焊接熱輸入對新型低Mn微Nb鋼CGHAZ組織及沖擊韌性的影響

何江里 王厚昕 周 海 胡其龍 顧曉勇 王青峰

(1. 燕山大學 材料科學與工程學院，河北 秦皇島 066004； 2.中信微合金化技術中心，北京 100004； 3.天順風能(蘇州)股份有限公司，江蘇 蘇州 215400； 4.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；5.中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200)

在全球性能源危機和環境污染背景下，風力發電產業在全世界獲得了廣泛關注且迅速發展[1- 3]。風電塔筒作為支撐風電機組的關鍵結構[4]，對于整個風力發電機的持續穩定安全生產具有重要作用。在目前風電塔筒常用355 MPa級C- Mn鋼的基礎上，設計了一種新型低Mn微Nb鋼，即降低Mn含量，同時加入微量Nb，不僅可以有效減輕C- Mn鋼的鑄坯中心偏析和淬硬傾向，還能提高性能穩定性，降低生產成本[5]。

風電塔筒常采用全焊接結構[6]，焊接質量對風電塔筒結構的穩定性與安全性有重要影響[7]。而焊接粗晶熱影響區(CGHAZ)是整個焊接接頭的薄弱環節[8]，該區域奧氏體晶粒粗大[9- 10]，低溫沖擊韌性差[11- 12]，尤其是當焊接熱輸入較高時，沖擊韌性的惡化更為顯著。因此,有必要深入研究焊接熱輸入對新型低Mn微Nb合金鋼焊接粗晶熱影響區組織與沖擊韌性的影響，以期為該鋼在風電塔筒中的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用新型低Mn微Nb鋼板，板厚40 mm，其化學成分如表1所示。試驗鋼的粗軋終軋溫度為1 020 ℃，中間坯待溫厚度為49 mm；精軋開軋溫度為980 ℃，終軋溫度為830 ℃，返紅溫度為620 ℃。試驗鋼的軋態組織為鐵素體(F)和珠光體(P)。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)

在軋態鋼板(縱向)上取樣加工成尺寸為φ6 mm×80 mm的圓棒試樣和10.5 mm×10.5 mm×80 mm的條形試樣，分別用于微觀組織觀察和沖擊斷裂行為表征。

借助Gleeble- 3500熱模擬試驗機模擬試驗鋼在不同焊接熱輸入(Ej為20、25、30及35 kJ/cm)條件下CGHAZ熱循環過程。采用Rykalin- 2D傳熱模型計算生成焊接熱循環曲線，加熱速率為100 ℃/s，試樣加熱到1 350℃保溫1 s，其微觀組織全部轉變為奧氏體，而后在不同熱輸入條件下冷卻到200 ℃，如圖1所示。同時，采用CGauge引伸計模塊測得焊接熱循環過程中試驗鋼CGHAZ的體積膨脹數據，采用切線法獲得冷卻過程中過冷奧氏體向鐵素體(γ→α)轉變開始溫度Ar3與結束溫度Ar1。

圖1 不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的焊接熱循環曲線

將經焊接熱循環的試棒切割、鑲嵌、研磨及機械拋光，并用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Axio Vert.A1型光學顯微鏡(optical microscope, OM) 上觀察CGHAZ試樣的微觀組織；采用體積分數為10%的高氯酸甲醇溶液對試樣進行電解拋光，借助S- 3400N型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)搭載的電子背散射衍射(electron backscatter diffraction, EBSD)探頭測得試樣的CGHAZ平均等效晶粒尺寸與取向分布；最后制備薄膜試樣和萃取復型試樣，在Talos F200X型透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)上觀察CGHAZ的微觀組織及析出相，并用能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)檢測析出相成分。

將經焊接熱模擬的條形試樣加工成尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準夏比V型缺口沖擊試樣，然后在ZBC2452- CE型擺錘式沖擊試驗機上測定不同熱輸入條件下CGHAZ的-20 ℃沖擊吸收能量(KV2)；最后采用掃描電子顯微鏡觀察不同熱輸入條件下CGHAZ的沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 CGHAZ顯微組織

不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ顯微組織如圖2所示。當焊接熱輸入為35 kJ/cm時，CGHAZ顯微組織為板條貝氏體(LB)和粒狀貝氏體(GB)；隨著焊接熱輸入的降低，LB增多，GB減少，組織明顯細化，當焊接熱輸入為20 kJ/cm時，CGHAZ由細小均勻的LB和少量GB構成。

圖2 不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ顯微組織

選取典型熱輸入20和35 kJ/cm，借助EBSD技術獲得試驗鋼CGHAZ的反極圖，如圖3所示。圖中,白線表示取向差角2°≤θ<15°(小角度晶界)，黑線表示取向差角θ≥15°(大角度晶界)[13]。同時，典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的取向差角與晶界比例、平均等效晶粒尺寸之間的關系如圖4所示?？梢婋S著焊接熱輸入的降低，CGHAZ的小角度晶界比例降低，大角度晶界比例明顯升高。當焊接熱輸入一定時，隨著取向差角的增大，CGHAZ的平均等效晶粒尺寸先迅速增大，而后趨于平穩；并且當取向差角一定時，隨著焊接熱輸入的降低，平均等效晶粒尺寸明顯減小，即晶粒細化。

圖3 典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的反極圖

圖4 典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的取向差角與晶界的比例、平均等效晶粒尺寸之間的關系

典型熱輸入(20、35 kJ/cm)條件下試驗鋼CGHAZ的TEM形貌如圖5所示。在兩種熱輸入條件下，CGHAZ均由大致平行排列的板條貝氏體鐵素體(LBF)、粒狀貝氏體鐵素體(GBF)以及分布于條狀鐵素體之間的細長條狀M/A組元構成。隨著焊接熱輸入的降低，LBF和GBF的尺寸明顯減小，M/A組元細化。

圖5 典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的TEM形貌

2.2 試驗鋼CGHAZ沖擊韌性

不同焊接熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的-20 ℃沖擊韌性如圖6所示?？梢姰敽附訜彷斎霝?5 kJ/cm時，CGHAZ的沖擊吸收能量平均值為75 J，低溫沖擊韌性較差；隨著焊接熱輸入的降低，沖擊吸收能量升高，當焊接熱輸入降低到20 kJ/cm時，沖擊吸收能量平均值升高到142 J，試驗鋼CGHAZ的低溫沖擊韌性明顯改善。

圖6 不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的沖擊韌性

不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的典型沖擊斷口形貌如圖7所示。當焊接熱輸入為20～35 kJ/cm時，CGHAZ沖擊斷口均表現出典型的穿晶解理斷裂特征，如放射狀河流花樣，部分解理面邊緣存在少量撕裂棱。隨著焊接熱輸入的降低，CGHAZ沖擊斷口解理面的尺寸減小，斷口形貌由平坦逐漸趨于凹凸起伏，與低溫沖擊韌性改善的結果吻合良好。

圖7 不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的典型沖擊斷口形貌

2.3 熱力學計算及析出相分析

運用Thermo-Calc軟件對試驗鋼在不同溫度下的析出相及析出溫度進行熱力學平衡計算，結果如圖8所示?？芍囼炰摰闹饕龀鱿酁镕CC_A1# 2，即Nb(C,N)粒子，其析出溫度為1 068 ℃。在焊接熱循環的加熱過程中，峰值溫度為1 350 ℃，試驗鋼中Nb析出相全部固溶于基體；焊后冷卻過程中，Nb與C、N結合形成Nb(C,N)粒子析出。

圖8 試驗鋼的熱力學平衡計算

典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的析出相如圖9所示。在典型熱輸入條件下，CGHAZ中析出相均為彌散分布的Nb(C,N)粒子，呈不規則顆粒狀。隨著焊接熱輸入從35 kJ/cm降低至20 kJ/cm，Nb(C,N)粒子的數量增多，平均尺寸減小。

圖9 典型熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的析出相

2.4 相變動力學分析

不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的熱膨脹曲線與相變溫度如圖10所示。可見隨著焊接熱輸入的降低，γ→α相變開始溫度Ar3與結束溫度Ar1均降低，晶粒細化(圖3、圖4)。當焊接熱輸入較低時，CGHAZ的高溫停留時間較短，細小彌散的Nb(C,N)粒子釘扎在原始奧氏體晶粒邊界[14]，阻礙了原始奧氏體晶粒的遷移長大[15]；并且，隨著焊接熱輸入的降低，冷卻速率增大，Fe、C原子的擴散與分配無法充分進行，導致擴散控制的γ→α相變過程被強烈阻礙[16]，為順利驅動相變，需提高過冷度或降低相變開始溫度Ar3。

圖10 不同熱輸入條件下試驗鋼CGHAZ的熱膨脹曲線與相變溫度

粒狀貝氏體(γ→GB)大多在奧氏體晶界形核，而板條貝氏體(γ→LB)主要在奧氏體晶粒內形核[17]；并且晶界吉布斯自由能一般高于晶內[18]，晶界可為相變提供更高的能量，因此γ→GB相變先于γ→LB相變發生[19]，γ→GB相變溫度高于γ→LB相變溫度[20]。當焊接熱輸入為35 kJ/cm時，γ→α相變開始溫度Ar3最高(600 ℃)，表明此時γ→GB+LB相變起始溫度最高；隨著焊接熱輸入的降低，Ar3依次降低到575(30 kJ/cm)、551(25 kJ/cm)及518 ℃(20 kJ/cm)，Ar3降低引起晶粒內部γ→LB相變的形核與生長驅動力增加，而γ→LB相變的形核與長大受到抑制。因此，隨著焊接熱輸入的降低，試驗鋼CGHAZ中GB含量逐漸減少，LB含量逐漸增多。

3 結論

(1)試驗鋼焊接粗晶熱影響區(CGHAZ)的微觀組織主要是板條貝氏體(LB)和粒狀貝氏體(GB)，隨著焊接熱輸入的降低，γ→α相變開始溫度Ar3降低，板條貝氏體增多，粒狀貝氏體減少，大角度晶界比例顯著升高，M/A組元細化，組織明顯細化。

(2)隨著焊接熱輸入的降低，試驗鋼CGHAZ的沖擊吸收能量(-20 ℃KV2)顯著提高，低溫沖擊韌性明顯改善；不同熱輸入條件下沖擊斷口均表現出典型的穿晶解理斷裂特征，其解理面尺寸隨熱輸入的降低而減小。

(3)試驗鋼CGHAZ的析出相為細小彌散的Nb(C,N)粒子，析出溫度為1 068 ℃，隨著焊接熱輸入的降低，該析出粒子數量增多，平均尺寸減小。