超细晶材料焊接性分析

超细晶粒钢焊接性分析1． 超细晶粒钢

随着现代工业和科学技术的发展, 建筑、机械、汽车、铁路、船舶、海洋等各行业对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。大量研究表明晶粒细化处理是能够同时提高材料强度和韧性的最佳强化机制。自20世纪90年代以来,世界各主要钢产国相继开展了新一代钢铁材料的研究工作。其中,以日本的“超级钢铁材料” 研究计划、中国的“新一代钢铁材料重大基础研究”和韩国的“ 21 世纪高性能结构钢”研究最为引人瞩目。通过各种先进的材料制备技术把钢铁材料的组织细化到了微米级、亚微米级, 甚至纳米级,大幅度提高了钢铁材料的强度和韧性。材料从传统的细晶细化到l um , 其强度可提高一倍以上, 并使钢的韧脆转变温度下降到-20℃以下, 显著改善钢的韧性。

新一代钢铁材料的主要特征表现为超细晶粒尺寸、高洁净度和高均匀性, 其强度和寿命比原同类钢种提高一倍, 是应用前景广泛的结构材料。作为结构材料, 其焊接性的好坏是评价钢材使用性能的主要指标之一。微米级超细晶粒钢是现阶段最接近实际生产和应用的结构材料, 对其焊接性的研究已成为热点问题之一。

2. 焊接性研究

2.1 微米级超细晶粒钢的特点

超细晶粒钢与同等强度的传统钢相比, 其强化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量, 而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强韧性的目的。为了获得超细晶粒钢, 目前已经发展了多种晶粒超细化处理工艺，主要有冶金处理细化、形变诱导铁素体相变细化、热处理细化、磁场或电场处理细化和新型热机械控制轧制(TMCP )技术细化等。

2.2 HAZ组织性能

在新一代微合金高强高韧钢中,研究400 MPa和800 MPa两种强度级别的超细晶粒钢,400 MPa级细晶钢是指在普通Q235钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理,使其强度提高一倍,寿命增加一倍的新一代钢铁材料。400 MPa级细晶钢焊接时,薄弱环节出现在HAZ,因细晶粒本身已使得晶粒长大驱动力很大(驱动力与晶粒尺寸成反比),又因400MPa的细晶钢中没有或含有极少碳、氮化物形成元素,所以其焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向,粗大的晶粒将损害HAZ的性能,晶粒较粗大时,强度和韧性会随之下降。因此,对于400 MPa的细晶钢最主要的问题是探索400 MPa细晶钢的合适焊接方法、研究其晶粒长大规律、动力学和可控因素,从而寻找防止晶粒长大的有效措施。800 MPa级细晶钢是指在X65管线钢的基

础上进行细化晶粒和纯净化处理,使其强度提高一倍,寿命增加一倍的新一代钢铁材料。利用高洁净度X65钢和普通市售X65钢,采取一定的工艺措施获得细晶粒钢。

X65细晶钢显微组织 X65细晶钢显微组织(峰值1350℃)

在靠近熔合线的HAZ,奥氏体晶粒易粗化和硬化。为了减少冷裂和接头韧性的损失,通常限制HAZ的最大硬度。如造船用结构钢和破冰船,其硬度限制在HV 300～350之间。为避免应力腐蚀,硬度值也被限制,如在湿的H2S环境下,管线钢的硬度限制在HV 248。HAZ的最大硬度随着冷却时间t8/5的增加而减小。

下贝氏体和低碳马氏体均有较好的韧性,且下贝氏体的韧性优于低碳马氏体,随着冷却时间的增加,上贝氏体的含量越来越多,韧性逐渐降低。上贝氏体和侧板条铁素体均有很低的韧性。晶界铁素体是冷却时在原奥氏体晶粒边界上析出的,且上贝氏体和侧板条件铁素体从晶界铁素体向晶内生长。一般把粗晶热影响区(CGHAZ)和临界粗晶热影响区(IRCGHAZ)称作“局部脆性区”(LBZ),铁素体中固溶的碳小于奥氏体中固溶的碳,奥氏体分解过程中碳从相变铁素体析出且在没有相变的奥氏体中偏聚,这将推迟奥氏体相变且导致残余奥氏体+高碳马氏体(碳含量大于1 %)的混合组织(即M-A组元)形成,当钢在临界点之间的温度区域加热时,奥氏体和铁素体共存,将造成奥氏体中碳的偏析且导致硬化能力增加,在冷却时转化为M-A组元,它对HAZ的韧性极为不利,当晶粒粗大时,更为不利,HAZ的韧性强烈依赖M-A组元的体积分数。局部脆性区(LBZ)的影响在夏氏V型冲击试验中不明显,但在热模拟HAZ试样的CTOD试验中却很

明显。此外,当焊缝采用高匹配时,也将使HAZ的韧性损失,但与组织所引起的韧性损失相比,是很小的。

超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的,不能通过热处理手段来恢复,所以焊后HAZ会出现软化,尤其当高热输入时,就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其他因素控制的,如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。对于低强度级别的400 MPa钢而言,在高强匹配下,更高强度的焊缝和没有受热影响的母材对软化区有强的拘束作用,所以采用高匹配是防止或减小HAZ软化的有效措施之一。

2.3 焊接接头近熔合区组织

采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对4 0 0 M Pa 级超细晶粒钢焊接接头熔合区附近的显微组织及精细结构进行了研究。结果表明, 在脉冲M A G 焊条件下, 随着焊接线能量的减小, 近熔合区的整体硬度有所提高。近熔合区的组织形态随着焊接线能量的大小不同而发生较大变化, 其熔合区焊缝侧的柱状晶在熔合区半熔化的母材晶粒上连续长大。焊接线能量大、冷却速度慢、温度梯度小均会促使结晶形态向枝状晶发展; 界面处的温度梯度较大则会促使结晶形态向胞状晶发展。熔合区母材侧的组织较为复杂, 由魏氏体、先共析铁素体、贝氏体和珠光体等不同类型的组织混合而成。接头粗晶区中的铁素体形态和碳化物的形态、分布和取向也变得复杂多样。焊接线能量高时, 铁素体为板条状和块状,碳化物呈粒状、棒状等平行地分布在铁素体上, 并与板条长轴呈不同的夹角; 焊接线能量较高时, 铁素体以板条状为主, 并在其上分布大量等轴状的亚单元, 碳化物分布在亚单元的边界上或亚单元内部; 焊接线能量低时, 铁素体以块状为主, 碳化物呈粒状, 且数量较少。

3. 焊接缺欠分析

3.1 焊缝和HAZ的裂纹倾向

3.1.1 热裂纹

熔敷金属的化学成分主要是针对避免热裂纹而设计的,因此凝固裂纹主要是由母材稀释而引起的,即主要出现在具有最大熔合比的焊道上(如根部焊缝),或出现在凝固方式不恰当时(如过大的熔合比和焊速过高所引起的过于拉长的焊接熔池),此时热裂纹可通过改变焊接工艺参数避免。热裂纹的产生也强烈依赖夹杂物的数量和种类,细晶钢的合金含量很低、夹杂物(如S、P)含量低以及偏析少,所以热裂纹不易发生。

3.1.2　冷裂纹

因不同钢种对冷裂敏感的微观组织不尽相同,建议严格控制HAZ硬度。细晶钢低的碳当量减小了冷裂倾向,明显改善了其冷裂敏感性。因母材细晶钢的碳当量低,而熔敷金属碳当量高,于是氢就被固在熔化的金