Cu對低合金高強(qiáng)鋼熔敷金屬有效晶粒尺寸的影響

王愛華, 王晶

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000)

創(chuàng)新點： (1)研究了熔敷金屬中Cu含量與有效晶粒尺寸的關(guān)系。

0 前言

在傳統(tǒng)的高強(qiáng)度合金鋼中，加入Cu元素不是為了提高鋼的強(qiáng)度，而是為了提高鋼的耐腐蝕性[1-3]。自美國將Cu作為合金元素加入鋼中,成功開發(fā)出Cu沉淀強(qiáng)化鋼后，Cu對焊縫金屬的強(qiáng)韌化作用成為另一個研究熱點[4-6]。材料學(xué)理論研究表明：晶粒細(xì)化是最為有效的強(qiáng)韌化手段，即可提高金屬強(qiáng)度，又可有效阻止裂紋擴(kuò)展，對金屬韌性的提高起著積極作用。而對材料韌性起積極作用的是有效晶粒(晶界取向差≥15°的晶粒)，因為這些晶粒具有最大的界面能，當(dāng)裂紋通過有效晶粒時，所消耗的能量最大，從而能起到止裂增韌的作用[7]。由于電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)的應(yīng)用，使區(qū)分晶界的取向差變得容易，為深入研究Cu對組織亞結(jié)構(gòu)的影響提供了方便。

文中采用MIG焊接方法，使用不同含Cu量的焊絲進(jìn)行施焊，應(yīng)用EBSD技術(shù)研究Cu對低合金高強(qiáng)度鋼熔敷金屬有效晶粒尺寸的影響，為Cu在高強(qiáng)鋼焊縫金屬中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

母材采用20鋼，尺寸為430 mm×205 mm×20 mm，焊絲選用含Cu的690 MPa級實心焊絲，應(yīng)用MIG焊接方法(95%Ar+5%CO2)進(jìn)行施焊，焊接工藝參數(shù)如下：熱輸入為20 kJ/cm、焊接電流300 V、電弧電壓30 V、保護(hù)氣體流量20 L/min，施焊完的熔敷金屬Cu含量分別為0.052%，0.24%和0.53%，其他元素及化學(xué)成分見表1，除Cu元素外其他元素成分差距很小。

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

將熔敷金屬加工成φ3 mm×0.1 mm的圓片試樣，在試樣上任選3個面積為50 μm×50 μm的部位進(jìn)行掃描，掃描步長0.1 μm，應(yīng)用牛津Oxford Nordlys F+型場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行EBSD面掃描，使用EBSD配套的加密軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對熔敷金屬的有效晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計。熔敷金屬微觀結(jié)構(gòu)的觀察采用H-800透射電鏡。試樣的取樣位置取自最后一道焊縫。

2 試驗結(jié)果

2.1 熔敷金屬的精細(xì)結(jié)構(gòu)

圖1是不同Cu含量的熔敷金屬精細(xì)結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，熔敷金屬主要由板條狀結(jié)構(gòu)的貝氏體和馬氏體組成，隨Cu含量的增加，板條結(jié)構(gòu)變得越來越細(xì)小致密。

圖1 熔敷金屬的精細(xì)結(jié)構(gòu)

2.2 熔敷金屬的有效晶粒尺寸

熔敷金屬中貝氏體和馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)主要是由板條結(jié)構(gòu)組成，對于這種板條結(jié)構(gòu)組織，其亞單元主要是板條束、板條塊和板條，而板條束和板條塊所圍成的晶界通常認(rèn)為是晶界角度≥15°，通常把由晶界角度≥15°的晶界所圍成的晶粒稱之為有效晶粒，利用EBSD(電子背散射衍射)可以有效的對晶界角度的取向差異進(jìn)行區(qū)分，并對其亞單元的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計。

圖2是不同Cu 含量熔敷金屬中有效晶粒單元顏色圖，此圖是經(jīng)過EBSD系統(tǒng)對不同Cu含量的熔敷金屬進(jìn)行了EBSD掃描，對掃描圖像進(jìn)行了去躁點處理，對去噪處理后的圖像進(jìn)行取向單元識別后，系統(tǒng)自行繪制的彩色圖，圖中相同的顏色代表著擁有著相同取向的單元，顏色的差異代表單元取向的不同，不同取向單元的晶界用黑色線條標(biāo)示，黑色線條代表晶界角度≥15°的晶界。從圖2中可以看出，隨Cu含量的增加，有效晶粒有逐漸細(xì)化的趨勢，采用EBSD系統(tǒng)自帶的分析軟件，對不同Cu 含量熔敷金屬中有效晶粒采用截線法進(jìn)行了尺寸測量，每種Cu含量的熔敷金屬中大約測量600～800個有效晶粒，為了使試驗數(shù)據(jù)更加全面可靠，文中同時采用了橫截線和豎截線進(jìn)行測量，測量示意圖如圖3所示，橫線和豎線分別采用5條線段，橫線和豎線測量的有效晶粒尺寸的分布如圖4～圖6所示，橫線和豎線所測量的有效晶粒的平均值見表2，從表中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出：Cu含量為0.052%時，有效晶粒的平均尺寸為2.39 μm；當(dāng)Cu含量增加到0.24%時，有效晶粒的平均尺寸為2.18 μm；當(dāng)Cu含量繼續(xù)增加到0.53%時，有效晶粒的平均尺寸為1.99 μm。熔敷金屬中有效晶粒的尺寸，隨Cu含量的增加，尺寸逐漸在減小。

圖2 不同Cu含量有效晶粒單元顏色圖

圖3 不同Cu 含量熔敷金屬有效單元截線圖

圖4 含量為0.052%時有效晶粒尺寸統(tǒng)計分布圖

圖5 含量為0.24%時有效晶粒尺寸統(tǒng)計分布圖

圖6 含量為0.53%時有效晶粒尺寸統(tǒng)計分布圖

表2 有效晶粒的平均尺寸 μm

分析認(rèn)為，Cu元素在奧氏體化過程中，與鎳、錳、硅等元素一樣，固溶于奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，從而使奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度降低。當(dāng)過冷奧氏體向貝氏體(γ→B)轉(zhuǎn)變時，由于Cu含量的增加導(dǎo)致相變溫度逐漸降低，促使相變驅(qū)動力增大，使同時形核的貝氏體晶核數(shù)量增加，貝氏體晶粒變細(xì)小，貝氏體板條，板條塊、板條束尺寸減小[8]。在隨后剩余的過冷奧氏體進(jìn)行γ→M轉(zhuǎn)變時，由于貝氏體轉(zhuǎn)變分割了原奧氏體晶粒，使馬氏體的轉(zhuǎn)變只能在剩余的空間進(jìn)行，而貝氏體轉(zhuǎn)變溫度的降低，導(dǎo)致同時形核的貝氏體鐵素體晶核數(shù)量增多，奧氏體晶粒被分割的更加細(xì)小，使得馬氏體的轉(zhuǎn)變的剩余空間變小。由于隨Cu含量增加，馬氏體轉(zhuǎn)變初始溫度也隨之降低[9]，因此，馬氏體在隨后組織轉(zhuǎn)變時會同時受轉(zhuǎn)變空間變小和轉(zhuǎn)變溫度降低雙重條件的限制，導(dǎo)致馬氏體結(jié)構(gòu)中板條、板條塊和板條束尺寸減小，精細(xì)結(jié)構(gòu)得到細(xì)化[8]。

有效晶粒通常認(rèn)為是由晶界角度≥15°的板條束和板條塊的所圍成的晶粒，貝氏體和馬氏體板條塊和板條束尺寸的減小勢必會導(dǎo)致有效晶粒尺寸減小，有效晶粒得到細(xì)化，而細(xì)化有效晶粒是提高金屬材料強(qiáng)度與韌性最為有效的方法，文中加入適量的Cu元素對高強(qiáng)鋼焊縫金屬強(qiáng)度和韌性的提高起到了積極的作用。

3 結(jié)論

(1)熔敷金屬主要由板條貝氏體和板條馬氏體組成，隨Cu含量的增加，板條結(jié)構(gòu)變得細(xì)小致密。

(2)隨Cu含量的增加，熔敷金屬橫截線方向的有效晶粒尺寸從Cu含量為0.052%時的2.18 μm，減小到Cu含量為0.53%時的1.90 μm；豎截線方向的有效晶粒尺寸從Cu含量為0.052%時的2.60 μm，減小到Cu含量為0.53%時的2.08 μm；有效晶粒平均尺寸也從Cu含量為0.052%時的2.39 μm，減小到Cu含量為0.53%時的1.99 μm，有效晶粒得到細(xì)化。