焊后多次正火對超細晶粒鋼熱影響區組織與硬度的影響

摘 要：為研究400MPa級超細晶粒鋼焊接接頭熱影響區粗晶區的晶粒細化行為，對其空冷與水冷接頭均進行了3次焊后正火熱處理，組織觀察表明：第1次正火后粗晶區晶粒明顯細化，但細晶區和母材區的晶粒均比正火前的稍微粗大，第2次與第3次正火并不能進一步細化晶粒；冷卻條件對熱影響區組織的影響并不十分顯著，顯微硬度測試表明：第1次正火使接頭硬度大幅度降低，甚至低于母材的原始硬度，后續正火對硬度的影響較小；在所有試樣中，僅水冷接頭第1次正火后的熱影響區硬度與原始母材及母材區的硬度接近，由于焊后多次正火并不能使熱影響區晶粒進一步細化，反而使其有粗化與軟化的趨勢，故應避免焊后多次正火處理。

關鍵詞：焊接；超細晶粒鋼；正火；組織；硬度

中圖分類號：TG441 文獻標志碼：A 文章編號：0253-987X(2008)01-0065-05

鋼鐵材料的強化主要經歷了添加合金元素、熱處理、微合金化、控軋控冷等技術階段，自1997年以來，晶粒超細化成為21世紀初中、日、韓三國選定的主流鋼鐵材料強化技術，晶粒超細化強化技術具有能同時實現強韌化、節約合金元素資源、免除焊前預熱等優點，作為新一代高性能鋼鐵結構材料代表的超細晶粒鋼，是在比傳統控軋控冷鋼更低的軋制溫度、更大的軋制變形量下，通過形變誘導鐵素體相變機理”而獲得超細小鐵素體晶粒的(粒徑約5μm左右)，同時滲碳體也被細化而趨向于呈極為細小的球狀，雖然超細晶粒鋼由于上述組織特征而能同時實現強韌化，然而由于其晶粒本身細小，故長大驅動力(與粒徑成反比)隨之變大，熱穩定性變差，所以在焊接性方面存在的最大障礙是熱影響區(HAZ)晶粒的顯著粗化及由此導致的軟化，目前，我國超細晶粒鋼的開發在“973計劃”的支持下已實現了產業化。近年來已逐步在汽車、建筑、造船等行業開始大范圍應用，目前，國內外基于減小熱輸入與熱影響區寬度的思路，主要采用激光焊，此外還有熱輸入低的脈沖弧焊、固相焊等工藝。

目前，關于焊后2次以上正火熱處理對焊接接頭組織影響的研究甚少，本文主要研究焊后多次正火處理對超細晶粒鋼熱影響區組織和硬度的影響，旨在為制定焊接工藝提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗用鋼為鞍鋼產8mm厚的ANS400(400MPa)超細晶粒鋼板，抗拉強度為535MPa，屈服強度為440 MPa，化學成分如表1所示。

采用不填絲鎢級氬弧焊(電流120A，焊速10cm/min，氣流量8L/min)，在2塊面積為115mm×60mm的試板上各熔一道，以此獲得不同冷卻條件下(A板空冷、B板水冷)的熱影響區，焊后從A、B試板上各切取3塊試樣(尺寸為60mm×15mm×8mm)，得2組試樣，對每組試樣分別進行3次正火處理，正火升溫速率為10℃/min，保溫溫度為900℃，保溫時間為10min，空冷，對正火后的A1、A2、A3和B1、B2、B3試樣分別進行顯微組織觀察和硬度檢測，以評價焊后多次正火對熱影響區組織與軟化行為的影響，特別是對晶粒細化效果的影響。

此外，為系統研究正火工藝細化母材及熱影響區晶粒的潛力，也觀察了單次正火對未經歷焊接熱循環的母材原始晶粒尺寸的影響(為加快冷速，選用了小型試樣，尺寸為14mm×12mm×8mm)。

2 試驗結果及分析

2．1 正火對超細晶粒鋼母材原始組織的影響

圖1a為超細晶粒鋼母材的原始組織，由金相組織測試可知，原始母材平均粒徑約為7μm，圖1b為超細晶粒鋼母材正火后的組織，平均粒徑約為15～20/μm可見，普通正火工藝并不能使超細晶粒鋼母材的晶粒細化，反而使晶粒長大了1倍多。

通過比較母材制備與正火2種工況下的r→a相變條件，可知正火后晶粒粗化的原因有二，其一，冷速不同：普通正火條件下相變過程中的空冷(自然冷卻)慢于制備工況下的水冷(加速冷卻)，其二，相變前原奧氏體母相內的缺陷密度不同：在制備工況下，經較低溫度下的大變形量軋制(強加工)，使相變前原奧氏體母相內的缺陷密度遠大于無任何變形的普通正火工況，而在正火情況下，相變前原奧氏體母相內較低的缺陷密度與相變中較慢的冷速是正火后鐵素體晶粒粗化的主要原因，此外，滲碳體也有隨冷速變慢而粗化的趨勢，可見，與傳統熱軋鋼不同，在超細晶粒鋼構件中遠離焊縫而未受到焊接熱循環影響的母材區域，工件經整體正火處理后，母材晶粒有粗化趨勢，此為超細晶粒鋼焊接工件不宜進行整體正火熱處理的原因之一。

2．2 多次正火對熱影響區組織的影響

多次正火對空冷接頭及水冷接頭熱影響區粗晶區(Coarse Grained Heat Affected Zone，CGHAZ)組織的影響分別如圖2、圖3所示，正火后的組織主要為鐵素體和珠光體，但在晶粒尺寸和組織組成物量上存在差別，僅第1次正火可將CGHAZ的晶粒細化至約15μm，其后的第2次與第3次正火均難以進一步細化CGHAZ的晶粒，反而使晶粒出現不規則性長大，僅從細化CGHAZ晶粒的角度看，焊后進行1次正火還是有積極意義的，此外，冷卻條件對CGHAZ及其正火組織的影響并不十分顯著。

多次正火對空冷接頭及水冷接頭熱影響區細晶區(Fine Grained Heat Affected Zone，FGHAZ)組織的影響分別如圖4、圖5所示，首先，與傳統熱軋鋼相同，超細晶粒鋼接頭在焊態也存在FGHAZ(盡管細化效果有限)，并非所有熱影響區的晶粒全都長大，這應歸因于焊接熱源所具有的局部加熱特征，這樣在原奧氏體母相晶粒未充分長大且冷速較快的區域內(因局部加熱)，便可能出現FGHAZ，其次，第1次正火引起了FGHAZ鐵素體晶粒的長大以及珠光體的粗化(滲碳體經歷了溶解及再次析出、長大)，這主要是由于工件整體加熱正火導致冷卻速度比焊接局部加熱的情況慢的緣故，同樣，第2次與第3次正火均難以進一步細化已有所粗化的FGHAZ的晶粒，反而會使晶粒不規則性長大，冷卻條件對FGHAZ及其正火組織的影響也并不十分顯著。

綜上所述，冷卻條件及焊后多次正火對熱影響區組織影響的基本趨勢可概括為：冷卻條件對熱影響區組織的影響并不十分顯著，第1次正火可使CGHAZ晶粒明顯細化，與此同時，FGHAZ的晶粒出現粗化，2個區域的晶粒大小趨于均勻化，接近母材正火處理后的晶粒尺寸(平均粒徑約為15～20gm)；第2次與第3次正火均難以進一步細化熱影響區的晶粒，反而會使其不規則性長大，因此，從防止晶粒長大的角度看，應避免焊后多次正火。

2．3 焊后多次正火對熱影響區硬度的影響

利用MH-5型顯微硬度計，在焊道側面從焊縫中心沿與焊縫垂直方向向母材一側每間隔0.25mm測一硬度值，加載50g，保載時間10s，結果見圖6、圖7。

從圖6中明顯可以看出：與焊態相比，焊后3次正火使接頭的硬度大幅度降低且均低于原始母材的硬度，其原因有兩方面：首先，金相組織觀察表明，正火后熱影響區的貝氏體狀組織消失，取而代之的是鐵索體＋珠光體；其次，鐵素體粒徑比原始母材的大，主要是由于相變過程中正火條件下的空冷慢于制備條件下的加速冷卻所致。

圖7為空冷和水冷接頭每次正火后的顯微硬度測試值(即圖6左下部曲線的放大圖)。由圖可見：與原始母材相比，正火后熱影響區及母材區的硬度均低于原始母材的硬度，出現了輕微軟化現象；在2組焊接接頭的所有正火試樣中，水冷接頭經第1次正火后(B1試樣)的硬度雖然也低于原始母材硬度，但與原始母材硬度最為接近，因此，水冷的主要優勢或目的在于可預先提高熱影響區的硬度，以防止后續正火過程中出現過度軟化，此外，鑒于首次正火可細化粗晶區晶粒并降低整個熱影響區的硬度，所以在實際應用中如有需要且要求不高時。可通過焊后緊急水冷再經一次正火使熱影響區的性能達到與母材區及原始母材接近。

3 結 論

(1)與傳統的熱軋鋼不同，超細晶粒鋼工件中遠離焊縫而未受到焊接熱循環影響的母材區域在經工件整體正火處理后，母材晶粒有粗化趨勢，這正是超細晶粒鋼焊接工件不宜進行整體正火熱處理的原因之一。

(2)焊態熱影響區存在晶粒粗化與硬化，焊接過程中冷卻條件對CGHAZ組織的影響并不十分顯著，僅第1次正火具有能顯著細化CGHAZ晶粒的優點，但同時存在使FGHAZ晶粒粗化與接頭軟化的缺點，第1次正火使接頭硬度與焊態相比大幅度降低，以至于低于母材的原始硬度；后續正火對硬度的影響較小，在所有試樣中，僅水冷接頭第1次正火后的熱影響區硬度與原始母材及母材區硬度接近，水冷的主要優勢或目的在于可預先提高熱影響區的硬度，以防止后續正火過程中出現過度軟化。

(3)與傳統熱軋鋼不同，焊后多次正火并不能使超細晶粒鋼熱影響區的晶粒進一步細化，反而使其有粗化與軟化的趨勢，因此，無論是為了防止晶粒長大還是為了防止軟化，都應避免接頭焊后多次正火處理，特別是工件整體多次正火處理。

(4)推薦采用焊后于相變前立即水冷再經1次正火的工藝，因其具有既能細化CGHAZ晶粒、又能避免過度軟化的優點。

(編輯 葛趙青)