Ni對Q690鋼SMAW熔敷金屬組織和性能的影響

陳建國， 楊詠梅， 李俐群， 王澤軍， 肖輝英

(1. 天津市永昌焊絲有限公司，天津 300300； 2. 天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192；3.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

0 前言

隨著資源勘探領域向海洋深處的擴展，海上結構變得更大，用于新一代海上結構的重型鋼板要求具有超高強度性能以減輕重量。高強鋼作為海洋工程裝備的關鍵結構材料，廣泛應用于鉆井平臺、工作平臺及海底管道等位置。其中，海工領域中的自升式鉆井平臺的樁腿、懸臂梁等關鍵部件需要大量屈服強度等級接近690 MPa的高強鋼。

高強鋼的使用對與之配套的焊材提出了苛刻的要求，既要求需要滿足與之相應的強度，又要滿足與之相應的韌性[1]。而中國現有高強鋼配套焊材多存在屈服比太高、塑性儲備差的特點。通常，C-Mn焊縫金屬的微觀組織結構包括針狀鐵素體、先共析鐵素體、魏氏鐵素體和其它微相[2]，其屈服范圍為350～450 MPa；一些高強度低合金焊縫金屬，例如添加了少量微合金元素的C-Mn焊縫金屬，具有與C-Mn焊縫相似的顯微組織，它們具有較高的屈服強度，通常在500～700 MPa的范圍內。如果進一步提高淬透性，則顯微組織會轉變為針狀鐵素體、貝氏體、甚至于低碳馬氏體的混合組織，室溫下的屈服強度范圍為690～1 000 MPa。但是鋼鐵材料的強度與韌性呈此消彼長的關系，強度的提高往往會導致韌性的降低。因此，不能盲目地向焊縫金屬中添加微合金元素。

文中以研發Q690鋼所用焊接材料為目的，通過對比試驗，著重討論了在不同含量的合金元素Ni下，焊縫金屬內部組織和力學性能的演變規律，擬澄清微Ni對Q690高強鋼焊縫金屬組織和力學性能的作用，對于中國發展高強鋼配套的焊接材料意義重大。

1 試驗材料及方法

焊接材料為自主研發的用于焊接Q690鋼的焊條。焊接試驗中，母材為Q345鋼板材，板材尺寸為300 mm×120 mm×20 mm，坡口角度為45°，為了防止母材對熔敷金屬的稀釋，在坡口處堆焊3 mm的隔離層，根部間隙為15 mm，墊板尺寸為300 mm×25 mm×12 mm，焊接電流為150～170 A，道間溫度為150 ℃，焊件的截面示意圖如圖1所示。焊后的熔敷金屬在600 kN萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，在450 J擺錘沖擊試驗機上進行-40 ℃沖擊試驗。焊接后熔敷金屬的化學成分見表1。

圖1 制備熔敷金屬的示意圖

表1 熔敷金屬的化學成分(質量分數，%)

將熔敷金屬切成15 mm×30 mm×20 mm的試樣，依次用400號、600號、800號、1000號、1500號和2000號的碳化硅砂紙對垂直于焊接方向的截面進行打磨，打磨后的試樣在拋光機上進行拋光，最后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕。將腐蝕后的試樣放在酒精中進行超聲清洗，隨后吹干。采用OLYMPUS DSX510型光學數碼體視顯微鏡，對熔敷金屬中間位置進行微觀金相觀測。為了進一步探究熔敷金屬組織的演化機理和斷口形貌的特征，對金相試樣和沖擊斷口在ZEISS GeminiSEM500型掃描電子顯微鏡下進行掃描電鏡觀測。

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫金屬的微觀組織

圖2為不同Ni含量下熔敷金屬的金相組織。從圖中可以看出，當Ni含量為1.15%時，熔敷金屬的組織最為粗大，隨著Ni含量的增加，N1至N5試樣的微觀組織明顯細化，這是由于Ni含量較低時，難以抑制鐵素體相變，奧氏體轉變為塊狀鐵素體，且相變溫度較高，晶粒粗大；當Ni含量增加時，鐵素體相變得到抑制，相變溫度變低，從而細化晶粒尺寸[3]。另外，Ni含量的增加使熔敷金屬的組織形貌也發生了變化，隨著Ni含量的增加，組織中出現了條狀結構，并且Ni含量越高，條狀結構之間的寬度越小。

圖2 不同Ni含量下熔敷金屬的金相組織

為了更深入的分析熔敷金屬組織的演變規律，圖3給出了不同Ni含量下熔敷金屬的顯微組織。由圖中可以發現，Ni含量為1.15%時，熔敷金屬的組織為粒狀貝氏體和塊狀鐵素體的混合組織；隨著Ni含量的增加，組織中粒狀貝氏體和塊狀鐵素體明顯減少；當Ni含量為3.13%時，組織中演變為針狀鐵素體和板條貝氏體的混合組織，這是因為Ni是形成和穩定奧氏體的元素，能與Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，并降低鐵素體轉變溫度，抑制先共析鐵素體的產生，促進針狀鐵素體的形成[4-6]；針狀鐵素體是一種在晶內形核的非熱平衡型貝氏體，且具有非常細的晶粒尺寸和高的位錯濃度，故其具有良好韌性和延展性[7-8]。Ni含量繼續增加時，組織中針狀鐵素體變少，板條貝氏體增多，并且出現了馬氏體帶；當Ni含量增加到4.35%時，組織中板條貝氏體減少，馬氏體數量增多，同時，組織中的M-A組元數量增多，尺寸變大。

圖3 不同Ni含量下熔敷金屬的顯微組織

2.2 力學性能

2.2.1拉伸性能

根據中國船級社規范[9]，要求Q690鋼的熔敷金屬其屈服強度≥690 MPa，抗拉強度為770～940 MPa，斷后伸長率≥17%，-40 ℃沖擊吸收能量≥69 J。圖4給出了不同Ni含量下熔敷金屬的拉伸性能(圖中箭頭線段所標值為中國船級社要求值)。從圖中可以發現，所有熔敷金屬試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都滿足標準要求。從N1至N5試樣，熔敷金屬的抗拉強度和屈服強度隨著Ni含量的增加而升高，斷后伸長率隨著Ni含量的增加而降低。這是因為Ni含量的增多導致熔敷金屬中諸如貝氏體和馬氏體之類的“硬”相形成，導致熔敷金屬抗拉強度升高。

圖4 不同Ni含量下熔敷金屬的拉伸性能

鋼鐵材料的強化作用主要有固溶強化、細晶強化、位錯強化及彌散強化。一般認為鋼鐵材料的屈服強度等于各項強化作用對材料屈服強度的貢獻和[10]，即：

(1)

式中：σy為材料的屈服強度，MPa；σ0為純鐵中原子對位錯運動的摩擦力，一般為定值54 MPa；σss為固溶強化對材料屈服強度的貢獻，MPa；σgb為細晶強化對材料屈服強度的貢獻, MPa；σdis為位錯強化對材料屈服強度的貢獻，MPa；σp為彌散強化對材料屈服強度的貢獻，MPa。

在該研究中，對于固溶強化、細晶強化、位錯強化和彌散強化對熔敷金屬屈服強度的貢獻可以做如下考慮。首先是固溶強化，從表1的化學成分中可以看出，熔敷金屬的化學成分主要表現在Ni含量不同，而Ni和C不能形成碳化物，多以相互固溶的形式存在于鋼的基體中，所以Ni含量的增加導致固溶強化的貢獻增強。其次是細晶強化，通過前面的分析，發現Ni含量的增加會導致熔敷金屬晶粒的細化，所以Ni含量的增加也導致了細晶強化的增強。對于位錯強化，鑒于熔敷金屬的加工制備工藝完全相同，所以只從成分上加以考慮。C含量對鋼鐵材料中的位錯密度有直接影響，位錯密度隨C含量的增加呈線性增加[11]。從表1中熔敷金屬的化學成分可以看出，N1到N5試樣中的C含量幾乎不變，所以認為Ni含量對位錯強化的效果沒有太大影響。而對于彌散強化的效果在該研究中可以忽略，因為焊接溫度高冷卻速度快，不會給彌散強化類的納米級析出相析出的機會。所以，固溶強化和細晶強化是造成該系列熔敷金屬屈服強度差的主要原因。

2.2.2沖擊性能

低溫沖擊韌性是衡量高強鋼熔敷金屬是否合格的重要指標，標準中對高強鋼熔敷金屬的沖擊吸收能量有明確要求。圖5給出了不同Ni含量下，熔敷金屬-40 ℃沖擊吸收能量(圖中箭頭線段所標值為中國船級社要求值)。從圖中首先可以發現所有熔敷金屬的沖擊性能都符合中國船級社規范要求，其次隨著Ni含量的增加，沖擊性能呈現下降的趨勢。N1試樣的沖擊性能最高，這是由其組織決定的，N1中的鐵素體和粒狀貝氏體是塑性相，其大角度晶界可以延緩裂紋擴展，使熔敷金屬具有良好的韌性[12-13]。雖然N1和N2試樣中含有部分M-A小島結構，但小尺寸的M-A組元對提高韌性是有利的，因為細小的M-A 組元能夠起到阻礙位錯運動和當裂紋擴展時促使裂紋發生轉折而阻礙裂紋擴展的作用，不會因M-A 組元周圍的應力集中而誘發裂紋產生。Ni含量添加到3.13%(N3試樣)時，試樣的組織中出現了針狀鐵素體和板條貝氏體，雖然針狀鐵素體是高強鋼焊縫金屬中同時改良拉伸和沖擊性能的有益組織，但是板條貝氏體的出現硬化了基體組織，導致熔敷金屬的硬化效果增強，致使其沖擊性能還是略微的降低。當Ni含量增加到3.97%(N4試樣)時，組織中開始出現馬氏體，沖擊性能繼續降低。當Ni含量繼續增加到4.35%(N5試樣)時，沖擊韌性最低，這是因為組織中出現了較為細密的馬氏體條狀結構和尺寸較大數量較多的M-A組元。馬氏體組織本身就是硬脆相，不能延緩裂紋的擴展。另外，尺寸較大的M-A 組元也無法起到提高焊縫金屬沖擊韌性的作用，容易在其周圍產生應力集中而誘發裂紋產生。

圖5 不同Ni含量下熔敷金屬的沖擊性能

圖6為不同Ni含量下，熔敷金屬在-40 ℃沖擊試驗后的斷口形貌。從圖中可以發現，N1(含1.15%Ni)試樣的斷口中存在大量的韌窩和少量的解離平臺，為典型的韌性脆性混合斷口；隨著Ni含量的提高，斷口形貌發生明顯變化，斷口中的韌窩逐漸減少，解離平臺逐漸增多，斷口由韌性脆性混合斷裂轉變為脆性斷裂。當Ni含量為3.13%(N3試樣)時，斷口中出現了明顯的“撕裂棱”，但是在“撕裂棱”的側根部存在明顯的韌窩，此時斷裂方式仍為韌脆混合斷裂模式；當Ni含量增加到3.97%(N4試樣)和4.35%(N5試樣)時，斷口中的“撕裂棱”齊整，沒有發現任何韌窩的痕跡，此時表現為完全脆性斷裂。

圖6 不同Ni含量下熔敷金屬的-40 ℃沖擊斷口

3 結論

(1)在試驗設計成分范圍內，Ni含量由1.15%增加到4.35%時，Q690高強鋼熔敷金屬的抗拉強度由792 MPa提高至913 MPa，屈服強度由730 MPa提高至786 MPa，-40 ℃下沖擊性能由103 J下降至93 J。

(2)Ni含量對Q690高強鋼熔敷金屬的組織結構影響明顯。適量的Ni可以促進熔敷金屬中針狀鐵素體的形成，繼續增加Ni含量，組織中的針狀鐵素體反而減少，板條貝氏體和馬氏體增多。

(3)固溶強化和細晶強化對該系列熔敷金屬的屈服強度起決定性作用。

(4)Ni含量的增加，改變了熔敷金屬沖擊斷口的斷裂方式。Ni含量為1.15%至3.13%時，沖擊斷裂方式為韌性脆性混合斷裂；Ni含量增加到3.97%和4.35%時，沖擊斷口齊整，斷裂方式為完全脆性斷裂。