杨秀芝１,２,张李超２,李 轩３,华文林１,杨春杰１,董春法１,肖新华１
(１．湖北理工学院机电学院,黄石 ４３５００３;２．华中科技大学材料科学与工程学院,
材料成形及模具技术国家重点实验室,武汉 ４３００７４;３．武汉纺织大学机械学院,武汉 ４３００７３)
摘 要:采用 GleebleＧ３５００型热模拟试验机在t８/５(８００ ℃到５００ ℃冷却时间)分别为６,１０,３０,６０,１００s下制备了９Ni钢接头粗晶热影响区(CGHAZ)试样,并对试样进行了低温冲击试验,研究了t８/５对CGHAZ显微组织和低温韧性的影响.结果表明:CGHAZ的显微组织主要由板条马氏体组成,当t８/５为３０s时,显微组织中出现粒状贝氏体,且其数量随t８/５的延长而增多;随着t８/５的延长,CGHAZ中马氏体板条束尺寸先略有增大后减小,韧脆转变温度先升高后降低;不同t８/５ 下CGHAZ在－１００,－１２５ ℃的冲击功都高于２００J,随着冲击温度的下降,冲击断口均由韧窝形貌
向准解理形貌转变.
关键词:９Ni钢;低温韧性;焊接;热循环;粗晶热影响区
中图分类号:TG１４２．３３ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０８Ｇ００７８Ｇ０５
０ 引 言
９Ni钢因在－１６２ ℃下仍然具有较高的强度和良好的韧性而被用于制造液化天然气储罐[１].热机械控制工艺(TMCP)是现代化钢板生产的重要工艺,该工艺将控制轧制和控制冷却相结合以提高和控制板材的性能;两相区二次淬火(QLT),即淬火＋两相区淬火＋回火,是改善钢材性能的一种热处理工艺.采用这两种工艺可使９Ni钢具有良好的韧性.此外,９Ni钢中原奥氏体晶粒内部形成的板条马氏体 可 以 分 割 成 若 干 板 条 束 (Packet)结 构,Packet结构可进一步细分成板条(Block,由相似取向的板条组成)结构;这两种结构被认为是马氏体钢强度和韧性的有效控制单元[２Ｇ１０].
９Ni钢的焊接性能较差,其焊接接头热影响区存在局部低温脆化区,在使用过程中易发生开裂,导致断裂等严重事故.为保证９Ni钢储罐的安全性,从２０世纪７０年代以来,国内外学者对９Ni钢焊接接头的组 织 与 性 能 进 行 了 大 量 研 究.研 究 发 现:９Ni钢焊接接头粗晶热影响区的显微组织主要包括马氏体和贝氏体,其中贝氏体是上贝氏体和粒状贝氏体的混合组织;９Ni钢的碳当量越高,其焊接接头粗晶热影响区的软化程度越高[１Ｇ８,１１Ｇ１２].目前,对 ９Ni 钢 焊 接 接 头 粗 晶 热 影 响 区(CGHAZ)低 温 韧 性 变 差 的 原 因 已 进 行 了 一 些 研究,但还不够细致;对于焊接热循环对 CGHAZ 性能的影响,以及与韧脆转变温度和显微组织之间关系的 研 究 还 不 够 深 入.为 此,作 者 使 用 GleebleＧ３５００型热模拟试验机模拟制备了９Ni钢焊接接头CGHAZ试样,研究了８００℃至５００℃冷却时间t８/５对 CGHAZ显微组织和低温韧性的影响,为９Ni钢焊接接头的质量控制提供参考.
１ 试样制备与试验方法
试验材料为舞阳钢铁有限公司提供的９Ni钢板,采用超纯净技术冶炼,TMCP工艺轧制,QLT工艺热处理.该钢板厚２０mm,化学成分如表１所示;显微组织为板条马氏体和少量粒状贝氏体,如图１所示.
在试验钢板上垂直于轧制方向加工出尺寸为１０．５mm×１０．５mm×８０mm 的试样,采用 GleebleＧ３５００型热模拟试验机模拟得到不同焊接热循环下的粗晶热影响区(CGHAZ)试样,焊接热循环曲线如图２所 示,５ 种 焊 接 热 循 环 下 的 加 热 速 率 均 为５００ ℃??s－１,峰 值 温 度 为 １３００ ℃,t８/５ 分 别 为 ６,１０,３０,６０,１００s.用体积分数为４％的硝酸酒精溶液腐蚀试样,在SＧ３０００N 型超景深光学显微镜下观察显微组织;采用ImageＧProPlus图像处理软件统计分析原奥氏体晶粒和Packet结构的尺寸.使用JSMＧ６０１０型扫描电镜附带的 Libra２００型电子背向散射衍射仪(EBSD)测量 Block结构的宽度.将热模拟得到的 CGHAZ 试样加工成尺寸为１０．５mm×１０．５mm×５５mm 的夏比冲击试样,开V 型缺口,V 型缺口尖端与热电偶焊点位于同一横截面上,使用JBＧ３００W 型微机控制半自动冲击试验
机分别在－１００,－１２５,－１５０,－１７０,－１９６ ℃进行夏比冲击试验,测３个试样取平均值.
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
图３中 PAGB为原奥氏体晶界,GB 为粒状贝氏体.由图３可知:当t８/５分别为６,１０s时,模拟得到 CGHAZ的显微组织主要为板条马氏体,且t８/５为１０s时的马氏体尺寸较大;当t８/５为３０s时,显微组织中出现了粒状贝氏体,其数量随t８/５ 的延长而增多,板条马氏体的尺寸减小,当t８/５为１００s时,粒状贝氏体的数量最多.粒状贝氏体的出现使得后续马氏体转变时的空间减小,从而细化了马氏体组织.
在图４和图５中,带三角形标记的线代表取向差 不小于１５°的大角度晶界,带圆圈标记的线代表取向差小于１５°的小角度晶界.对于９Ni钢焊接热影响区中的板条马氏体及其内部结构而言,图４和图５中取向差不小于１５°的晶界可以完全勾勒出所有形态学上的大角度晶界.由不同颜色表示的不同取向结构界面之间呈大角度取向,如原奥氏体晶界.在同一奥氏体晶粒内部,Packet的界面由带标记的线表示,而 Packet内部的黑线为 Block界面.由图４和图５可以看出:CGHAZ中主要存在两种界面,一种是取向差小于１０°的小角度晶界,另一种是取向差集中在６０°左右的大角度晶界,与他人的研究结果[１１]一致;当t８/５从６s延长到１００s时,小角度晶界的数量没有发生明显变化,大角度晶界的数量增多,这表明有效晶粒发生了细化.
由表２可知,当t８/５从６s延长到１００s时,模拟得到CGHAZ中原奥氏体晶粒的尺寸增大,而Packet尺寸先略 有 增 大 后 减 小,Block 宽 度 变 化 不 明 显.结合图３分析可知,虽然随着t８/５的延长,原奥氏体晶粒尺寸增大,但是粒状贝氏体的出现及数量的增多减小了马氏体形成的空间,导致Packet尺寸减小.
２．２ 冲击性能
由图６ 可知:不同t８/５ 下模拟得到的 CGHAZ试样在－１００,－１２５ ℃下的冲击功均高于２００J,在这两个温度下的冲击韧性较佳;在相同t８/５ 下模拟得到的 CGHAZ 试样的冲击功随冲击温度的降低而减小,当冲击温度从－１００ ℃ 降低到－１９６ ℃时,在t８/５为１０s下模拟得到的 CGHAZ试样冲击功的下降幅度最大,约下降了８９．２％,而当t８/５为１００s时的下降幅度最小,仅下降了７１．２％.
韧窝,且在t８/５为１００s下的韧窝尺寸较大,试样的韧性较差;当冲击温度分别为－１７０,－１９６ ℃时,在t８/５为６s下模拟得到的 CGHAZ 试样的冲击断口分别呈准解理、解理断裂特征,而t８/５ 为１００s下的呈韧窝、准解理断裂特征.可见随着冲击温度的降低,t８/５为１００s时 CGHAZ的冲击韧性下降的幅度小于t８/５为６s时的,与由冲击功得到的结论相符.在t８/５分别为 ６,１０,３０,６０,１００s下模拟得到CGHAZ的韧脆转变温度分别为１１０,１１８,１０４,８６,７８K.当冷却时间较长时,CGHAZ的韧脆转变温度较低,在较低温度(－１７０,－１９６℃)下的韧性增强.对韧脆转变温度和 Packet尺寸进行线性拟合,拟合结果如图８所示,图中dp 为 Packet尺寸.由图８可以看出,CGHAZ的韧脆转变温度与d－１/２p 之间存在很好的线性关系,随着 Packet尺寸的减小,韧脆转变温度降低.由此可见,Packet结构是控制
９Ni钢焊接接头粗晶热影响区低温韧性的有效组织单元.
３ 结 论
(１)模拟得到的９Ni钢焊接接头 CGHAZ的显微组织主要由板条马氏体组成,当t８/５为３０s时,显微组织中出现了粒状贝氏体,其数量随t８/５ 的延长而增多,马氏体尺寸减小;随着t８/５的延长,CGHAZ中大角度晶界的数量增多,Packet尺寸先略有增大后减小.
(２)随着t８/５的增大,CGHAZ的韧脆转变温度先升高后降低,冲击功随温度降低而下降的趋势变缓;不同t８/５下 CGHAZ试样在－１００ ℃和－１２５ ℃的冲击功都高于２００J,低温韧性较佳;随着冲击温度的下降,CGHAZ试样的冲击断口均由韧窝形貌向准解理形貌转变.
（文章来源：材料与测试网-机械工程材料>2018年>8期> pp.78）