晶粒尺寸對高強鋼熔敷金屬屈強比的影響

王愛華

（承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000）

晶粒尺寸對高強鋼熔敷金屬屈強比的影響

王愛華

（承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000）

對不同層間溫度下690MPa級HSLA鋼熔敷金屬進行室溫拉伸試驗，探討晶粒尺寸對熔敷金屬屈強比的影響規(guī)律。應(yīng)用電子背散射衍射技術(shù)統(tǒng)計熔敷金屬的有效晶粒尺寸。結(jié)果表明：層間溫度的降低使熔敷金屬的屈強比升高，層間溫度從200℃降低到80℃，屈強比由0.781增加到0.82。進一步研究表明：隨著層溫的降低，組織細(xì)化是屈強比升高的主要原因。

熔敷金屬；屈強比；晶粒尺寸

0 前言

人們在追求金屬材料高強度、高韌性的同時，也將屈強比作為一項重要指標(biāo)。目前對于屈強比影響因素的研究主要集中在母材屈強比，對焊縫金屬屈強比的研究較少。本研究對不同層間溫度下690MPa級HSLA熔敷金屬進行室溫拉伸試驗，應(yīng)用電子背散射衍射技術(shù)研究了熔敷金屬的晶粒尺寸對屈強比的影響規(guī)律。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

焊接材料為Mn-Ni-Cr-Mo系實心焊絲，直徑1.2mm。焊接試板材料采用20鋼，鋼板規(guī)格430mm×205mm× 20mm。坡口設(shè)計及拉伸試樣取樣位置如圖1所示。

圖1 坡口及拉伸取樣位置示意Fig.1 Schematic of groove and tensile samp le

1.2 試驗方法

焊接方法采用熔化極氣體保護焊，焊接設(shè)備為YM-751A日本產(chǎn)全自動焊機，保護氣體為φ（Ar）95％ +φ（CO2）5％混合氣體，氣體流量20 L/min。焊接參數(shù)如表1所示。

應(yīng)用牛津Oxford Nordlys F+型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對熔敷金屬中對應(yīng)的拉伸部位進行EBSD面掃描。首先將試樣成加工成10mm×10mm×350μm的方形試樣，然后用砂紙將試樣厚度磨到100μm，沖成φ3mm圓片試樣，將圓片試樣電解拋光以去除表面應(yīng)變層（拋光用電解液為10％高氯酸酒精溶液，拋光電壓35 V，溫度5℃）。在圓片試樣上任意選取三個不同部位進行掃描，每個部位的掃描尺寸100μm× 100μm，掃描步長0.2μm。使用HKL-Channel5軟件對測得的掃描數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計拉伸部位有效晶粒尺寸和大角度晶界數(shù)量。拉伸試驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2562-1989進行，溫度為室溫。

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 W elding parameter

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 不同層間溫度下的熔敷金屬屈強比

690MPa級HSLA鋼熔敷金屬在不同層間溫度下施焊時的力學(xué)性能結(jié)果如表2所示。隨著層間溫度的降低，熔敷金屬的屈服強度和抗拉強度曾逐漸增加趨勢，屈服強度從層間溫度200℃時的625MPa增加到層間溫度80℃時的685MPa，增加了60MPa；而抗拉強度也從層間溫度200℃時的800MPa增加到層間溫度80℃時的835MPa，增加了35MPa。對不同層溫下屈強比進行計算，計算結(jié)果見表2，層間溫度從200℃降低到80℃，屈強比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

表2 不同層間溫度下熔敷金屬力學(xué)性能Tab.2 M echanicalpropertiesofdepositedmetalin different tem perature

屈強比是屈服強度和抗拉強度的比值。由于屈強比代表材料均勻塑性變形的能力，因此影響材料塑性的因素即是影響材料屈強比的因素，而金屬本身的組織、晶粒尺寸對金屬的塑性影響較大，因此本研究將從晶粒尺寸方面討論層間溫度對屈強比的影響。

2.2 熔敷金屬的晶粒尺寸對屈強比的影響

由于晶粒尺寸對屈服強度和抗拉強度影響明顯，因此利用電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）對不同層溫下熔敷金屬進行了掃描，圖2是不同層間溫度下熔敷金屬晶界取向大于15°的晶界圖，通常晶界取向大于15°的晶界稱之為大角度晶界，利用EBSD自帶的分析軟件對不同層溫下熔敷金屬中由大角度晶界圍成的晶粒尺寸（有效晶粒尺寸）進行統(tǒng)計計算，統(tǒng)計結(jié)果見表3。由圖2和表3可知，隨著層溫的降低，有效晶粒尺寸逐漸減小，由層溫200℃時的3.63μm減小到層溫80℃時的3.02μm。分析認(rèn)為，晶粒尺寸的不斷減小與冷卻速度有關(guān)，因為層溫越高冷卻速度越慢，反之層溫越低冷卻速度越快，當(dāng)層溫由200℃降低到80℃時，冷卻速度也逐漸增大，由于不同層溫下熔敷金屬的組織均是由貝氏體組成，因此隨冷速的增加，貝氏體鐵素體晶核的形核數(shù)量增多，已形核的貝氏體鐵素體在隨后的長大過程中，由于冷速的增加將導(dǎo)致貝氏體鐵素體來不及長大，晶粒得以細(xì)化。而晶粒尺寸對屈服強度及抗拉強度的作用增量可由式（1）[1-2]和式（2）[3]來表示

式中YSG為屈服強度；ky為表征晶界對屈服強度影響程度的常數(shù)，通常取17.4MPa·mm1/2；d為多晶體中有效晶粒的平均直徑；TSG為抗拉強度；kT為表征晶界對抗拉強度影響程度的常數(shù)，通常取13.4MPa·mm1/2。

表3 不同層溫下晶界角度大于等于15°的晶粒尺寸Tab.3 Size of grain of grain boundary angle≥15°in different interpass tem perature

將表3中的有效晶粒尺寸的數(shù)值分別代入式（1）和式（2），計算結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著晶粒尺寸的減小，屈服強度增量和抗拉強度增量都呈上升趨勢，為了能直觀地觀察晶粒尺寸對屈強比的影響，對屈服強度增量和抗拉強度增量進行了強度增量屈強比的計算，計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨晶粒尺寸的減小，屈強比呈上升趨勢，分析認(rèn)為晶粒尺寸減小使屈強比升高，主要與能阻礙位錯運動的晶界的數(shù)量有關(guān)，有效晶粒越細(xì)小，阻礙位錯運動的大角度晶界數(shù)量增多，在拉伸過程中，位錯受拉應(yīng)力作用，金屬中位錯受力滑移，而大角度晶界對位錯的滑移運動有強烈的阻礙作用，位錯受大角度晶界的限制，滑移的距離縮短，均勻塑性變形能力減弱，屈強比升高。對圖2中大角度晶界的數(shù)量進行統(tǒng)計，如表5所示，隨著層溫由200℃降低到80℃，大角度晶界的數(shù)量由63.7％增加到69.4％，統(tǒng)計結(jié)果與上述分析吻合。因此，晶粒細(xì)化使大角度晶界的增多也是導(dǎo)致不同層溫下熔敷金屬屈強比升高的因素。

圖2 不同層溫下晶界角度大于等于15°的晶界Fig.2 M ap of grain boundary angle≥15°in different interpass temperature

表4 晶粒尺寸對屈服強度增量和抗拉強度增量計算結(jié)果Fig.4 Result of increment of yield strength and tensile strength on grain size

圖3 晶粒尺寸對不同層溫熔敷金屬屈強比的影響Fig.3 Effect of grain size of deposited metal on yield strength ration

表5 不同層間溫度下大角度晶界的百分含量Fig.5 Contentof largegrainboundary in differentinterpass tem perature

3 結(jié)論

（1）層間溫度從200℃降低到80℃，屈強比呈緩慢增加趨勢，由0.781增加到0.82。

（2）晶粒細(xì)化導(dǎo)致大角度晶界的增多是屈強比升高的原因。

[1]Smith DW，HehemannRF.Influenceofstructural parameters on theyieldstrengthoftemperedmartensiteand lowerbainite[J]. Journal of the Iron and Steel Institute，1971，209（part5）：476-481.

[2]俞德剛，談育煦.鋼的組織強度學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[3]雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

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經(jīng)過對比分析以上數(shù)據(jù)，驗證了預(yù)定工藝參數(shù)的可行性，為管接頭焊接模擬的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

5 結(jié)論

針對26mm厚的壓力容器筒體與接管處進行焊接工藝分析、焊接接頭殘余應(yīng)力的分布與變形分析，得出以下結(jié)論：

（1）對于壓力容器局部結(jié)構(gòu)焊接模擬的熱源參數(shù)制定、建模過程可進行“宏”處理，這將提高分析過程的整體效率。

（2）采用的焊條電弧焊接工藝能夠滿足筒體與接管處焊接接頭的使用性能要求，焊接工藝合理。

（3）通過模擬分析可知，筒體與接管處焊接接頭應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)域，其中最大應(yīng)力存在于焊縫底端，其值為197.90MPa，證明壓力容器的不連續(xù)區(qū)通常為壓力容器的高應(yīng)力區(qū)。受應(yīng)力的影響，筒體與接管焊接部位最大變形量為0.013387mm，這能夠滿足實際施焊后的公差范圍。進一步地證實了焊接工藝參數(shù)的合理性，同時為減小焊接變形提高焊接質(zhì)量提供參考，以減少實際施焊過程中的材料和資源的浪費。

參考文獻：

[1]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用（第二版）.北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]鋼制壓力容器焊接規(guī)程JB-T4709-2007.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]壓力容器設(shè)計規(guī)范GB150.3-2011.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]張美麗.厚壁壓力容器焊接殘余應(yīng)力及變形的數(shù)值研究[D]西安：西安理工大學(xué)，2010.

[5]Briekstad B，Josefson B L.A Parametric study of residual stresses in multi-pass but-welded stainless steel pipes[J]. International Journalof Pressure Vessels and Piping，1998（75）：11-25.

[6]師訪.ANSYS二次開發(fā)及應(yīng)用實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[7]FengLiu，XiankuanQi，MingqingSun.Automation Structural AnalysisBasedontheVBand ANSYS[R].BulletinofMaterials Science，2013.

[8]于興哲，趙海燕，魯立，等.管子對接多道焊接計算機效率與精度分析[J].焊接學(xué)報，2010（7）：39-42,

[9]遲露鑫，麻永林，邢淑清，等.壓力容器用鋼板焊接溫度場模擬與驗證[J].焊接學(xué)報，2012，33（5）：61-64.

[10]張圓磊，屈洪，馬健.承壓設(shè)備焊接工藝評定中的一些問題[J].壓力容器，2013，30（3）：71-75.

Effects of grain size on yield strength ratio of deposited metal of high strengthen steel

WANG Aihua
（Chengde Petroleum College，Chengde067000，China）

690 MPa level HSLA steel at different interpass temperature is tested by tensile testmachine at room temperature,the influence of the grain size on the yield ratio of deposited metal is discussed.Effective grain size of deposited metal is analysed by EBSD.The results indicate thatwith decrease of interpass temperature the yield strength ration rises，interpass temperature decreases from 200℃to 80℃，corresponding yield strength ration increases from 0.781 to 0.82.With interpass temperature decrease，grain refinement is the important reason to rise of yiled strength ration.

deposited metal；yield strength ratio；grain size

TG405

A

1001-2303（2015）07-0097-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.21

2015-01-19

國家973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2010CB630800）

王愛華（1979—），女，遼寧撫順人，講師，博士，主要從事焊接材料與工藝的教研工作。