WDL610E2热轧中厚板调质处理后的组织与性能分析

段东明，唐梦霞，卜 勇，吴 润

（1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2.武汉钢铁股份有限公司热轧总厂，湖北 武汉，430083；3.武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北 武汉，430080）

大线能量焊接钢作为大型成套工程构件用钢由于具备既能承受大线能量焊接又有低焊接裂纹敏感性等优点，因而在国民经济建设中发挥着愈来愈重要的作用，目前国内外钢铁企业正在加紧进行该方面的研究［1－4］。本文围绕降低大线能量焊接钢的低温裂纹敏感性问题，对武汉钢铁（集团）公司生产的WDL610E2热轧中厚板进行调质后的组织及性能研究，旨在拓展大线能量焊接钢的使用范围［5］。

1 WDL610E2钢生产流程及试验方法

1.1 生产流程

WDL610E2钢生产流程：高炉铁水→KR脱硫（［S］≤0.005%）→转炉顶底复合吹炼（加入FeMn或［Mn、Fe］Si等）→RH 真空处理（微调Ti、Nb、V等）→连铸（长水口氩封保护性浇铸，铸坯堆冷）→2800轧机轧制（加热温度为1260～1320℃，终轧温度为830～880℃，末三道次压下率大于35%）→调质热处理（930℃淬火，620℃回火）→探伤→成品检验→入库。

1.2 试验方法

分别取样于热轧和调质状态下的钢板在ZEISS Axioplan 2多功能金相显微镜（德国）下进行金相分析和力学性能分析，选取部分钢样制备成金属薄膜，在JEM－2000ES型透射电子显微镜（TEM，日本）上进行精细结构分析。

按GB／T 228.1—2010进行拉伸试验，将厚度为44、50、60mm的WDL610E2钢板加工成d0＝10mm、标距L0≥1.5d0的圆柱形Z向拉伸试样（每种材料6件），在WE－60液压万能试验机上进行实验，拉伸应力速率为6～60MPa／min。

按GB∕T 21143—2007进行CTOD试验，CTOD试 样 取 自36、44、50及60mm 厚 的WDL610E2钢板，试样经机械加工及线切割缺口后，在INSTRON－1251试验机上使初始裂纹长度a0与试样宽度W之比为0.45，试验跨距S＝4 W 。CTOD试验采用多试样法，由测定的δR－Δa曲线（CTOD阻力曲线）确定临界CTOD参数δi及条件CTOD参数δ0.05。

采用EG－60焊丝（日本）对50mm厚的钢板进行线能量为100kJ／cm气电立焊试验，对焊接后的钢板，以焊接头为中心加工成标准板状拉伸和冲击试样，测定其拉伸性能和冲击韧性。焊接后的试样进行180°冷弯，参数为：b＝2a，d＝3a（a为试验厚度；b为试样宽度；d为弯心直径）。

2 结果与分析

2.1 WDL610E2钢化学成分

WDL610E2钢化学成分如表1所示。从表1中可看出，试验钢中P含量控制极低，Pcm＝［C］＋［Si］／30＋ ［Mn］／20＋ ［Cu］／20＋ ［Cr］／20＋［Ni］／60＋［Mo］／15＋［V］／10＋5［B］＝0.187%，裂纹敏感系数小于0.20%；Ceq＝［C］＋［Mn］／6＋（［Ni］＋［Cu］）／15＋（［Cr］＋［Mo］＋［V］）／5＝0.368%，碳当量小于0.4%；微合金元素有Zr、V、Ti。

表1 WDL610E2钢化学成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of WDL610E2steel

2.2 WDL610E2钢力学性能及其组织

WDL610E2钢热轧态力学性能如表2所示。从表2中可看出，板厚为36mm时钢样屈服强度为405～425MP；厚度增至60mm时，钢样屈服强度下降至335～350MPa。所有厚度系列的钢板延伸率均大于25%，－20℃下的冲击功不低于25J。

表2 WDL610E2钢热轧态力学性能Table2 Mechanical properties of hot rolled WDL610E2

WDL610E2钢热轧态组织如图1所示。从图1中可看出，粗大的奥氏体晶粒经多次变形和再结晶后有了一定程度的细化，经末三道次轧制（压下率大于35%）后，通过奥氏体未再结晶区热变形，铁素体在变形带和γ晶界上形成了细小的晶核 ，但条带状组织较为明显，这种带状组织的出现使得垂直于轧向的钢样拉伸性能较差。

WDL610E2钢调质后显微组织结构如图2所示。从图2中可看出，经930℃常化处理后，钢样组织转变为奥氏体，珠光体中碳化物完全固溶进入奥氏体，均匀单相固溶体水冷后，发生非扩散型相变，最终形成具有高密度位错的板条马氏体（图2（a））；经630℃高温回火后，钢样中高密度位错板条马氏体使基体发生回复与再结晶时组织细小，过饱和碳化物从固溶体中析出形成细小的球形颗粒（图2（b））；此外，钢中的微小Ti、Zr粒子在调质处理过程中使运动位错进一步纠缠于周围，因而保持了基体高密度位错结构，同时钉扎移动晶界，使晶粒保持细小，从而改善了WDL610E2钢的组织性能。

图1 WDL610E2钢热轧态组织Fig.1 Microstructure of WDL610E2steel at hot rolling state

图2 WDL610E2钢调质后的显微组织Fig.2 Microstructure of WDL610E2steel after queching and tempering

WDL610E2钢调质后的力学性能如表3所示。从表3中可看出，钢样调质后的强度指标较调质处理前上升了200MPa左右，延伸率指标有所下降，冲击功大幅度提高，最高达126J，调质处理明显改善WDL610E2钢的力学性能。

表3 WDL610E2钢调质后的力学性能Table3 Mechanical properties of WDL610E2steel after queching and tempering

2.3 调质WDL610E2钢Z向拉伸性能

调质WDL610E2钢Z向拉伸试验结果如表4所示。从表4中可看出，经调质处理后，3种厚度的WDL610E2钢板ψZ值均超过行业最高级标准值（35%），具有较高的抗层状撕裂能力。这是由于调质处理消除了热轧带状组织，使珠光体中Fe3C转变为弥散分布质点，使晶粒进一步细化，从而改善了钢板的组织性能和力学性能。

2.4 调质WDL610E2钢断裂韧性和焊接性能

调质WDL610E2钢CTOD值如表5所示。从表5中可看出，WDL610E2钢的δi值为0.152～0.305，δ0.05值为0.157～0.202，CTOD值显示出调质后的WDL610E2钢具有较高稳定水平和较低的裂纹敏感性。这是由于调质处理后的WDL610E2钢中板条马氏体中高密度位错使基体在回复与再结晶时形成的细小组织以及过饱和碳的弥散析出，其晶界或颗粒碳化物限制和钝化了裂纹的扩展和发散。

表5 调质WDL610E2钢CTOD值Table5 CTOD values of WDL610E2steel

WDL610E2钢板焊接头拉伸试验结果表明，焊接头抗拉强度大于660MPa，拉伸断裂发生在焊缝以外15mm处，断裂部位有明显塑性变形（图3），冷弯180°后，中心部位完好，冷弯试样弯曲部位虽有明显的塑性变形，但未出现裂纹，表明调质处理后的WDL610E2钢具有优良的焊接性能，能承受较大的线能量焊接。调质处理后的细小相组织（碳当量为0.368）或固溶碳析出碳化物粒子使得WDL610E2钢淬透性小，焊接头附近的热影响区未出现马氏体组织，加上组织中的Ti或Zr氧化物粒子促进了针状铁素体的形成［6］，使得断裂发生在焊缝以外，且有明显的塑性变形。

图3 WDL610E2钢板焊接头拉伸断裂照片（100kJ／cm线能量焊接）Fig.3 Tensile fracture of WDL610E2plate welded joints（100kJ／cm line energy welding）

3 结论

（1）调质处理消除了WDL610E2钢热轧带状组织，使珠光体中Fe3C转变为弥散分布质点，改善了 WDL610E2钢的组织性能和力学性能，60 mm的WDL610E2中厚板，纵向拉伸Rm为630～645MPa，ψZ为56%～70%，－20℃下的冲击功为52J，具有较高的抗层状撕裂能力。

（2）调质处理后，WDL610E2钢板条马氏体中高密度位错使基体在回复与再结晶时形成的细小组织以及过饱和碳的弥散析出，其晶界或颗粒碳化物限制和钝化了裂纹的扩展和发散，δi为0.152～0.305，δ0.05为0.157～0.202，具有很低的裂纹敏感性。

（3）调质产生的细小组织或固溶碳析出碳化物粒子使得焊缝附近不容易出现马氏体，钢中含Ti或Zr氧化物粒子促进了组织中针状铁素体的形成，使得WDL610E2钢具有优良的焊接性能，并能承受大线能量焊接。

［1］P S Bandyopadhyay，S K Ghosh，S Kundu，et al.Phase transformation and mechanical behavior of thermomechanically controlled processed high strength ordnance steel［J］.Materials Chemistry and Physics，2013，138：86－94.

［2］廖建国.大线能量焊接用厚钢板的发展［J］.宽厚板，2002，8（2）：44－48.

［3］秦晓钟.国外压力容器用低合金钢强钢概况［J］.化工与通用机械，1979（1）：18－28.

［4］张莉芹.大线能量低焊接裂纹敏感性钢WDL590D2、WDL610E2的研究［D］.武汉：武汉科技大学，2000.

［5］陈晓.低焊接裂纹敏感性高强度低合金钢的性能研究及应用前景［J］.钢铁研究，1989（3）：3－10.

［6］A M Guo，J Guo，W X Yuan，et al.Influence of Zr on toughness of HAZ for ultra high strength low carbon banite steel［J］.Iron and Steel Supplement，2005，40：132－136.