工業(yè)試驗(yàn)Mg脫氧HSLA鋼CGHAZ的夾雜物、組織及韌性的特征分析

杜海龍 張銀輝 楊健 張宇 張玉旗

關(guān)鍵詞：HSLA鋼；Mg脫氧；大線能量焊接；焊接熱影響區(qū)；低溫沖擊韌性

0 引言

海洋工程裝備和高技術(shù)船舶主要涵蓋海洋資源開發(fā)裝備、海洋空間開發(fā)資源裝備、綜合試驗(yàn)檢測平臺、高技術(shù)船舶和核心配套設(shè)備等領(lǐng)域，開發(fā)高性能海洋裝備是我國探索海洋資源的迫切需求和必由之路。50～70 mm厚的高強(qiáng)度低合金鋼（High Strength Low Alloy， HSLA）廣泛應(yīng)用于海洋資源開發(fā)裝備、液油管道等領(lǐng)域的大型鋼焊接結(jié)構(gòu)，為了保證HSLA鋼的服役性能，不僅需要提高其力學(xué)性能，還要保障其焊接性能、耐腐蝕性能等。由于焊接工時占建造總工時的30 %以上，采用大線能量焊接可以顯著提高HSLA鋼的焊接效率，縮短焊接工時，但會造成鋼板焊接熱影響區(qū)（Heat Affected Zone， HAZ）的組織異常粗化，尤其是形成粗晶熱影響區(qū)（Course-Grain Heat Affected Zone， CGHAZ），導(dǎo)致該區(qū)域的強(qiáng)度和韌性變差，成為整個構(gòu)件性能最薄弱，最容易斷裂的部位。

自20世紀(jì)90年代由日本學(xué)者首次提出氧化物冶金技術(shù)后，目前已發(fā)展到第三代，即利用強(qiáng)脫氧劑如Mg、Ca、Ti、Zr以及稀土元素對鋼液進(jìn)行脫氧的技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于添加強(qiáng)脫氧劑后，鋼液中形成的細(xì)微夾雜物能夠抑制奧氏體晶粒的長大，并且部分夾雜物能促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體（Intragranular Acicular Ferrite， IAF）的形核，以此來改善大線能量焊接厚鋼板HAZ組織的低溫韌性。該技術(shù)目前已得到廣泛應(yīng)用并作為改善厚板HAZ組織性能的有效手段。

Mg作為第三代氧化物冶金技術(shù)的關(guān)鍵脫氧劑得到了廣泛的研究，其基本原理是添加Mg元素后，Mg系夾雜物如MgO、MgS、MnS及其復(fù)合夾雜物等能夠釘扎奧氏體晶界，抑制CGHAZ晶粒長大并促進(jìn)晶內(nèi)IAF生長，從而改善CGHAZ的低溫沖擊韌性。田俊等對Mg脫氧鋼中硫化物的研究發(fā)現(xiàn)，Mg脫氧后最終得到的是以Mg-Al夾雜物為核心，MnS為包裹層的復(fù)合夾雜物。朱浩然等進(jìn)一步對Mg脫氧后的45鋼夾雜物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在45鋼中加入Mg后，MnS在凝固末期會以鎂鋁尖晶石為異質(zhì)形核核心，形成MgO·Al2O3-MnS的復(fù)合夾雜物。作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對比Al脫氧、Ca脫氧和Mg脫氧鋼中夾雜物的研究發(fā)現(xiàn)，采用Al脫氧工藝析出的夾雜物尺寸較大、數(shù)量較少，主要包括Al2O3和CaO-Al2O3復(fù)合夾雜物；Ca脫氧工藝析出的夾雜物主要為尺寸在3 μm以下的表面包裹MnS的鋁酸鈣復(fù)合夾雜物；而Mg脫氧工藝則能夠生成大量尺寸在1 μm左右彌散分布的MgO和以MgO為核心，表面有TiN和MnS析出的復(fù)合夾雜物?？梢姡蜾撝刑砑覯g元素可以有效將鋼中大型難熔夾雜物改性為細(xì)小、彌散的復(fù)合夾雜物，并且相較于Al脫氧和Ca脫氧，Mg脫氧后的效果更優(yōu)。關(guān)于CGHAZ中誘發(fā)IAF形核的夾雜物種類，前人進(jìn)行了大量的研究。表1總結(jié)了Mg脫氧條件下誘發(fā)IAF形核的夾雜物類型。由表1可知，能夠誘導(dǎo)IAF形核的夾雜物主要以中心為氧化物并被硫化物包裹形成的復(fù)合夾雜物，尺寸主要在2～3 μm。由Mg脫氧引入的大量微小夾雜物具有分割晶粒并且能誘發(fā)產(chǎn)生IAF，阻礙晶粒的長大從而提高抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

上述對前人的研究工作總結(jié)了Mg脫氧鋼中誘發(fā)IAF形核的有效夾雜物，但是關(guān)于Mg脫氧對HSLA鋼大線能量焊接CGHAZ的夾雜物、微觀組織和低溫沖擊韌性的工業(yè)試驗(yàn)研究仍然很少。因此，本文開展了180 t的工業(yè)試驗(yàn)，針對Mg脫氧對HSLA鋼大線能量焊接條件下CGHAZ中夾雜物、顯微組織和低溫沖擊韌性的影響進(jìn)行了研究，揭示了CGHAZ的低溫沖擊韌化機(jī)理，為HSLA厚板鋼的脫氧工藝和成分設(shè)計(jì)，焊接HAZ夾雜物，微觀組織控制以及低溫沖擊韌性改善提供理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

工業(yè)試驗(yàn)在沙鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐、LF、RH和連鑄生產(chǎn)線進(jìn)行，隨后在沙鋼軋鋼廠進(jìn)行軋制，鋼包鋼液量為180 t。轉(zhuǎn)爐出鋼后，先在LF進(jìn)行脫硫和溫度調(diào)控，然后在RH加入鈦鐵進(jìn)行合金化，RH處理后加入鎂合金進(jìn)行鎂處理?？刂浦虚g包鋼水過熱度約為20 ℃，連鑄結(jié)晶器厚度為320 mm， 寬度約2 000 mm， 連鑄拉速0.65 m/min。連鑄坯在加熱爐加熱后進(jìn)行粗軋，壓下率大于30 %；然后進(jìn)行精軋，壓下率大于30 %；隨后從760 ℃到400 ℃左右進(jìn)行快速冷卻，冷卻速度約為10 ℃/s。最終板坯厚度為60 mm。

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分如表2所示，根據(jù)Mg含量將試驗(yàn)鋼命名為M23鋼。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表3所示。在試驗(yàn)鋼板1/4厚度和1/4寬度位置處取規(guī)格為11 mm×11 mm×71 mm的焊接熱模擬試樣。采用Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行焊接線能量為200 kJ/cm的焊接熱模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表4所示。試驗(yàn)鋼自然冷卻至室溫，得到以焊點(diǎn)為中心區(qū)域的焊接熱影響區(qū)（HAZ）。再將經(jīng)過焊接熱模擬試驗(yàn)后的試樣加工成10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣并在焊接中心區(qū)域加工出V型缺口。按照GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行HAZ低溫沖擊試驗(yàn)，測試溫度為-20 ℃。在沖擊試驗(yàn)之后，采用EVO-18掃描電子顯微鏡對低溫沖擊試驗(yàn)斷口進(jìn)行分析。對粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)磨拋，并采用4 %的硝酸酒精溶液腐蝕出試樣的顯微組織，然后使用金相顯微鏡、SEM、EDS、全自動夾雜物分析系統(tǒng)（Inclusion Automatic Analysis System， IAAS）進(jìn)行CGHAZ組織、夾雜物顯微表征觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊斷裂韌性

試樣在200 kJ/cm大線能量焊接條件下進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，并測量了CGHAZ -20 ℃低溫沖擊功，如表5所示。可以明顯看出，M23鋼在200 kJ/cm焊接熱輸入條件下CGHAZ的-20 ℃沖擊吸收功良好，平均值為204 J。

M23鋼在200 kJ/cm焊接線能量下CGHAZ的沖擊斷口如圖1所示，該圖是沖擊功為215 J沖擊樣的斷口。宏觀斷口呈現(xiàn)明顯塑性變形，經(jīng)計(jì)算，纖維區(qū)斷面占比約為74 %，解理斷面占比約為26%。對M23鋼斷口的纖維區(qū)進(jìn)行微觀SEM觀察，如圖1b所示，呈現(xiàn)不同大小的韌窩，表現(xiàn)出典型韌窩斷裂的特征。對M23鋼斷口的解理斷面進(jìn)行顯微SEM觀察，呈現(xiàn)河流花樣、扇形花樣、撕裂棱等準(zhǔn)解理斷裂的特征，如圖1c所示。

2.2 CGHAZ組織

M23鋼在200 kJ/cm焊接后的CGHAZ組織如圖2所示。在200 kJ/cm焊接線能量下，原奧氏體晶界不清晰，不能準(zhǔn)確表征原奧氏體晶粒（PAG）的尺寸。然而，M23鋼CGHAZ中誘發(fā)生成了大量呈放射狀的晶內(nèi)針狀鐵素體（IAF）組織，此外，CGHAZ中也生成了晶界鐵素體（GBF）以及呈平行分布的側(cè)板條鐵素體（FSP）等組織。IAF的長度約在幾十微米左右，而寬度約在十幾微米左右。

2.3 夾雜物解析

為探究其沖擊韌性、CGHAZ組織演變的機(jī)理，對M23試驗(yàn)鋼在200 kJ/cm大線能量焊接后的CGHAZ夾雜物進(jìn)行解析。鋼樣中典型夾雜物的形貌及成分如圖3所示。M23鋼中MgO夾雜物呈現(xiàn)長條狀，長約5 μm， TiN-MgS夾雜呈現(xiàn)典型的方形形貌，是含Mg的復(fù)合夾雜。夾雜物的形貌各異，如有類圓型、水滴型的MgO等，方型的Mg-Ti復(fù)合夾雜、MgO-TiN夾雜等，以及存在大尺寸的MgO-CaS復(fù)合夾雜。

對于M23鋼中的夾雜物利用夾雜物自動分析儀（IASS）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)面積約為4.6 mm2，檢測到的夾雜物數(shù)量為551個，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的夾雜物尺寸均在0.2 μm以上。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鋼樣的夾雜物平均尺寸為1.80 μm， 數(shù)量密度為117個/mm2。圖4分別表示M23鋼樣中所檢測到的夾雜物類型，以及相應(yīng)夾雜物的平均尺寸和數(shù)量密度，同時對0.2 μm以上的夾雜物尺寸分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖中夾雜物類型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以明顯看出M23鋼中的Mg-Ti-Mn-S復(fù)合夾雜的數(shù)量密度最大，大約為20個/mm2，平均尺寸約為2 μm。另一方面，對M23鋼的夾雜物進(jìn)行尺寸統(tǒng)計(jì)，夾雜物尺寸在1～3 μm的占比最多，尺寸超過4 μm的夾雜物占比有13 %。

對M23試驗(yàn)鋼進(jìn)行200 kJ/cm線能量的焊接熱模擬試驗(yàn)，對CGHAZ進(jìn)行了顯微組織觀察和夾雜物解析。在-20 ℃低溫沖擊條件下，M23鋼的CGHAZ低溫沖擊功為204 J，而且M23鋼的斷裂方式為韌性斷裂。這是因?yàn)镸23鋼在200 kJ/cm焊接線能量下的CGHAZ中誘發(fā)生成了大量呈放射狀的IAF組織。IAF的長度約在幾十微米左右，而寬度約在十幾微米左右。

對M23鋼CGHAZ夾雜物種類及平均尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)含量最多的夾雜物是Mg-Ti-Mn-S復(fù)合夾雜，該復(fù)合夾雜的平均尺寸約為2 μm。胡春林等以及Kong等通過研究Mg-Ti復(fù)合脫氧對IAF析出行為的影響均發(fā)現(xiàn)，MgO-Ti2O3-MnS是IAF作為形核位點(diǎn)析出的夾雜物，而且夾雜物的形核最佳尺寸為2 μm， 而且Kong等研究發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閵A雜物周圍形成了貧錳區(qū)（Mn-depletion zone）從而促進(jìn)了IAF組織的形成。因此，在本試驗(yàn)中，由于MgO-Ti2O3-MnS夾雜物大量生成且平均尺寸為2 μm左右，所以M23鋼的CGHAZ組織中誘發(fā)生成了大量的IAF。本團(tuán)隊(duì)過去的研究比較了不同Mg含量對船板鋼HAZ組織的影響中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)在27×10-6時，CGHAZ組織中生成了大量的IAF，而當(dāng)Mg含量為0時，CGHAZ中的組織主要為上貝氏體（UBs）、GBF以及FSP等脆性組織。Li等同樣研究了不同Mg含量對Al脫氧低碳鋼中IAF析出的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0逐漸升高至8×10-6，再到26×10-6，試驗(yàn)鋼中IAF的占比隨著Mg含量的升高而顯著提升。因此，M23鋼在200 kJ/cm焊接線能量下CGHAZ中，由于存在大量的Mg-Ti-Mn-S夾雜，誘發(fā)生成了較多的IAF組織。

3 結(jié)論

通過200 kJ/cm焊接熱模擬試驗(yàn)研究了Mg脫氧HSLA鋼的焊接粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）夾雜物、組織及-20 ℃低溫沖擊韌性，得出以下結(jié)論：

1）在200 kJ/cm焊接線能量條件下，Mg脫氧鋼CGHAZ中的Mg-Ti-Mn-S復(fù)合夾雜數(shù)量密度最大，約為20個/mm2，其平均尺寸約為2 μm。在200 kJ/cm焊接線能量條件下，CGHAZ中誘發(fā)生成了發(fā)達(dá)的IAF組織，-20 ℃低溫沖擊值為204 J，斷裂方式為韌性斷裂。

3）在200 kJ/cm焊接條件下，由于Mg脫氧鋼CGHAZ中生成了大量的Mg-Ti-Mn-S夾雜物，這種類型夾雜物可以誘發(fā)生成大量的IAF，所以顯著提高了CGHAZ的低溫沖擊韌性。

本文摘自《煉鋼》2024年第2期