冷卻速率對低碳微合金高強鋼焊接熱影響區組織和硬度的影響

20世紀80年代以來，以低碳貝氏合金（ucb鋼）為代表的cu-nb-b系列和以美國和加拿大為代表的mo-nb-b系列u-nb-b系列。新型超低碳貝氏體鋼碳含量一般在0.05%(質量分數,下同)以內,此種鋼的高強度不再像傳統鋼那樣依賴高碳含量,而主要是通過位錯強化、微合金強化及ε-Cu沉淀強化來實現。因此,這類鋼的組織特征是具有高密度位錯亞結構的均勻細小的貝氏體,且具有高強韌性以及易焊接的特點［３］。目前,屈服強度從400~900MPa的超低碳貝氏體鋼已形成系列,其中400~800MPa級鋼已經滿足批量生產供貨的要求,并已成功應用于大型工程機械,900MPa及以上級鋼處在研發和試生產階段。本文選用的高強度高韌性低碳微合金貝氏體鋼,屬于1000MPa級TMCP+低溫回火工藝生產的工程機械焊接用鋼,是低合金鋼的升級產品和普碳鋼板的替代產品［４－５］。根據參考文獻,該鋼具有一定的冷裂傾向,因此,深入研究其焊接性及焊接工藝對該鋼的工程化應用具有重要意義。為了研究該高強鋼在焊接熱循環作用下的相變過程,進而掌握其焊接熱影響區的相變規律,采用模擬焊接熱循環的方法測試該鋼在焊接過程中熱影響區過熱區的連續冷卻轉變曲線,選用膨脹法確定其相變開始和終了溫度,最終得到該鋼的組織構成和性能變化規律。上述研究可以為該鋼在工程實際應用中合理選取與制定焊接工藝提供參考依據。1試驗方法和步驟該高強鋼鑄錠取自某鋼鐵公司,在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室ue788450mm熱軋機上利用控軋-控冷技術軋制成厚度為12mm的板坯,隨后進行低溫回火處理。試驗鋼屬于超低碳微合金鋼,其主要化學成分(質量分數,%)為:C0.05,Si0.36,Mn1.75,P0.006,S0.006,Cu+Mo≤0.7,Ti+Nb+V≤0.1,B≤0.005。利用Ti、Nb、V、B、Cu、Mo等微合金元素進行沉淀強化,抗拉強度為1080MPa,屈服強度為930MPa,室溫伸長率為15%,在-25℃時沖擊功達125J。試驗鋼顯微組織及掃描電鏡組織形貌見參考文獻。焊接熱循環模擬試驗在MMS-300熱模擬試驗機上進行,真空度為13.33Pa。試驗過程中采用膨脹儀測量試樣中間焊接熱電偶處的徑向膨脹量,試樣尺寸如圖1所示。以0.05℃/s的加熱速率從室溫加熱到峰值溫度(1000℃),保溫10min,然后再以0.05℃/s的速率冷卻至室溫,根據熱膨脹曲線拐點所對應的溫度確定Aｃ１和Aｃ３。焊接熱影響區連續冷卻組織轉變曲線(SH-CCT曲線)測定方法主要有熱膨脹法、熱分析法、磁分析法、金相法等［８］。這里采用熱膨脹法,執行GB/T5056—1985《鋼的臨界點測定方法》、GB/T5057—1985《鋼的連續冷卻轉變曲線的測定》、GB/T5058—1985《鋼的等溫轉變曲線的測定方法》等標準,具體試驗步驟如下:制定熱模擬焊接熱循環試驗參數,具體如圖2所示,圖中θｐ為峰值溫度,tｐ為試樣從室溫加熱到峰值溫度所需的時間;t８／５為試樣由800℃冷卻至500℃所需的時間。選取的具體焊接熱循環試驗參數為:加熱速率為120℃/s,峰值溫度為1320℃,保溫時間為1s;從峰值溫度以20℃/s的速率降溫到950℃,再分別以60、50、40、30、20、15、10、5、2、1、0.5、0.12℃/s等一系列冷卻速率冷卻到室溫。試樣在冷卻過程中發生相變,熱膨脹曲線就會出現拐點,根據該拐點所對應的溫度就可以確定各冷卻速率對應的相變溫度,進而繪制出SH-CCT曲線。從熱模擬試樣中部熱電偶焊點處切取金相試樣,用砂紙打磨并拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,在DM2500M光學顯微鏡下觀察金相組織特征。完成金相組織觀察后,將試樣重新進行磨平、拋光,并用加少量海鷗牌洗凈劑的過飽和苦味酸水溶液在70℃左右水浴條件下進行晶界腐蝕,在LeicaQ550IW圖像分析儀上對模擬焊接熱影響區奧氏體晶粒尺寸進行統計測量。采用450SVDTM維氏硬度計在10kg負載下測定金相試樣中心部位的硬度,每個試樣測3點,取平均值。2結果與討論2.1模擬焊接條件對試驗鋼品質的影響試驗鋼以120℃/s的加熱速度進行模擬焊接熱循環試驗,得到的膨脹曲線如圖3(a)所示。由圖中可以看出,試驗鋼奧氏體化開始溫度為810℃,結束溫度為950℃。按照臨界點測定標準(加熱速度為0.05℃/s)測定出試驗鋼的Aｃ１、Aｃ３分別為730和910℃,如圖3(b)所示。對比兩種條件下的試驗結果,可以看出在加熱速率為120℃/s的模擬焊接條件下,試驗鋼母材的相變溫度推遲約80℃。由此可以得出結論,試驗鋼的奧氏體化溫度在模擬焊接條件下比平衡狀態下顯著升高。2.2冷卻速率的影響不同冷卻速率條件下模擬試樣的維氏硬度如圖4所示。由圖中可以看出,當冷卻速率較高,t８／５較小時,試樣的硬度值很大,試驗條件下最高達到了HV１０425。其原因為在快速冷卻條件下,高溫下奧氏體中的碳來不及擴散、聚集,從而以過飽和的形式存在于原奧氏體中,并隨之在低溫區間發生相變,形成的轉變產物不僅富碳,而且還有大量的晶格缺陷,因而其硬度值很高。隨著冷卻速率的降低,t８／５不斷增大,試樣的硬度值會逐漸減小。當冷卻速率較低,特別是t８／５>60s后,試樣的硬度低于母材,此時出現軟化現象。2.3熱影響區的組織轉變根據不同模擬焊接熱循環曲線得到的相變點數據、組織特征和性能結果,繪制出試驗鋼的SH-CCT曲線,如圖5所示,該曲線反映了試驗鋼在焊接條件下的組織性能變化規律。隨著焊接熱輸入的增加,焊后冷卻速率由快變慢,低碳貝氏體鋼熱影響區粗晶區發生了M、M+B和B3種不同類型的組織轉變。當冷卻速率大于40℃/s(t８／５<7.5s)時,熱影響區粗晶區發生馬氏體相變;當冷卻速率處于15~40℃/s之間(7.5s≤t８／５≤20s)時,熱影響區粗晶區發生的是馬氏體和貝氏體的相變;當冷卻速率小于15℃/s(t８／５≥20s)時,發生的是完全貝氏體相變。2.4晶粒尺寸的影響在峰值溫度為1320℃時,試驗鋼奧氏體晶粒平均尺寸隨t８／５的變化關系如圖6所示。從圖中可以看出,隨著t８／５的增加,奧氏體平均晶粒尺寸也隨之增加,由t８／５=5s(冷卻速率為60℃/s)時的48.5μm增加至t８／５=150s(冷卻速率為2℃/s)時的59.64μm。t８／５≤150s(冷卻速率≥2℃/s)時,奧氏體平均晶粒尺寸小于60μm。當t８／５為2500s(冷卻速率為0.12℃/s),奧氏體平均晶粒尺寸卻僅為70μm。這說明試驗鋼焊接熱影響區1320℃處的晶粒尺寸長大傾向并不十分顯著。在圖6中,在t８／５=5~2500s范圍內,試驗鋼的奧氏體晶粒直徑與t８／５的對數之間具有很好的線性關系,其回歸方程可以擬合為:。2.5冷卻熱影響區組織冷卻速率對試樣組織形態的影響如圖7所示。當冷卻速率較小時(0.12~1℃/s,t８／５=2500~300s),組織主要為粒狀貝氏體,見圖7(a)、(b)、(c);當冷卻速率較高時(40~60℃/s,t８／５=7.5~5s),焊接熱影響區組織主要為馬氏體,見圖7(j)、(k)、(l);在相當寬的冷速范圍內(2~30℃/s,t８／５=150~10s),熱影響區以板條貝氏體為主,見圖7(d)~(i),其中,在冷速超過15℃/s時開始出現馬氏體組織。2.6冷卻速率對m/a島的影響當試樣以0.12℃/s(t８／５=2500s)的冷卻速率冷卻到室溫時,組織以粒狀貝氏體為主,鐵素體基體中也有顆粒狀M/A島分布,同時還有尺寸較大的島狀殘余奧氏體存在。顆粒狀M-A島的形成主要是由于在連續冷卻速率較小時,碳有足夠的時間由α/γ相變前沿界面向γ內快速擴散,結果導致殘余奧氏體中碳含量升高,形成穩定化的富碳奧氏體。接下來隨著貝氏體的進一步轉變,包圍原來穩定化的富碳奧氏體,在隨后的冷卻過程中,富碳奧氏體轉變為馬氏體,從而形成M-A島。當冷卻速率為1℃/s(t８／５=300s)時,轉變產物主要為粒狀貝氏體,并有部分板條貝氏體,在原奧氏體晶界上形成沉淀強化相,如圖7(c)所示。從圖7(a)、(b)、(c)中還可以看出,隨著冷卻速率的逐漸增加,M/A組元的體積分數也有所增加,尺寸減小。這是因為冷卻速率增加,奧氏體中碳原子的擴散能力反而降低,導致奧氏體只能在短距離內富碳,最終造成M/A島尺寸減小。與此同時,由于冷卻速率增加,貝氏體開始轉變溫度相應就會降低,進而相變驅動力不斷增大,最終導致M/A島數量相應增加［９－１０］。當冷卻速率達到5℃/s(t８／５=60s)時,顯微組織以板條狀貝氏體為主。如果將方向一致、互相平行的一個貝氏體區域稱為貝氏體板條束,那么從圖7(e)中可以看出,大量方向各異的貝氏體板條束存在于原奧氏體晶粒內部,并且這些板條束將原奧氏體晶粒分割成不同的區域。貝氏體板條束之間的尺寸相差也較大,較小的板條束尺寸約5μm×5μm,而較大的板條束尺寸約20μm×20μm。另外,粒狀貝氏體組織也分布于貝氏體板條束之間,起到對貝氏體板條束的分割作用,這有利于細化貝氏體組織［１１］。當冷卻速率提高到30℃/s(t８／５=10s)時,組織類型為板條貝氏體和馬氏體。隨著冷卻速率的進一步增加,板條貝氏體逐漸減少,板條馬氏體不斷增多。當冷卻速率為60℃/s(t８／５=5s)時,主要為板條馬氏體組織。綜上所述,在試驗采用的冷卻速率范圍內,以低冷卻速率連續冷卻后可以得到粒狀貝氏體組織,硬度較低,奧氏體晶粒尺寸較大;高冷卻速率連續冷卻時將得到以板條狀貝氏體為主的組織,奧氏體晶粒尺寸和硬度相對適中;冷卻速率進一步提高,則得到板條馬氏體組織,硬度較高,奧氏體晶粒尺寸較小。3冷卻速率對馬氏體組織的影響1)通過焊接熱模擬試驗,繪制出試驗鋼的連續冷卻轉變曲線(SH-CCT曲線)。當冷卻速率較低時(0.12~1℃/s),組織主要為粒狀貝氏體;當冷卻速率較高時(40~60℃/s),組織主要為馬氏體;但在相當寬的冷卻速率范圍內(2~30℃/s),以板條狀貝氏體為主;冷速超過15℃/s時,就開始有馬氏體組織產生。2)在模擬焊接熱循環加熱速率為120℃/s的條件下,奧氏體開始形成溫度比臨界點標準測試條件下的Aｃ１高出80℃。對于不同的熱循環,當峰值溫度為1320℃,冷卻速率小于2℃/s(t８／５≤150s)時,奧氏體平均晶粒尺寸小于60μm,冷卻速率為0.12℃/s(t８／５為2500