cuò)濃度，故其具有良好韌性和延展性[7-8]。Ni含量繼續(xù)增加時(shí)，組織中針狀鐵素體變少，板條貝氏體增多，并且出現(xiàn)了馬氏體帶；當(dāng)Ni含量增加到4.35%時(shí)，組織中板條貝氏體減少，馬氏體數(shù)量增多，同時(shí)，組織中的M-A組元數(shù)量增多，尺寸變大。

圖3 不同Ni含量下熔敷金屬的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

2.2.1拉伸性能

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范[9]，要求Q690鋼的熔敷金屬其屈服強(qiáng)度≥690 MPa，抗拉強(qiáng)度為770～940 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥17%，-40 ℃沖擊吸收能量≥69 J。圖4給出了不同Ni含量下熔敷金屬的拉伸性能(圖中箭頭線段所標(biāo)值為中國(guó)船級(jí)社要求值)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，所有熔敷金屬試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從N1至N5試樣，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著Ni含量的增加而升高，斷后伸長(zhǎng)率隨著Ni含量的增加而降低。這是因?yàn)镹i含量的增多導(dǎo)致熔敷金屬中諸如貝氏體和馬氏體之類(lèi)的“硬”相形成，導(dǎo)致熔敷金屬抗拉強(qiáng)度升高。

鋼鐵材料的強(qiáng)化作用主要有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化。一般認(rèn)為鋼鐵材料的屈服強(qiáng)度等于各項(xiàng)強(qiáng)化作用對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)和[10]，即：

(1)

式中：σy為材料的屈服強(qiáng)度，MPa；σ0為純鐵中原子對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，一般為定值54 MPa；σss為固溶強(qiáng)化對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；σgb為細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn), MPa；σdis為位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；σp為彌散強(qiáng)化對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa。

在該研究中，對(duì)于固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化對(duì)熔敷金屬屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可以做如下考慮。首先是固溶強(qiáng)化，從表1的化學(xué)成分中可以看出，熔敷金屬的化學(xué)成分主要表現(xiàn)在Ni含量不同，而Ni和C不能形成碳化物，多以相互固溶的形式存在于鋼的基體中，所以Ni含量的增加導(dǎo)致固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)增強(qiáng)。其次是細(xì)晶強(qiáng)化，通過(guò)前面的分析，發(fā)現(xiàn)Ni含量的增加會(huì)導(dǎo)致熔敷金屬晶粒的細(xì)化，所以Ni含量的增加也導(dǎo)致了細(xì)晶強(qiáng)化的增強(qiáng)。對(duì)于位錯(cuò)強(qiáng)化，鑒于熔敷金屬的加工制備工藝完全相同，所以只從成分上加以考慮。C含量對(duì)鋼鐵材料中的位錯(cuò)密度有直接影響，位錯(cuò)密度隨C含量的增加呈線性增加[11]。從表1中熔敷金屬的化學(xué)成分可以看出，N1到N5試樣中的C含量幾乎不變，所以認(rèn)為Ni含量對(duì)位錯(cuò)強(qiáng)化的效果沒(méi)有太大影響。而對(duì)于彌散強(qiáng)化的效果在該研究中可以忽略，因?yàn)楹附訙囟雀呃鋮s速度快，不會(huì)給彌散強(qiáng)化類(lèi)的納米級(jí)析出相析出的機(jī)會(huì)。所以，固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是造成該系列熔敷金屬屈服強(qiáng)度差的主要原因。

圖4 不同Ni含量下熔敷金屬的拉伸性能

2.2.2沖擊性能

低溫沖擊韌性是衡量高強(qiáng)鋼熔敷金屬是否合格的重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高強(qiáng)鋼熔敷金屬的沖擊吸收能量有明確要求。圖5給出了不同Ni含量下，熔敷金屬-40 ℃沖擊吸收能量(圖中箭頭線段所標(biāo)值為中國(guó)船級(jí)社要求值)。從圖中首先可以發(fā)現(xiàn)所有熔敷金屬的沖擊性能都符合中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求，其次隨著Ni含量的增加，沖擊性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。N1試樣的沖擊性能最高，這是由其組織決定的，N1中的鐵素體和粒狀貝氏體是塑性相，其大角度晶界可以延緩裂紋擴(kuò)展，使熔敷金屬具有良好的韌性[12-13]。雖然N1和N2試樣中含有部分M-A小島結(jié)構(gòu)，但小尺寸的M-A組元對(duì)提高韌性是有利的，因?yàn)榧?xì)小的M-A 組元能夠起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)促使裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)折而阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，不會(huì)因M-A 組元周?chē)膽?yīng)力集中而誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。Ni含量添加到3.13%(N3試樣)時(shí)，試樣的組織中出現(xiàn)了針狀鐵素體和板條貝氏體，雖然針狀鐵素體是高強(qiáng)鋼焊縫金屬中同時(shí)改良拉伸和沖擊性能的有益組織，但是板條貝氏體的出現(xiàn)硬化了基體組織，導(dǎo)致熔敷金屬的硬化效果增強(qiáng)，致使其沖擊性能還是略微的降低。當(dāng)Ni含量增加到3.97%(N4試樣)時(shí)，組織中開(kāi)始出現(xiàn)馬氏體，沖擊性能繼續(xù)降低。當(dāng)Ni含量繼續(xù)增加到4.35%(N5試樣)時(shí)，沖擊韌性最低，這是因?yàn)榻M織中出現(xiàn)了較為細(xì)密的馬氏體條狀結(jié)構(gòu)和尺寸較大數(shù)量較多的M-A組元。馬氏體組織本身就是硬脆相，不能延緩裂紋的擴(kuò)展。另外，尺寸較大的M-A 組元也無(wú)法起到提高焊縫金屬?zèng)_擊韌性的作用，容易在其周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中而誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。

圖5 不同Ni含量下熔敷金屬的沖擊性能

圖6為不同Ni含量下，熔敷金屬在-40 ℃沖擊試驗(yàn)后的斷口形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，N1(含1.15%Ni)試樣的斷口中存在大量的韌窩和少量的解離平臺(tái)，為典型的韌性脆性混合斷口；隨著Ni含量的提高，斷口形貌發(fā)生明顯變化，斷口中的韌窩逐漸減少，解離平臺(tái)逐漸增多，斷口由韌性脆性混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。?dāng)Ni含量為3.13%(N3試樣)時(shí)，斷口中出現(xiàn)了明顯的“撕裂棱”，但是在“撕裂棱”的側(cè)根部存在明顯的韌窩，此時(shí)斷裂方式仍為韌脆混合斷裂模式；當(dāng)Ni含量增加到3.97%(N4試樣)和4.35%(N5試樣)時(shí)，斷口中的“撕裂棱”齊整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何韌窩的痕跡，此時(shí)表現(xiàn)為完全脆性斷裂。

圖6 不同Ni含量下熔敷金屬的-40 ℃沖擊斷口

3 結(jié)論

(1)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)成分范圍內(nèi)，Ni含量由1.15%增加到4.35%時(shí)，Q690高強(qiáng)鋼熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度由792 MPa提高至913 MPa，屈服強(qiáng)度由730 MPa提高至786 MPa，-40 ℃下沖擊性能由103 J下降至93 J。

(2)Ni含量對(duì)Q690高強(qiáng)鋼熔敷金屬的組織結(jié)構(gòu)影響明顯。適量的Ni可以促進(jìn)熔敷金屬中針狀鐵素體的形成，繼續(xù)增加Ni含量，組織中的針狀鐵素體反而減少，板條貝氏體和馬氏體增多。

(3)固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)該系列熔敷金屬的屈服強(qiáng)度起決定性作用。

(4)Ni含量的增加，改變了熔敷金屬?zèng)_擊斷口的斷裂方式。Ni含量為1.15%至3.13%時(shí)，沖擊斷裂方式為韌性脆性混合斷裂；Ni含量增加到3.97%和4.35%時(shí)，沖擊斷口齊整，斷裂方式為完全脆性斷裂。