大熱輸入焊接用EH40船板鋼焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能

劉洪波, 李建新, 吝章國, 齊建軍, 田志強(qiáng), 劉崇

(1.河鋼集團(tuán)鋼研總院，石家莊 050000；2.河鋼股份有限公司，石家莊 050000)

0 前言

近年來在船舶工業(yè)快速增長的帶動(dòng)下，船板鋼的需求量在逐年迅速上升。隨著造船行業(yè)遠(yuǎn)距離、大運(yùn)輸量的增長，其發(fā)展趨勢(shì)是建造更大尺寸、承載量更高的超大型船[1-3]。巨型船舶等大型構(gòu)件通常都是分段建造的，在合攏總裝時(shí)需要使用焊接的方法進(jìn)行連接[4]。國內(nèi)船廠通常會(huì)采用較低熱輸入多道次焊接以保證焊接熱影響區(qū)(HAZ)的力學(xué)性能，但是該方法效率較低?，F(xiàn)階段，多絲埋弧焊和氣電立焊等高效自動(dòng)焊接工藝越來越多的被應(yīng)用在大型儲(chǔ)罐安裝、容器制造和船舶制造等領(lǐng)域[5-6]。因此，開發(fā)大熱輸入焊接用鋼成為提高焊接效率、降低生產(chǎn)成本行之有效的方法。大熱輸入焊接用鋼一般是指熱輸入大于50 kJ/cm的鋼板[7-8]，目前該種鋼板是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)國家競(jìng)相追逐的先進(jìn)技術(shù)之一。采用該類焊接工藝時(shí)，焊接熱輸入較大，由于高溫停留時(shí)間長，相變冷卻速率慢，鋼板焊接HAZ的奧氏體晶粒迅速長大，導(dǎo)致焊接HAZ的沖擊韌性急劇下降[9-11]。Takamura等人[12]首先提出“氧化物冶金”概念，其技術(shù)原理是利用鋼中生成的細(xì)小彌散的非金屬夾雜物作為核心，促進(jìn)鋼冷卻過程中針狀鐵素體的異質(zhì)核心，并且可以釘扎晶界，從而達(dá)到抑制奧氏體晶粒長大的目的[13-15]。

河鋼集團(tuán)通過采用氧化物冶金技術(shù)，開發(fā)出了滿足大熱輸入焊接的EH40船板鋼。為了掌握焊接HAZ的相變規(guī)律，研究焊接熱循環(huán)作用下的相變過程，該研究采用DIL805L淬火相變膨脹儀，并結(jié)合金相試驗(yàn)，繪制了大熱輸入焊接用EH40船板鋼焊接HAZ連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線(SHCCT)，為分析在一定焊接條件下HAZ的組織性能、合理制定焊接工藝有重要的指導(dǎo)意義。另外，該研究利用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)在200 kJ/cm熱輸入條件下進(jìn)行焊接熱模擬，并對(duì)其焊接HAZ低溫沖擊性能進(jìn)行了測(cè)定。

1 研究方法

該研究開發(fā)的大熱輸入焊接用EH40船板鋼，使用50 kg中頻真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉。將相應(yīng)合金依次置入合金料槽中，此時(shí)，爐內(nèi)抽真空至極限真空度，沖入高純氬氣，通電升溫至1 600 ℃。待純鐵熔清后，完成脫氧和合金化的操作，出鋼，將鋼水澆鑄到150 mm×150 mm×300 mm的金屬錠模中。熱軋?jiān)囼?yàn)在φ750 mm×550 mm雙輥可逆式軋機(jī)上進(jìn)行，表1為實(shí)際熱軋工藝參數(shù)。最終熱軋板厚為30 mm，EH40船板鋼成分見表2。

表 1 熱軋工藝參數(shù)

表2 EH40船板鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

SHCCT試驗(yàn)材料取自EH40熱軋后鋼板，加工成為尺寸為φ4 mm×10 mm熱膨脹圓柱試樣，要求兩端與側(cè)面垂直且所有面磨光。根據(jù)YB/T 5127—1993《鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定方法(膨脹法)》，試驗(yàn)在DIL805L淬火相變膨脹儀上進(jìn)行試驗(yàn)工藝曲線示意圖如圖1所示。按圖1a工藝曲線所示，將試樣以10 ℃/s加熱至500 ℃，然后以0.05 ℃/s加熱至1 000 ℃保持10 min以上，測(cè)得EH40鋼的臨界點(diǎn)Ac1和Ac3。另外，如圖1b所示SHCCT曲線的測(cè)定的工藝曲線，首先將試樣以100 ℃/s的速率加熱到峰值溫度1 300 ℃，保溫1 s，然后以40 ℃/s的速率從1 300 ℃冷卻至900 ℃，再分別以0.05 ℃/s，0.1 ℃/s，0.2 ℃/s，0.3 ℃/s，0.5 ℃/s，1 ℃/s，2 ℃/s，3 ℃/s，5 ℃/s，10 ℃/s，15 ℃/s，30 ℃/s，50 ℃/s，100 ℃/s共計(jì)14個(gè)不同冷卻速率冷卻至室溫。

將不同冷卻速率的試樣鑲嵌、加工成金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后在Alm倒置式光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。從不同冷卻速率下的膨脹曲線上確定相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的溫度和時(shí)間及各區(qū)域?qū)?yīng)的組織狀態(tài)，將其描繪在溫度—時(shí)間(對(duì)數(shù))坐標(biāo)上，就獲得大熱輸入焊接用EH40船板鋼的SHCCT曲線。

焊接熱模擬試樣、室溫拉伸、低溫沖擊試樣均取自于EH40熱軋后鋼板平行于軋向處。采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱輸入為200 kJ/cm焊接熱模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置條件為：板厚32 mm，峰值溫度1 400 ℃，比熱容1 J/(g·℃)，高溫停留時(shí)間為2 s，從800 ℃冷卻至500 ℃時(shí)間t8/5為214.93 s。試樣在經(jīng)過焊接熱模擬后會(huì)以焊點(diǎn)為中心得到長度約為16 mm的焊接HAZ。將焊接熱模擬試樣加工成為10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)V形缺口沖擊試樣。隨后，采用450 J儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定焊接HAZ在-40 ℃下的沖擊吸收能量。使用4%硝酸酒精溶液腐蝕出焊接HAZ試樣組織，并采用Untra55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及其配套的能譜儀對(duì)EH40船板鋼焊接HAZ析出粒子進(jìn)行分析。

圖1 試驗(yàn)工藝曲線示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EH40鋼熱影響區(qū)SHCCT曲線的測(cè)定及分析

圖2為大熱輸入焊接用EH40船板鋼在加熱階段的溫度-膨脹量曲線，首先將EH40船板鋼以10 ℃/s的升溫速率升溫至500 ℃，然后采用較小的升溫速率0.05 ℃/s將EH40船板鋼升溫至1 000 ℃。使用切線法，測(cè)得該鋼種的臨界點(diǎn)Ac1和Ac3溫度分別為714 ℃和875 ℃。

圖2 EH40船板鋼在加熱階段的膨脹曲線

根據(jù)圖1b所示工藝曲線，分別對(duì)EH40船板鋼不同冷卻速率下的膨脹量-時(shí)間曲線進(jìn)行了分析，根據(jù)熱膨脹曲線的拐點(diǎn)確定各冷卻速率下的相變溫度見表3；EH40船板鋼在不同冷卻速率條件下獲得的不同的室溫組織，如圖3所示；根據(jù)表3中相變點(diǎn)和顯微組織分析結(jié)果繪制其SHCCT曲線，如圖4所示。

表3 EH40船板鋼不同冷卻速率下的相變溫度

由圖3可以看出，隨著冷卻速率增加，顯微組織明顯細(xì)化。當(dāng)冷卻速率為0.05和0.1 ℃/s時(shí)，如圖3a,3b所示，冷卻至室溫獲得多邊形鐵素體和珠光體組織；隨著冷卻速率增大至0.2～1 ℃/s時(shí)，如圖3c～3f所示，珠光體片層間距比較大，最終形成的組織是鐵素體和珠光體組織；冷卻速率增大至2 ℃/s時(shí)，多邊形鐵素體和珠光體組織明顯減少，開始出現(xiàn)針狀形態(tài)鐵素體和部分粒狀貝氏體；冷卻速率增大至3～5 ℃/s時(shí)，鐵素體的針狀狀態(tài)變得更加明顯，粒狀貝氏體組織也在明顯增加；冷卻速率增大至10 ℃/s時(shí)，試樣組織基本為粒狀貝氏體組織，同時(shí)還存在有極少量鐵素體；冷卻速率增大至15 ℃/s時(shí)，除粒狀貝氏體組織之外，開始出現(xiàn)板條狀貝氏體；冷卻速率增大至30 ℃/s時(shí)，試樣以板條狀貝氏體和粒狀貝氏體為主，在一些局部區(qū)域開始出現(xiàn)馬氏體組織；隨著冷卻速率增大至50 ℃/s和100 ℃/s，馬氏體組織所占比例逐漸增加。

圖3 EH40船板鋼在不同冷卻速率下的顯微組織

圖4 EH40船板鋼SHCCT曲線

2.2 EH40鋼熱影響區(qū)組織與力學(xué)性能分析

對(duì)熱軋后EH40船板鋼鋼板平行于軋制方向取樣，進(jìn)行室溫全厚度板拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)。另外，經(jīng)200 kJ/cm熱輸入條件下焊接熱模擬后，EH40船板鋼試樣進(jìn)行了-40 ℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 EH40船板鋼的力學(xué)性能

從表4中可以看出，EH40船板鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為417 MPa和530 MPa，根據(jù)GB 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，EH40級(jí)船板鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為≥390 MPa和510～560 MPa。另外，EH40船板鋼熱軋板和200 kJ/cm條件下焊接熱模擬試樣的沖擊吸收能量分別達(dá)到了294 J和205 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于EH40級(jí)船板鋼國家標(biāo)準(zhǔn)要求的41 J，另外，EH40船板鋼斷后伸長率達(dá)到27%，也大于標(biāo)準(zhǔn)要求的20%，證明該文開發(fā)的大熱輸入焊接用船板鋼已經(jīng)達(dá)到EH40級(jí)別。

圖5為EH40船板鋼在200 kJ/cm焊接熱輸入條件下HAZ組織，在圖中可以看出，EH40船板鋼HAZ中顯微組織主要為針狀鐵素體(AF)，還存在有一定量的GBF和少量的塊狀鐵素體(PF)和粒狀貝氏體(B)。利用Image-Pro Plus軟件對(duì)至少3組熱模擬試樣組織中針狀鐵素體所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，EH40船板鋼中AF所占比例為63.6%，AF能使EH40鋼HAZ區(qū)域的晶粒變得更加細(xì)小。另外，AF板條之間為大角度晶界，板條內(nèi)的微裂紋解理當(dāng)跨越AF要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋的擴(kuò)展需要大量的能量，AF的存在裂紋擴(kuò)展得到有效阻止[16-18]。因此，在EH40船板鋼HAZ區(qū)域生成大量的AF有效組織了在沖擊試驗(yàn)中微裂紋的擴(kuò)展，使得斷裂變得更加困難，這就是表4中大熱輸入焊接用EH40船板鋼沖擊吸收能量值在200 kJ/cm條件下焊接熱模擬后保持較高水平的根本原因。

圖5 200 kJ/cm焊接熱輸入條件下EH40船板鋼HAZ組織

Chai等人[19]研究發(fā)現(xiàn)，Ti鎮(zhèn)靜鋼中添加Mg元素后生成的Ti-Mg復(fù)合粒子會(huì)被外層的MnS所包裹。Kim等人[20]認(rèn)為這種氧硫化物復(fù)合粒子的形成得益于氧化物粒子周圍的Mn元素和S元素處于局部飽和狀態(tài)。但在冷卻凝固的過程中，由于S元素偏析導(dǎo)致MnS的溶解度下降，從而在氧化物粒子表面包裹析出。

圖6和圖7為EH40船板鋼中析出粒子的形貌和面掃描分析，從圖中可以看出，該粒子屬于氧硫化物復(fù)合粒子，中心氧化物為(Ti,Mn,Si,Mg)Ox復(fù)合粒子，外層包裹有MnS。在EH40船板鋼HAZ中，(Ti,Mn,Si,Mg)Ox-MnS復(fù)合粒子具有誘發(fā)AF形核能力。AF的生成會(huì)使EH40船板鋼的HAZ表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和韌性，表現(xiàn)為EH40船板鋼在200 kJ/cm條件下焊接熱模擬后HAZ在-40 ℃沖擊吸收能量處于較高水平。

圖6 EH40船板鋼中析出粒子的形貌

圖7 試驗(yàn)鋼面掃描分析

3 結(jié)論

(1)采用切線法處理膨脹量-溫度曲線，冷卻速率為0.05 ℃/s時(shí)測(cè)得開發(fā)的大熱輸入焊接用鋼臨界點(diǎn)Ac1和Ac3溫度分別為714 ℃和875 ℃。

(2)通過繪制大熱輸入焊接用鋼SHCCT曲線可知，當(dāng)冷卻速率≤1 ℃/s時(shí)，主要發(fā)生鐵素體/珠光體轉(zhuǎn)變；隨著冷卻速率增大至2 ℃/s時(shí)，貝氏體開始析出，當(dāng)冷卻速率在2～3 ℃/s時(shí)，發(fā)生鐵素體/珠光體和粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速率在5～10 ℃/s時(shí)，發(fā)生鐵素體/粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，而且隨著冷卻速率增大，粒狀貝氏體所占比例逐漸升高；當(dāng)冷卻速率增大至15 ℃/s時(shí)，開始出現(xiàn)板條狀貝氏體；當(dāng)冷卻速率在30～100 ℃/s時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體，并且馬氏體所占的比例逐漸升高。

(3)開發(fā)的大熱輸入焊接用鋼力學(xué)性能滿足EH40級(jí)船板鋼國標(biāo)要求，且滿足200 kJ/cm熱輸入焊接要求。經(jīng)Ti-Mg脫氧處理后，EH40鋼中形成的(Ti,Mn,Si,Mg)Ox-MnS粒子可以作為形核質(zhì)點(diǎn)促進(jìn)焊接HAZ針狀鐵素體的形成，這是焊接HAZ韌性改善的主要原因。