铝对大线能量焊接条件下HSLA焊接热影响区粗晶区M-A组元及冲击韧性的影响

于 磊，王红鸿，汪兴隆

（武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉430081）

0 前言

大线能量焊接技术已经广泛应用于基础设施、海洋平台、航空等众多领域[1-2]。低合金高强度钢在大线能量条件下焊接热影响区粗晶区的韧性恶化已经成为国内外研究的热点[3]。大量研究表明[4-6]，合金元素对低合金高强度钢在大线能量条件下焊接热影响区粗晶区的韧性提高有明显影响，例如铌、钒、钛可在焊接热循环过程中产生大量析出物钉扎晶界，起到细化晶粒的作用[4]；铌、硅能够改变M-A组元的形貌和含量[5]，铌还可以促进针状铁素体的形成等[6]。低合金高强度钢焊接热影响区粗晶区内往往出现晶粒粗大的粒状贝氏体，并且在铁素体板条上析出M-A组元。M-A组元的含量及形貌对于粗晶区的韧性有很大影响。

铝元素通常作为钢中的脱氧剂使用。有研究表明[7]，加入适当的铝可以析出AlN，能有效地钉扎奥氏体晶界，但是加入过多的铝会引起组织粗大。铝不溶解于渗碳体当中，添加适当的铝可以促进奥氏体的稳定性[8]，铝元素对M-A组元内部组织产生的影响的研究较少。在此研究铝元素在大线能量条件下是否会影响M-A组元的内部组织、含量，从而对冲击韧性产生影响。

本研究采用热模拟实验模拟100 kJ/cm线能量下低合金高强度钢热影响区粗晶区组织，通过统计扫描电镜图片得到M-A组元的体积分数，分析透射电镜下M-A组元内部的组织变化。同时对模拟的大线能量焊接热输入下粗晶区的力学性能进行分析。

1 试验材料与方法

实验材料是实验室炼制的在X70管线钢化学成分的基础上添加不同Al含量（0.027%、0.038%、0.070%)，其他化学成分列于表1中。试样尺寸10mm×10 mm×70 mm。实验热模拟工艺：升温速率300℃/s，峰值温度1 350℃，峰值温度停留时间3 s。焊接热模拟线能量为100 kJ/cm。将完成热模拟实验的试样尺寸加工成10 mm×10 mm×55 mm，进行低温（-20℃）冲击韧性测试。

表1 试验用钢的化学成分Tab.1 Chemical compositions of specimens %

热模拟试验后的试样经粗磨、精磨、抛光后用4%的硝酸酒精腐蚀，在扫描电镜下对M-A组元进行分析。利用Photoshop和Image-Pro统计扫描电镜图片上的M-A组元，利用透射电镜分析M-A组元内部组织。

2 实验结果

2.1 不同铝含量下的M-A组元分析

铝含量为0.038%和0.070%的样品的焊接热影响区粗晶区的M-A组元透射电镜图以及对应区域的衍射图谱如图1所示。图1a和图1b分别展示了2#、3#样品在亮场下的M-A组元，由衍射图谱分析得知图中箭头标示的黑色区域为奥氏体。M-A组元由残余奥氏体和不同取向的马氏体板条组成。对比图1a和图1b可知，w（Al）=0.070%的样品M-A组元内部残余奥氏体较多，而w（Al）=0.038%的样品M-A组元内部残余奥氏体较少，大部分都已经转变为马氏体。

图1 在透射电镜下的M-A组元内部组织转变及衍射图谱Fig.1 Transmission electron micrographs showing the structure of M-A constituents

图2为铝含量分别为0.027%、0.038%和0.070%的样品的焊接热影响区粗晶区扫描电镜图片以及利用Image-Pro软件统计的M-A组元的体积分数。由图2可知，薄片状或岛状的M-A组元分布在铁素体基体中，随着铝含量从0.027%升高到0.038%和0.070%，M-A组元明显减少，连续长片状M-A组元减少，短片状和颗粒状M-A组元增多。M-A组元的体积分数统计结果显示，试样中铝含量从0.027%升高到0.038%和0.070%时，M-A组元的体积分数从5.67%减少至3.96%和3.27%。不同尺寸的M-A组元所占比例的统计结果显示，试样中铝含量从0.027%升高到0.038%和0.070%时，不同尺寸M-A组元所占比例都有不同程度的减少，并且尺寸大于3 μm的M-A组元所占比例降低的幅度较大。

图2 铝含量分别为0.027%、0.038%和0.070%的焊接热影响区粗晶区扫描电镜图片以及利用Image-Pro软件统计的M-A组元的体积分数

2.2 不同铝含量下焊接热影响区粗晶区力学性能

热模拟试样的低温冲击韧性值如表2所示，结果表明随着铝含量从0.027%增加到0.038%和0.070%时，冲击吸收功平均值从78 J增加到233 J和299J，可见冲击值提高效果十分明显。对于铝含量为0.070%的样品，因为试验机的最大量程为300 J，其冲击值有可能还高于300 J，并且误差很小，冲击值比较稳定。

表2 低温（-20°C）冲击试验结果Tab.2 Results of Charpy impact toughness of CGHAZ at-20℃

3 讨论

在较小冷却速度条件下，碳从奥氏体晶内向晶界处扩散形成的富碳区，在温度降低至马氏体开始转变点以下时，形成M-A组元[9]。铝是促进铁素体形成的元素[8]，并且能抑制渗碳体的析出[10]，使更多碳原子在高温条件下聚集到富碳区。

铝含量从0.027%增加到0.038%和0.070%时，提高了铁素体开始转变点[8]，在铁素体转变过程中加快了碳原子从奥氏体晶内向晶界处富集的速率。铝原子难溶于渗碳体中，使铁素体转变过程中的碳原子更多的以固溶的形式分配到残余奥氏体当中[10]。因此，更多的碳原子聚集到奥氏体晶界处富碳区使其碳原子浓度更高，使富碳区域在组织中所占比例减小。增加残余奥氏体中的碳含量，提高了奥氏体向马氏体转变的势能垒，提高其在室温下的热稳定性[11]，因此增加铝元素可以促进更多的残余奥氏体保留至室温。由于富碳区域在组织中所占比例减小，冷却至室温时，整体的M-A组元体积分数减少，M-A组元的尺寸减小。试样中组织为粒状贝氏体，因此MA组元的含量成为影响粗晶区韧性的重要因素，M-A组元体积分数减少，焊接热影响区粗晶区韧性明显提升。

4 结论

本研究对低合金高强度钢中添加铝元素在大线能量焊接条件下焊接热影响区粗晶区M-A组元的体积分数、内部组织进行了统计和分析，并且总结出M-A组元的含量是影响试验中焊接热影响区粗晶区韧性的关键因素。在100 kJ/cm线能量下，铝含量从0.027%增加到0.038%和0.070%时，M-A组元内部残余奥氏体含量升高，且M-A组元的含量减少，韧性明显提升。在大线能量焊接条件下，添加适当的铝元素可以有效减少粗晶区M-A组元的含量，明显提高焊接热影响区粗晶区的冲击韧性。

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