复合型高铌耐火钢热影响区粗晶区的低温冲击韧性

陈林恒， 刘攀， 崔强， 范益， 孟令明， 王红鸿

(1.南京钢铁有限公司，南京 210035；2.武汉科技大学，高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，武汉 430081)

0 前言

在钢铁材料焊接时，在焊接热循环作用下形成热影响区，其粗晶区的峰值温度接近熔点，晶粒粗化是其显著的微观组织特征之一。由于晶粒粗化，导致粗晶区力学性能恶化，尤其是低温冲击韧性，已是当今钢铁材料焊接冶金领域关注的内容。

对于体心立方结构(BCC)的低合金高强钢，在焊接热循环的加热过程中，当温度高于Ac1点，会发生从体心立方(BCC)向面心立方(FCC)的相变，称为奥氏体逆转变[1-2]，继续加热到Ac3点，完成奥氏体的逆转变，之后发生奥氏体的长大[3]。在此过程中，奥氏体的长大行为，决定了热影响区粗晶区的最终晶粒尺寸[4-5]。逆转变奥氏体的长大方式一般包括：晶界迁移、角隅的合并、消失和移动，以及晶界的平直化、晶粒的合并、大晶粒吞并小晶粒[6]。加热速度、加热温度、合金元素及原始组织都会影响奥氏体的形核长大[7]。加热速度越快，保温温度越高、原始组织晶粒尺寸越小、晶界面积越大，越利于奥氏体形核长大。晶界迁移时，原子在晶界处发生短程扩散。加热温度、保温时间、加热速度，都可以影响原子的扩散，因此也会影响晶界的迁移。合金元素也会影响晶界的迁移[8]。合金元素如Ti，Nb，V等，会形成难溶的碳化物，对晶界的迁移有较大的阻碍作用。伴随晶界的迁移，在晶界处会有合金元素的偏聚，同样对晶界的迁移速度产生不同的影响，如溶质拖曳等。以上研究材料多为热处理条件，对于焊接热循环作用下的逆转变奥氏体长大，相关研究较少。

该工作以复合型耐火钢为研究材料，采用激光高温共聚焦扫描显微镜方法原位观察逆转变奥氏体的长大[9]，同时，分析了该钢在不同焊接热输入下的粗晶区的晶粒尺寸及低温冲击韧性。

1 试验材料及方法

试验材料为Q420FRE复合型耐火钢，其供货状态是TMCP，显微组织以粒状贝氏体为主。表1为Q420FRE钢的化学成分，其它元素：0.000 2%B， 0.033%Alt，0.004 4%N，0.000 2%H。表2为Q420FRE钢的力学性能。

该试验中，使用热模拟方法测出相变点Ac1，Ac3。试验设备为Gleeble3800热模拟机，测定加热过程中的逆转变奥氏体相变温度，加热速度为0.05 ℃/s，200 ℃/s，试样尺寸为φ6 mm×70 mm。为研究铌元素对加热过程中的相变点的影响，将铌含量为0.05%的结构钢作为对比钢，检测相变点并进行对比。对比钢的合金成分除Nb含量不同外，其它元素相同。

在高温共聚焦试验中，该试验采用了激光共聚焦高温扫描显微镜的方法[10]在VL2000DX-SVF17SP显微镜上原位观察高温时奥氏体晶粒长大，并使用割线法和面积法测量奥氏体晶粒尺寸。试样尺寸为φ4 mm×6 mm，表面磨制并抛光。试样以1 ℃/s的速度加热到1 320 ℃，停留1 s，然后以1 ℃/s的速度冷却到室温。以15帧/秒的拍摄实况图片进行在线观察。

表1 Q420FRE钢的化学成分(质量分数，%)

表2 Q420FRE钢的力学性能

使用埋弧焊制备焊接接头，采用厚度为40 mm的试板，规格为40 mm×230 mm×500 mm，坡口形式为X形，全自动埋弧焊方法(SAW)，焊接热输入分别为：15 kJ/cm，50 kJ/cm，75 kJ/cm。然后进行光学显微组织分析及冲击韧性测试。

在光学显微组织分析试验中，对埋弧焊焊接接头的粗晶区进行了光学显微组织分析，使用的光学显微镜型号为BM51。其试样制备按常规方法进行磨制、抛光，并用4%硝酸酒精腐蚀。

在焊接热影响区粗晶区的冲击韧性测试试验中，冲击试样取自表面下2 mm处，并距熔合线1 mm处取V形冲击缺口，测试-40 ℃冲击韧性。

2 试验结果

2.1 逆转变奥氏体相变温度

表3中为含铌0.09%的Q420FRE在两个不同升温速度下的相变点及含铌0.05%的对比钢在缓慢升温速度下的相变点。在缓慢升温条件下(0.05 ℃/s)得到的就近似于平衡态的相变点。表3显示：高铌含量(0.09%)钢的近平衡态的相变温度Ac1，Ac3均高于铌含量(0.05%)对比钢的相变温度。200 ℃/s升温速度是模拟焊接条件，与升温速度0.05 ℃/s的条件相比较，可知随着升温速度的增大，Q420FRE钢的相变温度升高，也就是说在实际焊接过程中，加热过程的Ac1，Ac3要高于近平衡态的相变温度。

2.2逆转变奥氏体晶粒长大

图1为不同温度下的奥氏体晶粒变化图，即从1 050 ℃加热到峰值温度1 317 ℃，之后再冷却到800 ℃的过程中的奥氏体晶粒变化图。在加热过程中，奥氏体逆转变从810 ℃开始，在810～1 050 ℃的温度范围内，形核与长大同时进行。先形核的奥氏体开始长大，长大速度较小，为0.002 055 μm/s。到1 050 ℃时，奥氏体逆转变完成，全面进入长大阶段，如图1a所示。从1 050～1 200 ℃的阶段，逆转变奥氏体基本以晶界迁移的方式长大，如图1b～图1d所示，其长大速度较低，为0.004 135 μm/s。在1 200～1 320 ℃的阶段，开始出现晶粒合并的长大方式，如图1d～图1g所示，晶粒长大速度增大，为0.009 575 μm/s。到达峰值温度1 320 ℃时，奥氏体晶粒大小不均匀，最大的晶粒尺寸约为50 μm，最小的晶粒尺寸约为20 μm，如图1g所示。在随后的冷却过程中，晶粒没有继续长大，如图1h～图1l所示。

表3 Q420FRE钢与对比钢的临界温度点

2.3 埋弧焊焊接热影响粗晶区晶粒

图2是焊接热输入分别为15 kJ/cm，50 kJ/cm，75 kJ/cm的焊接接头粗晶区的光学显微组织。从图2中可以看出，3个焊接热输入下的粗晶区组织主要为贝氏体，且晶粒细小，测得热输入15 kJ/cm，50 kJ/cm，75 kJ/cm条件下，铁素体基体的平均晶粒尺寸在分别约为：32 μm，41 μm，25 μm，且随焊接热输入的增大，晶粒没有增大。在图3中，可以看到在块状的铁素体基体上均分布着第二相(渗碳体和M-A组元)。此外，在晶界处均有少量珠光体。

2.4 埋弧焊焊接热影响粗晶区的低温冲击韧性

将实际埋弧焊的焊接接头进行-40 ℃低温冲击试验，结果示于表4中。由于是X形坡口，熔合线(FL)及粗晶区(FL+1 mm)的冲击韧性取样会包括部分焊缝金属(WM)，因此，将焊缝金属的冲击韧性一并列于表中。从表4可以看出，焊缝金属冲击韧性并未随焊接热输入的增大而出现显著的减小，因而，焊缝金属的冲击韧性不会影响到熔合线和粗晶区。表4表明：焊接热输入为15 kJ/cm 时，熔合线的平均低温冲击吸收能量为282 J，268 J，焊接热输入为50 kJ/cm时，熔合线的平均低温冲击吸收能量为295 J，278 J，低温冲击韧性没有随着热输入的增大而降低。当焊接热输入为75 kJ/cm时，熔合线的平均低温冲击吸收能量为177 J，188 J，比15 kJ/cm和50 kJ/cm的冲击韧性低，这是因为在两个位置出现了两个低值，98 J和60 J，即冲击韧性波动较大而致。

图1 不同温度下的奥氏体晶粒变化图

图2 不同焊接热输入下焊接接头粗晶区的光学显微组织(低倍)

图3 不同焊接热输入下焊接接头粗晶区的光学显微组织(高倍)

表4 埋弧焊的(-40 ℃)低温冲击韧性

3 讨论

3.1 逆转变奥氏体相变温度的影响

Nb元素一般认为是铁素体形成元素，但是当含量较高时，它会表现出奥氏体形成元素的特性[11]，从而影响加热过程中的逆转变奥氏体。表3结果证实了这一点，当铌含量为0.09%时，相比于0.05%铌含量的对比钢，其逆转变奥氏体开始温度Ac1和完成温度Ac3均提高20 ℃左右。该试验钢含有较高Nb元素，再加上奥氏体化元素Mn含量低(0.78%)、C含量超低(0.045%)，使得该钢相变温度Ac1，Ac3较高。尤其在焊接过程中，快速加热，进一步提高了奥氏体逆转变温度较高。因而，相比于逆转变奥氏体低的钢铁材料，Q420FRE钢完全转变的奥氏体温度较高，于是转变后奥氏体进行长大的时间缩短，意味着奥氏体长大热力学条件降低。

3.2 逆转变奥氏体长大方式

图1奥氏体晶粒长大原位观察表明，逆转变奥氏体在初期以晶界迁移的方式长大，长大速度较慢，之后以晶粒合并方式长大，没有观察到大晶粒吞并小晶粒的长大方式，因而，没有奥氏体异常长大的现象。而且，在跃过峰值温度后的冷却过程中，没有发现晶粒的再长大，即没有热惯性长大现象。

该课题组前期关于高铌耐火钢焊接热影响区碳氮化铌演变研究表明[12]：焊接加热过程，在温度达到500～650 ℃时，碳氮化铌开始粗化，到1 050 ℃时，碳氮化铌开始重新熔解，铌元素固溶于奥氏体基体中，直到1 200 ℃全部熔解。碳氮化铌的存在对奥氏体晶界具有钉扎作用，因而在逆转变奥氏体长大初期，以晶界迁移为主要方式，且长大速度较小。随着碳氮化铌的熔解，晶界钉扎作用逐渐失去作用，且奥氏体长大方式变为以晶粒合并为主，因而长大速度增大。到峰值温度之后，铌元素全部固溶于奥氏体基体中，在随后的快速冷却过程，铌元素发生了晶界偏聚行为[13-14]，偏聚于晶界降低了界面能，降低了晶界迁移的驱动力，这可能是在随后的冷却过程中没有发生晶粒长大的原因。

3.3 晶粒尺寸对冲击韧性的影响

对于粗晶热影响区的冲击韧性，晶粒尺寸起着至关重要的影响作用。从图2和图3的显微组织可以看出，3个焊接热输入的粗晶区显微组织以贝氏体为主，在第二相(渗碳体和M-A及珠光体)的数量上略有差别，会在一定程度上影响冲击韧性。但相较于显微组织，晶粒尺寸起着更显著的作用。在焊接热循环作用有下，奥氏体晶粒没有异常长大，并在随后的冷却过程中形成了细小的晶粒。细小的晶粒拥有较多的晶界，在裂纹扩展过程中，晶界阻碍裂纹扩展或改变裂纹扩展路径，增加了裂纹扩展能，从而提高了冲击韧性。而且将焊接热输入提高至75 kJ/cm时，热输入已经达到了大热输入焊接的参数，但是由于晶粒尺寸较小，粗晶区仍保持了较高的冲击韧性。

4 结论

(1)低Mn高Nb超低C的成分体系，提高了钢材的相变温度Ac1，Ac3，即提高了加热过程中的逆转变奥氏体相变温度，因而，在焊接热循环过程中，逆转变奥氏体长大时间缩短。

(2)高温共聚焦显微方法表明，复合型耐火钢在加热过程中，奥氏体长大的初期阶段以晶界迁移方式长大，速度较小，之后结合晶粒合并方式，没有发现吞并方式的长大。冷却过程中没有发现晶粒长大。

(3)埋弧焊的粗晶热影响区晶粒细小，且不随热输入增大而增大，晶粒尺寸在25～41 μm之间。粗晶区的-40 ℃平均冲击吸收能量在240 J以上，其主要原因在于粗晶区的细小的晶粒。