不同t8/5條件下NM400耐磨鋼焊接熱影響區的組織及性能

斯松華，徐震霖，方俊飛

（安徽工業大學材料科學與工程學院，馬鞍山 243000）

0 引 言

調質耐磨鋼具有高硬度的高位錯板條狀馬氏體組織,能夠較好地抵抗磨損時裂紋的擴展,在中等沖擊磨損條件下,具有優越的使用性能,在礦山、水泥、冶金等行業得到廣泛應用[1-3]。NM400調質耐磨鋼中合金元素含量高,導致焊接接頭熱影響區的性能難以控制,熱影響區的粗晶區(CGHAZ)易過熱,造成顯微組織明顯長大,易產生局部脆化現象[4-5]。研究表明,某些高強鋼熱影響區經過二次熱循環后,臨界粗晶區(IC CGHAZ)的沖擊性能進一步下降,成為焊接接頭的最薄弱區域[6-7],這一現象在NM400鋼中也被發現,但相關的研究還不夠深入。因此,探討不同熱循環對CGHAZ和IC CGHAZ組織及性能的影響,對制定合理的焊接工藝具有重要作用。

目前,己有不少關于NM360馬氏體耐磨鋼焊接方面研究報道[5,8],然而對于NM400鋼焊接的研究罕有報道。因此,作者采用焊接熱模擬的方法,研究了不同熱循環時NM400鋼CGHAZ和IC CGHAZ組織及性能的變化規律。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料采用南京鋼鐵公司生產的NM400調質耐磨鋼板,組織為板條狀回火馬氏體。熱分析測得NM400鋼的Ac1和Ac3分別為720℃和 840℃,其化學成分見表1,常規力學性能見表2。

利用Gleeble 3500型熱模擬試驗機進行模擬焊接熱循環試驗,模擬試樣從NM400鋼板上垂直于軋制方向截取,尺寸為70 mm×11 mm×11 mm。按圖1所示模擬焊接熱循環曲線進行單次(4種熱輸入條件下)和二次(2種熱輸入條件下)熱循環試驗,所采用的單次和二次熱循環曲線能較準確地模擬得到實際焊接中CGHAZ和IC CGHAZ。單次熱循環時從800℃冷卻到500℃所需時間t8/5分別為5,10,15,20 s;二次熱循環時t8/5分別為10 s+10 s和15 s+15 s的組合。一次熱循環峰值溫度為1 320℃,高溫停留1 s;二次熱循環熱循環峰值溫度為800℃,層間溫度為200℃,所有熱循環的加熱速率均為100℃·s-1。

表1 NM400鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of NM400 steel（mass） %

表2 NM400鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of NM400 steel

圖1 不同的模擬焊接熱循環曲線Fig.1 Curves of simulating welding thermal cycle：(a) single-pass welding thermal cycle(b) twice-pass welding thermal cycle

金相試樣經磨制、拋光后,用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕,利用ZEISS型光學顯微鏡和JSM-6490LV型掃描電鏡對試樣進行顯微組織觀察。采用HV-1000型顯微硬度計測試樣硬度,載荷9.8 N,加載時間10 s,每個試樣測5次取平均值。沖擊試樣為標準V形缺口試樣,尺寸為55 mm×10 mm×10 mm,根據 GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,在Zwick/Roell-Bkp450型沖擊試驗機上進行沖擊試驗,沖擊試驗溫度為-20℃,結果取3個試樣平均值。沖擊試驗后,利用JSM-6490LV型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2,3可知,單次熱循環t8/5為5 s時,在冷卻過程中馬氏體發生自回火,得到回火馬氏體組織,掃描電鏡下可以看到,馬氏體板條上有彌散分布的碳化物顆粒;t8/5為10 s時,板條馬氏體上的碳化物顆粒發生粗化,且出現少量下貝氏體;t8/5增加到15 s后,出現大量板條狀上貝氏體,碳化物分布在上貝氏體的鐵素體片條之間。經過二次熱循環后,IC CGHAZ發生不完全重結晶,出現大量粒狀貝氏體,原馬氏體也轉變成粗大的板條狀上貝氏體。當t8/5為10 s+10 s時,重結晶主要發生在奧氏體晶界處,這是由于晶界處位錯密度大,重結晶更易形核;當t8/5為15 s+15 s時,高溫停留時間延長,重結晶驅動力增大,原奧氏體晶粒內也發生不完全重結晶現象。

2.2 力學性能

由表3可以看出,隨著t8/5的增加,CGHAZ和IC CGHAZ的硬度均呈下降趨勢。t8/5為5 s時,CGHAZ硬度最高(415 HV);t8/5為20 s時,CGHAZ硬度最低(337 HV);t8/5為10 s+10 s時,IC CGHAZ硬度較高(290 HV)。隨著t8/5的增加,CGHAZ 沖擊韌性先增加后減小,當t8/5為10 s時,沖擊吸收功達到最大(64 J),當t8/5為20 s時,沖擊吸收功最小(21 J);而經過二次熱循環后,IC CGHZ沖擊韌性總體上低于CGHAZ 的;t8/5為10 s+10 s時,IC CGHAZ 沖擊吸收功略高于t8/5為15 s+15 s的。

圖2 不同熱循環條件下模擬NM4 00鋼焊接接頭CGHAZ及IC CGHAZ的OM形貌Fig.2 OM morphology of CGHAZ and IC CGHAZ in joints of NM400 steel welded under different thermal cycle conditions

圖3 不同熱循環條件下模擬NM400鋼焊接接頭CGHAZ及IC CGHAZ的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of CGHAZ and IC CGHAZ in joints of NM400 steel welded under different thermal cycle conditions

根據低合金高強度調質鋼板HAZ硬度經驗公式[9],見式(1)～(3),可計算得到NM400鋼組織為全馬氏體時的硬度HM及組織為全貝氏體時的硬度HB分別為 417 HV 和 238 HV。

表3 不同熱循環條件下模擬焊接NM400鋼接頭粗晶區及臨界粗晶區的力學性能Tab.3 Mechanical properties of CGHAZ and IC CGHAZ in joints of NM400 steel welded under different thermal cycle conditions

HM=804wC+305 (1)

HB=350wEB+101 (2)

wEB=wC+wMn/8++wSi/11+wNi/17+wCr/5+wCu/9+wMo/6+wV/3 (3)

式中:w為各元素在鋼中的質量分數。

單次熱循環t8/5為5 s時,CGHAZ的組織幾乎全部為板條狀回火馬氏體,板條馬氏體中有高密度的位錯,故硬度最高,且與HM值吻合。t8/5為10 s時,冷卻速率減慢,馬氏體板條析出的顆粒狀碳化物更加粗大,且出現少量下貝氏體,故硬度有所降低。隨著t8/5增加,高溫停留時間延長,原母材中的合金元素及彌散分布的碳化物被大量溶解,出現大量板條狀上貝氏體,導致CGHAZ硬度下降。經過二次熱循環IC CGHAZ的硬度低于一次熱循環CGHAZ的,這是由于在IC CGHAZ奧氏體晶界處發生了不完全重結晶,形成大量粒狀貝氏體,晶界位錯能下降,且上貝氏體嚴重粗化;隨著t8/5增加,奧氏體晶粒內也發生重結晶,硬度進一步下降。

當t8/5為5 s時,由于焊接冷卻速率較快,GCHAZ又形成的馬氏體有較高的硬度且組織單一,不能有效阻止裂紋的擴展,此時沖擊韌性較差。當t8/5為10 s時,CGHAZ沖擊韌性最好,這是由于形成了板條馬氏體和少量下貝氏體的混合組織。另外馬氏體冷卻過程中自回火較為充分,這種混合組織中有更多的大角度晶界,馬氏體板條束被下貝氏體分割,裂紋擴展時在馬氏體板條束界或馬氏體和下貝氏體邊界處受阻而轉向,因而能有效阻止裂紋的擴展[10]。隨著t8/5的增加,相變溫度以上高溫停留時間延長,奧氏體晶界更加平直,晶粒趨于正多邊形,見圖2(c),多邊形相鄰邊之間的內夾角也不斷增大[11],且出現板條狀上貝氏體,馬氏體板條束的寬度也不斷增加。由于上貝氏體韌性較差,導致CGHAZ沖擊韌性下降。而經歷800℃二次熱循環的IC CGHAZ,由于二次熱循環峰值溫度處于Ac1和Ac3之間,發生不完全重結晶生成大量粒狀貝氏體,且原有板條馬氏體轉化為粗大板條狀上貝氏體。重結晶的發生使晶粒位錯密度大幅度降低,且粒狀貝氏體脆性較大,對裂紋擴展的阻擋能力下降,導致IC CGHAZ沖擊韌性下降。

由圖4可見,t8/5為10 s時,CGHAZ斷口為準解理和微孔聚集混合型斷裂,呈現河流花樣、解理臺階及小而密的韌窩;其他熱循環條件下(因形貌相似僅保留二次熱循環的),沖擊斷口均為準解理型,解理臺階較為平滑,河流花樣較長,與試驗結果一致。

圖4 不同熱循環條件下模擬焊接NM400鋼接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig4 SEM morphologies of impact fracture in joints of NM400 steel welded under different thermal cycle conditions

3 結 論

(1)單次和二次熱循環時,隨著t8/5的增加,試驗鋼焊接熱影響區粗晶區和臨界粗晶區的硬度均不斷下降。

(2)單次熱循環隨著t8/5的增大,粗晶區-20℃沖擊吸收功先增加后減小;t8/5為10 s時,沖擊吸收功最高(64 J),沖擊斷口為準解理和微孔聚集混合型斷口,這是由于形成了回火馬氏體和少量下貝氏體的混合組織,且馬氏體發生了自回火。

(3)經歷二次熱循環的臨界粗晶區沖擊韌性下降,沖擊斷口為準解理型,這是由于不完全重結晶形成了大量粒狀貝氏體和粗大上貝氏體組織。

(4)此鋼種進行焊接時,t8/5應控制在10 s左右。

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