不同t8/5条件下NM400耐磨钢焊接热影响区的组织及性能

斯松华，徐震霖，方俊飞

（安徽工业大学材料科学与工程学院，马鞍山 243000）

0 引 言

调质耐磨钢具有高硬度的高位错板条状马氏体组织,能够较好地抵抗磨损时裂纹的扩展,在中等冲击磨损条件下,具有优越的使用性能,在矿山、水泥、冶金等行业得到广泛应用[1-3]。NM400调质耐磨钢中合金元素含量高,导致焊接接头热影响区的性能难以控制,热影响区的粗晶区(CGHAZ)易过热,造成显微组织明显长大,易产生局部脆化现象[4-5]。研究表明,某些高强钢热影响区经过二次热循环后,临界粗晶区(IC CGHAZ)的冲击性能进一步下降,成为焊接接头的最薄弱区域[6-7],这一现象在NM400钢中也被发现,但相关的研究还不够深入。因此,探讨不同热循环对CGHAZ和IC CGHAZ组织及性能的影响,对制定合理的焊接工艺具有重要作用。

目前,己有不少关于NM360马氏体耐磨钢焊接方面研究报道[5,8],然而对于NM400钢焊接的研究罕有报道。因此,作者采用焊接热模拟的方法,研究了不同热循环时NM400钢CGHAZ和IC CGHAZ组织及性能的变化规律。

1 试样制备与试验方法

试验材料采用南京钢铁公司生产的NM400调质耐磨钢板,组织为板条状回火马氏体。热分析测得NM400钢的Ac1和Ac3分别为720℃和 840℃,其化学成分见表1,常规力学性能见表2。

利用Gleeble 3500型热模拟试验机进行模拟焊接热循环试验,模拟试样从NM400钢板上垂直于轧制方向截取,尺寸为70 mm×11 mm×11 mm。按图1所示模拟焊接热循环曲线进行单次(4种热输入条件下)和二次(2种热输入条件下)热循环试验,所采用的单次和二次热循环曲线能较准确地模拟得到实际焊接中CGHAZ和IC CGHAZ。单次热循环时从800℃冷却到500℃所需时间t8/5分别为5,10,15,20 s;二次热循环时t8/5分别为10 s+10 s和15 s+15 s的组合。一次热循环峰值温度为1 320℃,高温停留1 s;二次热循环热循环峰值温度为800℃,层间温度为200℃,所有热循环的加热速率均为100℃·s-1。

表1 NM400钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of NM400 steel（mass） %

表2 NM400钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of NM400 steel

图1 不同的模拟焊接热循环曲线Fig.1 Curves of simulating welding thermal cycle：(a) single-pass welding thermal cycle(b) twice-pass welding thermal cycle

金相试样经磨制、抛光后,用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀,利用ZEISS型光学显微镜和JSM-6490LV型扫描电镜对试样进行显微组织观察。采用HV-1000型显微硬度计测试样硬度,载荷9.8 N,加载时间10 s,每个试样测5次取平均值。冲击试样为标准V形缺口试样,尺寸为55 mm×10 mm×10 mm,根据 GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,在Zwick/Roell-Bkp450型冲击试验机上进行冲击试验,冲击试验温度为-20℃,结果取3个试样平均值。冲击试验后,利用JSM-6490LV型扫描电镜观察断口微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图2,3可知,单次热循环t8/5为5 s时,在冷却过程中马氏体发生自回火,得到回火马氏体组织,扫描电镜下可以看到,马氏体板条上有弥散分布的碳化物颗粒;t8/5为10 s时,板条马氏体上的碳化物颗粒发生粗化,且出现少量下贝氏体;t8/5增加到15 s后,出现大量板条状上贝氏体,碳化物分布在上贝氏体的铁素体片条之间。经过二次热循环后,IC CGHAZ发生不完全重结晶,出现大量粒状贝氏体,原马氏体也转变成粗大的板条状上贝氏体。当t8/5为10 s+10 s时,重结晶主要发生在奥氏体晶界处,这是由于晶界处位错密度大,重结晶更易形核;当t8/5为15 s+15 s时,高温停留时间延长,重结晶驱动力增大,原奥氏体晶粒内也发生不完全重结晶现象。

2.2 力学性能

由表3可以看出,随着t8/5的增加,CGHAZ和IC CGHAZ的硬度均呈下降趋势。t8/5为5 s时,CGHAZ硬度最高(415 HV);t8/5为20 s时,CGHAZ硬度最低(337 HV);t8/5为10 s+10 s时,IC CGHAZ硬度较高(290 HV)。随着t8/5的增加,CGHAZ 冲击韧性先增加后减小,当t8/5为10 s时,冲击吸收功达到最大(64 J),当t8/5为20 s时,冲击吸收功最小(21 J);而经过二次热循环后,IC CGHZ冲击韧性总体上低于CGHAZ 的;t8/5为10 s+10 s时,IC CGHAZ 冲击吸收功略高于t8/5为15 s+15 s的。

图2 不同热循环条件下模拟NM4 00钢焊接接头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

图3 不同热循环条件下模拟NM400钢焊接接头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

根据低合金高强度调质钢板HAZ硬度经验公式[9],见式(1)～(3),可计算得到NM400钢组织为全马氏体时的硬度HM及组织为全贝氏体时的硬度HB分别为 417 HV 和 238 HV。

表3 不同热循环条件下模拟焊接NM400钢接头粗晶区及临界粗晶区的力学性能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为各元素在钢中的质量分数。

单次热循环t8/5为5 s时,CGHAZ的组织几乎全部为板条状回火马氏体,板条马氏体中有高密度的位错,故硬度最高,且与HM值吻合。t8/5为10 s时,冷却速率减慢,马氏体板条析出的颗粒状碳化物更加粗大,且出现少量下贝氏体,故硬度有所降低。随着t8/5增加,高温停留时间延长,原母材中的合金元素及弥散分布的碳化物被大量溶解,出现大量板条状上贝氏体,导致CGHAZ硬度下降。经过二次热循环IC CGHAZ的硬度低于一次热循环CGHAZ的,这是由于在IC CGHAZ奥氏体晶界处发生了不完全重结晶,形成大量粒状贝氏体,晶界位错能下降,且上贝氏体严重粗化;随着t8/5增加,奥氏体晶粒内也发生重结晶,硬度进一步下降。

当t8/5为5 s时,由于焊接冷却速率较快,GCHAZ又形成的马氏体有较高的硬度且组织单一,不能有效阻止裂纹的扩展,此时冲击韧性较差。当t8/5为10 s时,CGHAZ冲击韧性最好,这是由于形成了板条马氏体和少量下贝氏体的混合组织。另外马氏体冷却过程中自回火较为充分,这种混合组织中有更多的大角度晶界,马氏体板条束被下贝氏体分割,裂纹扩展时在马氏体板条束界或马氏体和下贝氏体边界处受阻而转向,因而能有效阻止裂纹的扩展[10]。随着t8/5的增加,相变温度以上高温停留时间延长,奥氏体晶界更加平直,晶粒趋于正多边形,见图2(c),多边形相邻边之间的内夹角也不断增大[11],且出现板条状上贝氏体,马氏体板条束的宽度也不断增加。由于上贝氏体韧性较差,导致CGHAZ冲击韧性下降。而经历800℃二次热循环的IC CGHAZ,由于二次热循环峰值温度处于Ac1和Ac3之间,发生不完全重结晶生成大量粒状贝氏体,且原有板条马氏体转化为粗大板条状上贝氏体。重结晶的发生使晶粒位错密度大幅度降低,且粒状贝氏体脆性较大,对裂纹扩展的阻挡能力下降,导致IC CGHAZ冲击韧性下降。

由图4可见,t8/5为10 s时,CGHAZ断口为准解理和微孔聚集混合型断裂,呈现河流花样、解理台阶及小而密的韧窝;其他热循环条件下(因形貌相似仅保留二次热循环的),冲击断口均为准解理型,解理台阶较为平滑,河流花样较长,与试验结果一致。

图4 不同热循环条件下模拟焊接NM400钢接头冲击断口的SEM形貌Fig4 SEM morphologies of impact fracture in joints of NM400 steel welded under different thermal cycle conditions

3 结 论

(1)单次和二次热循环时,随着t8/5的增加,试验钢焊接热影响区粗晶区和临界粗晶区的硬度均不断下降。

(2)单次热循环随着t8/5的增大,粗晶区-20℃冲击吸收功先增加后减小;t8/5为10 s时,冲击吸收功最高(64 J),冲击断口为准解理和微孔聚集混合型断口,这是由于形成了回火马氏体和少量下贝氏体的混合组织,且马氏体发生了自回火。

(3)经历二次热循环的临界粗晶区冲击韧性下降,冲击断口为准解理型,这是由于不完全重结晶形成了大量粒状贝氏体和粗大上贝氏体组织。

(4)此钢种进行焊接时,t8/5应控制在10 s左右。

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