于 磊，王紅鴻，汪興隆

（武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北武漢430081）

0 前言

大線能量焊接技術已經廣泛應用于基礎設施、海洋平臺、航空等眾多領域[1-2]。低合金高強度鋼在大線能量條件下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的韌性惡化已經成為國內外研究的熱點[3]。大量研究表明[4-6]，合金元素對低合金高強度鋼在大線能量條件下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的韌性提高有明顯影響，例如鈮、釩、鈦可在焊接熱循環(huán)過程中產生大量析出物釘扎晶界，起到細化晶粒的作用[4]；鈮、硅能夠改變M-A組元的形貌和含量[5]，鈮還可以促進針狀鐵素體的形成等[6]。低合金高強度鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)內往往出現(xiàn)晶粒粗大的粒狀貝氏體，并且在鐵素體板條上析出M-A組元。M-A組元的含量及形貌對于粗晶區(qū)的韌性有很大影響。

鋁元素通常作為鋼中的脫氧劑使用。有研究表明[7]，加入適當?shù)匿X可以析出AlN，能有效地釘扎奧氏體晶界，但是加入過多的鋁會引起組織粗大。鋁不溶解于滲碳體當中，添加適當?shù)匿X可以促進奧氏體的穩(wěn)定性[8]，鋁元素對M-A組元內部組織產生的影響的研究較少。在此研究鋁元素在大線能量條件下是否會影響M-A組元的內部組織、含量，從而對沖擊韌性產生影響。

本研究采用熱模擬實驗模擬100 kJ/cm線能量下低合金高強度鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織，通過統(tǒng)計掃描電鏡圖片得到M-A組元的體積分數(shù)，分析透射電鏡下M-A組元內部的組織變化。同時對模擬的大線能量焊接熱輸入下粗晶區(qū)的力學性能進行分析。

1 試驗材料與方法

實驗材料是實驗室煉制的在X70管線鋼化學成分的基礎上添加不同Al含量（0.027%、0.038%、0.070%)，其他化學成分列于表1中。試樣尺寸10mm×10 mm×70 mm。實驗熱模擬工藝：升溫速率300℃/s，峰值溫度1 350℃，峰值溫度停留時間3 s。焊接熱模擬線能量為100 kJ/cm。將完成熱模擬實驗的試樣尺寸加工成10 mm×10 mm×55 mm，進行低溫（-20℃）沖擊韌性測試。

表1 試驗用鋼的化學成分Tab.1 Chemical compositions of specimens %

熱模擬試驗后的試樣經粗磨、精磨、拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕，在掃描電鏡下對M-A組元進行分析。利用Photoshop和Image-Pro統(tǒng)計掃描電鏡圖片上的M-A組元，利用透射電鏡分析M-A組元內部組織。

2 實驗結果

2.1 不同鋁含量下的M-A組元分析

鋁含量為0.038%和0.070%的樣品的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的M-A組元透射電鏡圖以及對應區(qū)域的衍射圖譜如圖1所示。圖1a和圖1b分別展示了2#、3#樣品在亮場下的M-A組元，由衍射圖譜分析得知圖中箭頭標示的黑色區(qū)域為奧氏體。M-A組元由殘余奧氏體和不同取向的馬氏體板條組成。對比圖1a和圖1b可知，w（Al）=0.070%的樣品M-A組元內部殘余奧氏體較多，而w（Al）=0.038%的樣品M-A組元內部殘余奧氏體較少，大部分都已經轉變?yōu)轳R氏體。

圖1 在透射電鏡下的M-A組元內部組織轉變及衍射圖譜Fig.1 Transmission electron micrographs showing the structure of M-A constituents

圖2為鋁含量分別為0.027%、0.038%和0.070%的樣品的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)掃描電鏡圖片以及利用Image-Pro軟件統(tǒng)計的M-A組元的體積分數(shù)。由圖2可知，薄片狀或島狀的M-A組元分布在鐵素體基體中，隨著鋁含量從0.027%升高到0.038%和0.070%，M-A組元明顯減少，連續(xù)長片狀M-A組元減少，短片狀和顆粒狀M-A組元增多。M-A組元的體積分數(shù)統(tǒng)計結果顯示，試樣中鋁含量從0.027%升高到0.038%和0.070%時，M-A組元的體積分數(shù)從5.67%減少至3.96%和3.27%。不同尺寸的M-A組元所占比例的統(tǒng)計結果顯示，試樣中鋁含量從0.027%升高到0.038%和0.070%時，不同尺寸M-A組元所占比例都有不同程度的減少，并且尺寸大于3 μm的M-A組元所占比例降低的幅度較大。

圖2 鋁含量分別為0.027%、0.038%和0.070%的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)掃描電鏡圖片以及利用Image-Pro軟件統(tǒng)計的M-A組元的體積分數(shù)

2.2 不同鋁含量下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)力學性能

熱模擬試樣的低溫沖擊韌性值如表2所示，結果表明隨著鋁含量從0.027%增加到0.038%和0.070%時，沖擊吸收功平均值從78 J增加到233 J和299J，可見沖擊值提高效果十分明顯。對于鋁含量為0.070%的樣品，因為試驗機的最大量程為300 J，其沖擊值有可能還高于300 J，并且誤差很小，沖擊值比較穩(wěn)定。

表2 低溫（-20°C）沖擊試驗結果Tab.2 Results of Charpy impact toughness of CGHAZ at-20℃

3 討論

在較小冷卻速度條件下，碳從奧氏體晶內向晶界處擴散形成的富碳區(qū)，在溫度降低至馬氏體開始轉變點以下時，形成M-A組元[9]。鋁是促進鐵素體形成的元素[8]，并且能抑制滲碳體的析出[10]，使更多碳原子在高溫條件下聚集到富碳區(qū)。

鋁含量從0.027%增加到0.038%和0.070%時，提高了鐵素體開始轉變點[8]，在鐵素體轉變過程中加快了碳原子從奧氏體晶內向晶界處富集的速率。鋁原子難溶于滲碳體中，使鐵素體轉變過程中的碳原子更多的以固溶的形式分配到殘余奧氏體當中[10]。因此，更多的碳原子聚集到奧氏體晶界處富碳區(qū)使其碳原子濃度更高，使富碳區(qū)域在組織中所占比例減小。增加殘余奧氏體中的碳含量，提高了奧氏體向馬氏體轉變的勢能壘，提高其在室溫下的熱穩(wěn)定性[11]，因此增加鋁元素可以促進更多的殘余奧氏體保留至室溫。由于富碳區(qū)域在組織中所占比例減小，冷卻至室溫時，整體的M-A組元體積分數(shù)減少，M-A組元的尺寸減小。試樣中組織為粒狀貝氏體，因此MA組元的含量成為影響粗晶區(qū)韌性的重要因素，M-A組元體積分數(shù)減少，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)韌性明顯提升。

4 結論

本研究對低合金高強度鋼中添加鋁元素在大線能量焊接條件下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)M-A組元的體積分數(shù)、內部組織進行了統(tǒng)計和分析，并且總結出M-A組元的含量是影響試驗中焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)韌性的關鍵因素。在100 kJ/cm線能量下，鋁含量從0.027%增加到0.038%和0.070%時，M-A組元內部殘余奧氏體含量升高，且M-A組元的含量減少，韌性明顯提升。在大線能量焊接條件下，添加適當?shù)匿X元素可以有效減少粗晶區(qū)M-A組元的含量，明顯提高焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的沖擊韌性。

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