船板鋼第二相粒子在大熱輸入焊接熱循環中的變化

劉芳芳 付魁軍 王佳驥 及玉梅 蔣健博 韓嚴法

(海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009)

傳統船板在大熱輸入焊接后，焊接熱影響區(HAZ)尤其是粗晶區(CGHAZ)的奧氏體晶粒嚴重長大，造成此區域性能，特別是沖擊韌性明顯下降[1- 3]。因此，如何有效阻止HAZ奧氏體晶粒長大是船板鋼研究的一個重要內容。阻止奧氏體晶粒長大的方法有多種，其中最有效的方法是向鋼中添加微合金元素，一般為Nb、Ti等，引入第二相粒子，利用第二相粒子釘扎奧氏體晶界，從而阻止奧氏體晶粒長大[4- 9]。

本文以一種大熱輸入焊接用EH40船板鋼為研究對象，利用焊接熱模擬技術和萃取復型技術研究了該鋼HAZ區性能、奧氏體晶粒長大情況及第二相粒子的形狀、尺寸、數量等，分析了不同熱循環條件下，第二相粒子在焊接熱循環中的變化。

1 試驗材料及方法

試驗材料為鞍鋼生產的大熱輸入焊接用EH40船用鋼，其化學成分如表1所示。

將試驗用鋼加工成尺寸11 mm×11 mm×100 mm的試樣，在Gleeble- 3800熱模擬試驗機上進行焊接熱模擬試驗，采用的焊接熱模擬制度為：循環峰值溫度Tm為1 350 ℃，800 ℃冷卻至500 ℃，冷卻時間t8/5分別為50、150、200和400 s。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

萃取復型所用試樣取自熱模擬試樣均溫區的中心部位。萃取碳膜的制備步驟為：(1)將試樣表面打磨平整并拋光；(2)利用噴碳儀在試樣拋光面上噴一層約200 nm厚的碳膜；(3)將碳膜劃成2 mm×2 mm的網格并用10%的硝酸酒精溶液浸泡，直至碳膜從試樣表面剝離；(4)將剝離下來的碳膜在酒精中漂洗，用銅網撈取、晾干后進行觀察。

利用TecnaiG220型透射電鏡觀察分析第二相粒子的形貌、尺寸、數量等，采用EDS分析粒子的成分。每個試樣所統計的視域不少于20個。

采用加少量活性劑的飽和苦味酸水溶液顯示奧氏體晶界，采用截線法測量奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗結果

2.1 CGHAZ中粒子變化

利用透射電鏡對碳膜萃取復型試樣進行分析，結果表明，不同熱循環制度下的試樣中均存在大量的第二相粒子，絕大多數呈長方形，如圖1(a)～1(d)所示。在各個試樣中隨機抽取若干第二相粒子進行EDS分析，結果表明，全部為(Ti,Nb)(C,N)粒子，典型的EDS圖譜如圖1(e)所示(注：圖中的Cu元素峰值表征的是試驗中所使用的銅網中的Cu，可忽略)。

圖1 熱影響區中第二相粒子的形貌及EDS圖譜Fig.1 TEM morphologies of particles in HAZ and their EDS spectrum

不同焊接熱循環制度下第二相粒子的數量、尺寸及分布的統計結果如圖2所示。圖中d為粒子平均直徑，N表示單位面積上的粒子數量。從圖中可以看出：經歷了t8/5=50 s的焊接熱循環后，熱模擬CGHAZ中的粒子平均尺寸仍然較小，約為26.75 nm。每平方微米碳膜上的粒子數量為10.1個。從粒子的尺寸分布看，小于30 nm的粒子占絕大多數。這種小尺寸的第二相粒子能有效阻止奧氏體晶粒的粗化。之后，隨著熱循環冷卻時間的延長，粒子的平均尺寸逐漸增大，單位面積內的粒子數量減少。當冷卻時間t8/5=400 s時，CGHAZ的粒子平均尺寸已增大至44.7 nm，而單位面積上的粒子僅為3.6個。但總體上看，仍然是30～50 nm的小尺寸粒子占絕大多數。

圖2 熱影響區中第二相粒子尺寸及分布Fig.2 Size and distribution of particles in HAZ

2.2 CGHAZ的奧氏體晶粒長大

圖3為經過不同焊接熱循環后的CGHAZ的奧氏體晶粒尺寸。t8/5為50 s時，奧氏體晶粒平均尺寸為18.76 μm。t8/5增至150 s時，奧氏體晶粒的平均尺寸為35.78 μm。即使t8/5=400 s時，奧氏體晶粒的平均尺寸也僅為44 μm。可以看出，隨著t8/5時間的延長，奧氏體晶粒長大速度非常緩慢。圖3還顯示了一種成分與試驗鋼很接近的鋼(不含微合金元素，其主要成分為0.08%C- 0.25%Si- 1.30%Mn- 0.011%P- 0.002%S，以下簡稱對比鋼)的CGHAZ奧氏體晶粒尺寸。從圖3中可以看出，當t8/5為50 s時，對比鋼HAZ奧氏體晶粒尺寸約為80 μm，隨著t8/5的延長，奧氏體晶粒顯著長大。在同樣焊接熱循環條件下，對比鋼CGHAZ中的奧氏體晶粒尺寸顯著大于試驗鋼的。這說明，在焊接熱循環過程中，試驗鋼中的第二相粒子有效阻止了奧氏體晶粒的長大。

3 分析與討論

3.1 CGHAZ中的第二相粒子

在焊接熱循環的加熱過程中， 試驗鋼中的第二相粒子隨著溫度的升高而不斷溶解。一般來說，尺寸越小的第二相粒子，其形成溫度也越低，且與大尺寸第二相粒子相比，小尺寸第二相粒子的比表面積(表面積與體積之比)更大，其穩定性也差，在熱循環過程中更容易溶解并消失。相應地較大尺寸的粒子是在高溫下形成的，穩定性較高，在熱循環的加熱過程中不會完全溶解，且會通過Ostwald機制長大[5]，其成分還將隨熱循環加熱溫度的升高和高溫停留時間的延長而不斷變化。因此，經歷了焊接熱循環后試驗鋼中的第二相粒子數量減少，且粒子平均尺寸增大。

圖3 試驗鋼和對比鋼經不同焊接熱循環后的CGHAZ奧氏體晶粒尺寸Fig.3 CGHAZ austenite grain size of test steel and contrast steel after different welding heat cycles

在焊接熱循環過程中，第二相粒子的溶解與長大與焊接熱循環工藝有關。焊接冷卻時間t8/5越長，試樣在高溫停留時間就越長，粒子的溶解程度也就越大，消失的小尺寸粒子數量越多，殘留粒子的平均尺寸也越大。因此，隨著t8/5的延長，粒子數量逐漸減少，而平均尺寸逐漸增大。

圖1(e)的EDS分析結果表明，試驗鋼中第二相粒子為復雜的復合型粒子，由NbC、NbN、TiC、TiN化合物粒子組成。一般說，在同樣的加熱條件下，這些粒子的溶解程度是依次減小[5]，即TiN粒子在高溫下的穩定性最好。因此，在焊接熱循環過程中，殘留粒子的成分逐漸接近TiN，形狀也呈長方形。而各個尺寸粒子的成分也呈現出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的規律。對試驗鋼中不同尺寸的粒子成分進行了統計，結果如圖4所示，可見驗證了上述這一規律。

圖4 試驗鋼中不同尺寸粒子的成分分布Fig.4 Composition distribution of particles of different size in the tested steel

3.2 第二相粒子對HAZ奧氏體晶粒尺寸的影響

第二相粒子可對奧氏體晶界產生釘扎從而阻止奧氏體晶粒長大，粒子的釘扎力可通過式(1)計算：

(1)

式中：K為常數，f為粒子的體積分數，r為粒子的半徑(nm)。

從式(1)可以看出：粒子的數量越多，其尺寸越小，則粒子對原始奧氏體晶界的釘扎力越大。焊接熱循環過程中，因發生溶解及長大，粒子的數量減少，而平均尺寸增大，即f減小而r增大，這使得粒子對于奧氏體晶界的釘扎作用發生變化。試驗鋼的HAZ中存在大量的小尺寸第二相粒子，雖然隨著t8/5時間的延長，粒子經過了溶解及長大，但即使是經過t8/5=400 s的焊接熱循環，試驗鋼的HAZ中仍存在大量的小尺寸第二相粒子，對晶界的釘扎作用明顯，有效抑制了奧氏體晶粒的長大。而經歷了同樣焊接熱循環制度的對比鋼，由于沒有第二相粒子的釘扎作用，HAZ中奧氏體晶粒長大嚴重。

4 結論

(1)適合大熱輸入焊接的EH40船板鋼試樣經不同制度焊接熱循環后，CGHAZ中均存在大量的(Ti,Nb)(C,N)粒子，粒子呈長方形。

(2)焊接熱循環的冷卻速度較高，即t8/5=50 s時，粗晶區中的小尺寸第二相粒子較多，對奧氏體晶界的釘扎作用較大，奧氏體晶粒長大過程得到有效抑制。隨著熱循環的冷卻速度下降，即t8/5逐漸延長，第二相粒子發生溶解及長大，導致粒子數量逐漸減少且平均尺寸逐漸增大，對于奧氏體晶界的釘扎作用逐漸減小，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。但即使在t8/5=400 s的焊接熱循環條件下，試驗鋼中仍存在大量的小尺寸粒子，對奧氏體晶粒的長大起到了有效的抑制。

(3)在焊接熱循環過程中，鋼中第二相粒子的成分逐漸發生變化，呈現出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的規律。

[1] 孫占，黃繼華，張華，等. 微合金EH40型船板鋼大熱輸入焊接接頭組織和力學性能[J]. 焊接學報，2009，29(3)：41- 44.

[2] STRID J, EASTERLING K E.On the chemistry and stability of complex carbide and nitrides in microalloyed steels[J]. Acta Metallurgica, 1985, 33(11)：2057- 2074.

[3] LOGERG B, NORDGREN A, EASTERLING K E, et al. The role of alloy composition on stability of nitride in Ti microallyed steel during weld thermal cycling[J]. Metallurgical Transactions A, 1984, 15(1)：33- 41.

[4] NAKANISHI M, KOMIZO Y, SETA I. Improvement of welded HAZ toughness by dispersion with nitride particles and oxide particles [J]. Journal of the Japan Welding Society, 1983, 52(2)：117- 124.

[5] 陳茂愛，唐逸民，樓松年，等. 焊接熱循環對Ti- Nb- V微合金鋼焊接中第二相粒子的影響[J]. 機械工程學報, 2000, 36(10)：99- 103.

[6] 舒瑋，王學敏，李書瑞，等. 含Ti復合第二相粒子對微合金鋼焊接熱影響區組織和性能的影響[J]. 金屬學報，2010,46(8):997- 1003.

[7] 鄭英杰，薛東妹，柴鋒. 大線能量焊接DH36鋼焊接熱影響區組織與性能研究[J]. 上海金屬, 2010,32(2)：30- 33.

[8] 尹桂全, 高甲生, 洪永昌, 等. 微量Ti對焊接熱影響區奧氏體晶粒長大傾向的影響[J].上海金屬, 1998, 20(1):24- 28.

[9] 楊漢, 王西霞, 曲錦波. E550船板鋼焊接熱影響區的組織和性能[J]. 鋼鐵研究學報, 2013,25(11):35- 41.