工业试验Mg脱氧HSLA钢CGHAZ的夹杂物、组织及韧性的特征分析

杜海龙 张银辉 杨健 张宇 张玉旗

关键词：HSLA钢；Mg脱氧；大线能量焊接；焊接热影响区；低温冲击韧性

0 引言

海洋工程装备和高技术船舶主要涵盖海洋资源开发装备、海洋空间开发资源装备、综合试验检测平台、高技术船舶和核心配套设备等领域，开发高性能海洋装备是我国探索海洋资源的迫切需求和必由之路。50～70 mm厚的高强度低合金钢（High Strength Low Alloy， HSLA）广泛应用于海洋资源开发装备、液油管道等领域的大型钢焊接结构，为了保证HSLA钢的服役性能，不仅需要提高其力学性能，还要保障其焊接性能、耐腐蚀性能等。由于焊接工时占建造总工时的30 %以上，采用大线能量焊接可以显著提高HSLA钢的焊接效率，缩短焊接工时，但会造成钢板焊接热影响区（Heat Affected Zone， HAZ）的组织异常粗化，尤其是形成粗晶热影响区（Course-Grain Heat Affected Zone， CGHAZ），导致该区域的强度和韧性变差，成为整个构件性能最薄弱，最容易断裂的部位。

自20世纪90年代由日本学者首次提出氧化物冶金技术后，目前已发展到第三代，即利用强脱氧剂如Mg、Ca、Ti、Zr以及稀土元素对钢液进行脱氧的技术。该技术的关键点在于添加强脱氧剂后，钢液中形成的细微夹杂物能够抑制奥氏体晶粒的长大，并且部分夹杂物能促进晶内针状铁素体（Intragranular Acicular Ferrite， IAF）的形核，以此来改善大线能量焊接厚钢板HAZ组织的低温韧性。该技术目前已得到广泛应用并作为改善厚板HAZ组织性能的有效手段。

Mg作为第三代氧化物冶金技术的关键脱氧剂得到了广泛的研究，其基本原理是添加Mg元素后，Mg系夹杂物如MgO、MgS、MnS及其复合夹杂物等能够钉扎奥氏体晶界，抑制CGHAZ晶粒长大并促进晶内IAF生长，从而改善CGHAZ的低温冲击韧性。田俊等对Mg脱氧钢中硫化物的研究发现，Mg脱氧后最终得到的是以Mg-Al夹杂物为核心，MnS为包裹层的复合夹杂物。朱浩然等进一步对Mg脱氧后的45钢夹杂物进行研究，发现在45钢中加入Mg后，MnS在凝固末期会以镁铝尖晶石为异质形核核心，形成MgO·Al2O3-MnS的复合夹杂物。作者团队进一步对比Al脱氧、Ca脱氧和Mg脱氧钢中夹杂物的研究发现，采用Al脱氧工艺析出的夹杂物尺寸较大、数量较少，主要包括Al2O3和CaO-Al2O3复合夹杂物；Ca脱氧工艺析出的夹杂物主要为尺寸在3 μm以下的表面包裹MnS的铝酸钙复合夹杂物；而Mg脱氧工艺则能够生成大量尺寸在1 μm左右弥散分布的MgO和以MgO为核心，表面有TiN和MnS析出的复合夹杂物。可见，向钢中添加Mg元素可以有效将钢中大型难熔夹杂物改性为细小、弥散的复合夹杂物，并且相较于Al脱氧和Ca脱氧，Mg脱氧后的效果更优。关于CGHAZ中诱发IAF形核的夹杂物种类，前人进行了大量的研究。表1总结了Mg脱氧条件下诱发IAF形核的夹杂物类型。由表1可知，能够诱导IAF形核的夹杂物主要以中心为氧化物并被硫化物包裹形成的复合夹杂物，尺寸主要在2～3 μm。由Mg脱氧引入的大量微小夹杂物具有分割晶粒并且能诱发产生IAF，阻碍晶粒的长大从而提高抵抗裂纹扩展的能力。

上述对前人的研究工作总结了Mg脱氧钢中诱发IAF形核的有效夹杂物，但是关于Mg脱氧对HSLA钢大线能量焊接CGHAZ的夹杂物、微观组织和低温冲击韧性的工业试验研究仍然很少。因此，本文开展了180 t的工业试验，针对Mg脱氧对HSLA钢大线能量焊接条件下CGHAZ中夹杂物、显微组织和低温冲击韧性的影响进行了研究，揭示了CGHAZ的低温冲击韧化机理，为HSLA厚板钢的脱氧工艺和成分设计，焊接HAZ夹杂物，微观组织控制以及低温冲击韧性改善提供理论与试验依据。

1 试验方法

工业试验在沙钢炼钢厂转炉、LF、RH和连铸生产线进行，随后在沙钢轧钢厂进行轧制，钢包钢液量为180 t。转炉出钢后，先在LF进行脱硫和温度调控，然后在RH加入钛铁进行合金化，RH处理后加入镁合金进行镁处理。控制中间包钢水过热度约为20 ℃，连铸结晶器厚度为320 mm， 宽度约2 000 mm， 连铸拉速0.65 m/min。连铸坯在加热炉加热后进行粗轧，压下率大于30 %；然后进行精轧，压下率大于30 %；随后从760 ℃到400 ℃左右进行快速冷却，冷却速度约为10 ℃/s。最终板坯厚度为60 mm。

试验用钢的化学成分如表2所示，根据Mg含量将试验钢命名为M23钢。试验钢的力学性能如表3所示。在试验钢板1/4厚度和1/4宽度位置处取规格为11 mm×11 mm×71 mm的焊接热模拟试样。采用Gleeble 3800热模拟试验机对试样进行焊接线能量为200 kJ/cm的焊接热模拟试验，试验条件如表4所示。试验钢自然冷却至室温，得到以焊点为中心区域的焊接热影响区（HAZ）。再将经过焊接热模拟试验后的试样加工成10 mm×10 mm×55 mm的标准冲击试样并在焊接中心区域加工出V型缺口。按照GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》冲击试验标准进行HAZ低温冲击试验，测试温度为-20 ℃。在冲击试验之后，采用EVO-18扫描电子显微镜对低温冲击试验断口进行分析。对粗晶热影响区（CGHAZ）进行标准磨抛，并采用4 %的硝酸酒精溶液腐蚀出试样的显微组织，然后使用金相显微镜、SEM、EDS、全自动夹杂物分析系统（Inclusion Automatic Analysis System， IAAS）进行CGHAZ组织、夹杂物显微表征观察。

2 试验结果

2.1 冲击断裂韧性

试样在200 kJ/cm大线能量焊接条件下进行热模拟试验，并测量了CGHAZ -20 ℃低温冲击功，如表5所示。可以明显看出，M23钢在200 kJ/cm焊接热输入条件下CGHAZ的-20 ℃冲击吸收功良好，平均值为204 J。

M23钢在200 kJ/cm焊接线能量下CGHAZ的冲击断口如图1所示，该图是冲击功为215 J冲击样的断口。宏观断口呈现明显塑性变形，经计算，纤维区断面占比约为74 %，解理断面占比约为26%。对M23钢断口的纤维区进行微观SEM观察，如图1b所示，呈现不同大小的韧窝，表现出典型韧窝断裂的特征。对M23钢断口的解理断面进行显微SEM观察，呈现河流花样、扇形花样、撕裂棱等准解理断裂的特征，如图1c所示。

2.2 CGHAZ组织

M23钢在200 kJ/cm焊接后的CGHAZ组织如图2所示。在200 kJ/cm焊接线能量下，原奥氏体晶界不清晰，不能准确表征原奥氏体晶粒（PAG）的尺寸。然而，M23钢CGHAZ中诱发生成了大量呈放射状的晶内针状铁素体（IAF）组织，此外，CGHAZ中也生成了晶界铁素体（GBF）以及呈平行分布的侧板条铁素体（FSP）等组织。IAF的长度约在几十微米左右，而宽度约在十几微米左右。

2.3 夹杂物解析

为探究其冲击韧性、CGHAZ组织演变的机理，对M23试验钢在200 kJ/cm大线能量焊接后的CGHAZ夹杂物进行解析。钢样中典型夹杂物的形貌及成分如图3所示。M23钢中MgO夹杂物呈现长条状，长约5 μm， TiN-MgS夹杂呈现典型的方形形貌，是含Mg的复合夹杂。夹杂物的形貌各异，如有类圆型、水滴型的MgO等，方型的Mg-Ti复合夹杂、MgO-TiN夹杂等，以及存在大尺寸的MgO-CaS复合夹杂。

对于M23钢中的夹杂物利用夹杂物自动分析仪（IASS）进行统计分析，统计面积约为4.6 mm2，检测到的夹杂物数量为551个，进行统计的夹杂物尺寸均在0.2 μm以上。统计结果表明，钢样的夹杂物平均尺寸为1.80 μm， 数量密度为117个/mm2。图4分别表示M23钢样中所检测到的夹杂物类型，以及相应夹杂物的平均尺寸和数量密度，同时对0.2 μm以上的夹杂物尺寸分别进行了统计。从图中夹杂物类型的统计结果可以明显看出M23钢中的Mg-Ti-Mn-S复合夹杂的数量密度最大，大约为20个/mm2，平均尺寸约为2 μm。另一方面，对M23钢的夹杂物进行尺寸统计，夹杂物尺寸在1～3 μm的占比最多，尺寸超过4 μm的夹杂物占比有13 %。

对M23试验钢进行200 kJ/cm线能量的焊接热模拟试验，对CGHAZ进行了显微组织观察和夹杂物解析。在-20 ℃低温冲击条件下，M23钢的CGHAZ低温冲击功为204 J，而且M23钢的断裂方式为韧性断裂。这是因为M23钢在200 kJ/cm焊接线能量下的CGHAZ中诱发生成了大量呈放射状的IAF组织。IAF的长度约在几十微米左右，而宽度约在十几微米左右。

对M23钢CGHAZ夹杂物种类及平均尺寸进行统计，如图4所示，发现含量最多的夹杂物是Mg-Ti-Mn-S复合夹杂，该复合夹杂的平均尺寸约为2 μm。胡春林等以及Kong等通过研究Mg-Ti复合脱氧对IAF析出行为的影响均发现，MgO-Ti2O3-MnS是IAF作为形核位点析出的夹杂物，而且夹杂物的形核最佳尺寸为2 μm， 而且Kong等研究发现是因为夹杂物周围形成了贫锰区（Mn-depletion zone）从而促进了IAF组织的形成。因此，在本试验中，由于MgO-Ti2O3-MnS夹杂物大量生成且平均尺寸为2 μm左右，所以M23钢的CGHAZ组织中诱发生成了大量的IAF。本团队过去的研究比较了不同Mg含量对船板钢HAZ组织的影响中发现，当Mg质量分数在27×10-6时，CGHAZ组织中生成了大量的IAF，而当Mg含量为0时，CGHAZ中的组织主要为上贝氏体（UBs）、GBF以及FSP等脆性组织。Li等同样研究了不同Mg含量对Al脱氧低碳钢中IAF析出的影响发现，当Mg质量分数从0逐渐升高至8×10-6，再到26×10-6，试验钢中IAF的占比随着Mg含量的升高而显著提升。因此，M23钢在200 kJ/cm焊接线能量下CGHAZ中，由于存在大量的Mg-Ti-Mn-S夹杂，诱发生成了较多的IAF组织。

3 结论

通过200 kJ/cm焊接热模拟试验研究了Mg脱氧HSLA钢的焊接粗晶热影响区（CGHAZ）夹杂物、组织及-20 ℃低温冲击韧性，得出以下结论：

1）在200 kJ/cm焊接线能量条件下，Mg脱氧钢CGHAZ中的Mg-Ti-Mn-S复合夹杂数量密度最大，约为20个/mm2，其平均尺寸约为2 μm。在200 kJ/cm焊接线能量条件下，CGHAZ中诱发生成了发达的IAF组织，-20 ℃低温冲击值为204 J，断裂方式为韧性断裂。

3）在200 kJ/cm焊接条件下，由于Mg脱氧钢CGHAZ中生成了大量的Mg-Ti-Mn-S夹杂物，这种类型夹杂物可以诱发生成大量的IAF，所以显著提高了CGHAZ的低温冲击韧性。

本文摘自《炼钢》2024年第2期