高强塑性低密度高锰钢的TIG焊接接头显微组织及力学性能

吴志强，李华英，李 娟 ，封思理 ，卢立伟

（1.湖南科技大学材料科学与工程学院，湖南 湘潭411201；2.太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 前言

随着高铁工业迅速的发展，高铁用钢也面临安全、环境、资源、能源及成本等方面的挑战。为解决这一问题，轻量化成为现代运载工具发展的重要趋势。通过向高强塑性高锰钢中添加一定比例的铝元素，在合金成分优化与热处理工艺控制的基础上，得到其他钢种不具备的低密度、耐蚀性和高强韧性组合的新型高铁行业钢材，成为现代运载工具用钢研究的热点[1-2]。因此，高强塑性低密度钢的开发对未来高铁生产有重要影响，有望在未来高铁结构件上得到广泛应用。但是，高强塑性低密度钢的研究才刚起步，尚有很多问题需要解决[3-4]。

低密度高锰钢是一种具有高强度和优异塑性的新型轻量化高碳高合金耐磨钢，但是Al含量和碳当量含量都很高，焊接接头容易发生淬硬和焊接裂纹[5-6]，同时由于高的Al含量，焊接接头容易发生碳迁移，形成带状铁素体组织，降低焊接接头的组织连续性，影响焊接接头的力学性能和耐蚀性[7]，因此如何保证高碳高铝含量的低密度高锰钢焊接接头性能成为研究的焦点。选用氩气保护焊接低密度高锰钢，保护效果好，烧损合金元素少，电弧稳定，焊接热输入量小，生产效率较高[8]。为此，采用TIG焊接方法，研究低密度高锰钢焊接接头组织和力学性能，为提高焊接接头性能提供理论基础。

1 实验材料和方法

两种实验钢采用真空感应炉冶炼，化学成分见表1。实验钢经开坯后在φ450 mm热轧机上轧制成2 mm厚度的板材。

表1 实验钢的化学成分和密度

焊接试样为热轧态，尺寸100mm×50mm×2mm，采用ER50-6碳钢焊丝对8Al和10Al钢进行TIG焊对接焊接试验。TIG焊试验参数为焊接电流80 A、电弧电压14V、焊接速度1.0 cm/s。焊接后的金相样品经苦味酸溶液腐蚀后采用Leica DMIRM型光学显微镜观察金相组织。随后将制得的金相样品磨平后进行机械抛光，并按如图1所示的位置测试显微维氏硬度。首先，依据焊件中心线确定硬度测试位置P2；然后，在中心线的垂直方向上下间隔5mm处确定位置P1和P3分别测试显微硬度，使用涂明光学显微维氏硬度测试仪，施加100 g力并保持10 s进行测试。

图1 实验钢焊接接头硬度测试点示意

2 实验结果和分析

2.1 显微组织分析

试样焊接前的母材组织如图2所示，主要是热变形奥氏体组织，在奥氏体晶粒内部出现大量致密变形带组织。由图2还可以看出，在10Al钢中有少量带状铁素体组织分布于奥氏体基体，表明该系列Fe-Mn-Al-C低密度高锰钢，Al含量达到10%时出现奥氏体和铁素体双相组织，这与相图计算的结果相符，如图3所示。Al元素的增加也促进母材的晶粒尺寸得到细化。高温退火后可获得无变形的奥氏体组织，这种钢在变形过程中通过平面位错滑移一方面进行位错增殖，另一方面形成的细微位错带结构细化奥氏体晶粒，提高其应变硬化能力，使得该钢种具有高的强度和优异的塑性[9]，如表2所示。Al元素固溶于合金基体也会引起晶格畸变，导致晶格膨胀，可以有效降低高锰钢的密度。同时由于铝的原子序数较小，原子量较小，使得材料实际密度进一步下降。Ishida等人[10]建立了一个高铝高锰钢密度的计算模型，材料密度的计算式为

式中 Difcc为面心立方元素的密度；xi为元素体积分数。

由式（1）计算得：8Al实验钢密度为7.0 g/cm3，10Al实验钢密度为6.8 g/cm3，较纯铁密度ρ=7.9 g/cm3分别降低了约11.2%和14.1%，表明该系列钢具有较好的减重效果。

图2 8Al和10Al钢热轧组织

表2 实验钢的力学性能

焊接后的焊接接头附近的宏观照片如图4所示，由图4可知，采用较小热输入量的TIG焊接方法可以较好地控制焊件的变形。采用氩气保护焊接方法，可以较好地保护熔池，焊件表面无飞溅，焊接接头外观形貌较好。

焊接接头的金相组织如图5所示。焊道内部无气孔、夹杂以及未焊透等缺陷，焊缝边缘熔合良好。8Al和 10Al钢母材（base metal，BM）、熔合区（fusion zone，FZ）、热影响区（HAZ）、焊缝区（weld zone，WZ）和过渡区（transition zone，TZ）的显微组织如图5所示。可以看出，焊缝区是典型的柱状晶组织（图5中的WZ和TZ），TIG焊时热源较为集中导致局部温度过高，在熔合区与未熔合区过渡的熔合线形成较大过冷度，并且在垂直于熔合线方向散热最快，所以与熔合线垂直的晶粒较易向液相生长，最先深入熔池形成与熔合线垂直的柱状晶（图5中的TZ）。

在焊接过程中，熔合区（图5中FZ）的热量密度仅次于焊缝区，在高密度热源作用下，8Al和10Al钢发生熔化，其合金元素和焊缝区元素发生相互扩散，当母材中碳的化学位或活度大于焊缝填充金属中碳的化学位或活度时，碳原子将自发地由熔合线母材一侧向焊缝一侧扩散迁移，导致熔合区形成脱碳层，在高温极短时间内碳的迁移完成后快速凝固，形成铁素体-奥氏体类或珠光体-奥氏体组织（图5中的TZ和FZ）。

靠近熔合区的热影响区存在晶粒粗大现象（图5中HAZ1），并且远离焊缝区的奥氏体晶粒细小（图5中HAZ2和HAZ3），这是由于该区域集聚大量的热量导致完全再结晶晶粒发生长大，根据霍尔-佩奇关系，晶粒尺寸越小，材料强度越高，由此可见，远离焊缝区的HAZ形成的细晶组织有利于接头力学性能。在靠近母材区域还出现部分再结晶区（图5中的10Al钢HAZ）。由图5还可以看出，8Al钢的热影响区组织由单相奥氏体组成，10Al钢的热影响区组织由少量分布的带状铁素体和等轴状奥氏体组成。

图3 8Al和10Al钢相图计算

图4 8Al和10Al钢焊接接头宏观照片

2.2 焊接接头硬度

焊接接头沿焊缝中心距离的显微硬度分布曲线如图6所示。由图6可知，焊件中心区域及其附近硬度值分布趋势相似。焊缝区、熔合区和热影响区硬度值区别较为明显，焊缝区平均硬度低于HAZ和母材，焊缝区平均硬度207 HV。随着距焊缝中心距离的增加，硬度值随之升高，在熔合区硬度值增加较为明显，硬化现象显著，主要是由于焊缝区填充金属为低合金焊丝，熔合区为低碳钢和高合金高锰钢过渡区，随着合金元素含量的增加，固溶强化效果增强。靠近熔合区的焊接接头HAZ存在过热导致晶粒粗大现象，远离焊缝区的奥氏体晶粒细小，导致硬度值逐步提高。随着Al含量的升高，熔合区和HAZ的焊接接头硬度值升高，这是由于合金元素的固溶强化和Al元素增加导致的晶粒细化共同作用所致。

3 结论

（1）低密度高锰钢TIG焊焊缝区以柱状晶组织为主，并且优先垂直于熔合线方向生长，8Al钢的热影响区组织由单相奥氏体组成，10Al钢的热影响区组织由少量分布的带状铁素体和等轴状粗大奥氏体组成。

（2）焊缝区的硬度较低，这是由于采用了低碳钢焊丝，合金元素含量较低。靠近焊缝区的焊接接头HAZ存在晶粒粗大现象，远离焊缝区的奥氏体晶粒细小，导致硬度值升高。

图5 8Al和10Al钢焊接接头显微组织

图6 8Al和10Al钢焊接接头显微硬度变化曲线

（3）随着Al含量的升高，HAZ区域出现少量带状铁素体分布于奥氏体基体，熔合区和HAZ的焊接接头硬度值升高，这是由于合金元素的固溶强化和Al元素增加导致的晶粒细化共同作用所致。

参考文献：

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