船板钢第二相粒子在大热输入焊接热循环中的变化

刘芳芳 付魁军 王佳骥 及玉梅 蒋健博 韩严法

(海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山 114009)

传统船板在大热输入焊接后，焊接热影响区(HAZ)尤其是粗晶区(CGHAZ)的奥氏体晶粒严重长大，造成此区域性能，特别是冲击韧性明显下降[1- 3]。因此，如何有效阻止HAZ奥氏体晶粒长大是船板钢研究的一个重要内容。阻止奥氏体晶粒长大的方法有多种，其中最有效的方法是向钢中添加微合金元素，一般为Nb、Ti等，引入第二相粒子，利用第二相粒子钉扎奥氏体晶界，从而阻止奥氏体晶粒长大[4- 9]。

本文以一种大热输入焊接用EH40船板钢为研究对象，利用焊接热模拟技术和萃取复型技术研究了该钢HAZ区性能、奥氏体晶粒长大情况及第二相粒子的形状、尺寸、数量等，分析了不同热循环条件下，第二相粒子在焊接热循环中的变化。

1 试验材料及方法

试验材料为鞍钢生产的大热输入焊接用EH40船用钢，其化学成分如表1所示。

将试验用钢加工成尺寸11 mm×11 mm×100 mm的试样，在Gleeble- 3800热模拟试验机上进行焊接热模拟试验，采用的焊接热模拟制度为：循环峰值温度Tm为1 350 ℃，800 ℃冷却至500 ℃，冷却时间t8/5分别为50、150、200和400 s。

表1 试验用钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

萃取复型所用试样取自热模拟试样均温区的中心部位。萃取碳膜的制备步骤为：(1)将试样表面打磨平整并抛光；(2)利用喷碳仪在试样抛光面上喷一层约200 nm厚的碳膜；(3)将碳膜划成2 mm×2 mm的网格并用10%的硝酸酒精溶液浸泡，直至碳膜从试样表面剥离；(4)将剥离下来的碳膜在酒精中漂洗，用铜网捞取、晾干后进行观察。

利用TecnaiG220型透射电镜观察分析第二相粒子的形貌、尺寸、数量等，采用EDS分析粒子的成分。每个试样所统计的视域不少于20个。

采用加少量活性剂的饱和苦味酸水溶液显示奥氏体晶界，采用截线法测量奥氏体晶粒尺寸。

2 试验结果

2.1 CGHAZ中粒子变化

利用透射电镜对碳膜萃取复型试样进行分析，结果表明，不同热循环制度下的试样中均存在大量的第二相粒子，绝大多数呈长方形，如图1(a)～1(d)所示。在各个试样中随机抽取若干第二相粒子进行EDS分析，结果表明，全部为(Ti,Nb)(C,N)粒子，典型的EDS图谱如图1(e)所示(注：图中的Cu元素峰值表征的是试验中所使用的铜网中的Cu，可忽略)。

图1 热影响区中第二相粒子的形貌及EDS图谱Fig.1 TEM morphologies of particles in HAZ and their EDS spectrum

不同焊接热循环制度下第二相粒子的数量、尺寸及分布的统计结果如图2所示。图中d为粒子平均直径，N表示单位面积上的粒子数量。从图中可以看出：经历了t8/5=50 s的焊接热循环后，热模拟CGHAZ中的粒子平均尺寸仍然较小，约为26.75 nm。每平方微米碳膜上的粒子数量为10.1个。从粒子的尺寸分布看，小于30 nm的粒子占绝大多数。这种小尺寸的第二相粒子能有效阻止奥氏体晶粒的粗化。之后，随着热循环冷却时间的延长，粒子的平均尺寸逐渐增大，单位面积内的粒子数量减少。当冷却时间t8/5=400 s时，CGHAZ的粒子平均尺寸已增大至44.7 nm，而单位面积上的粒子仅为3.6个。但总体上看，仍然是30～50 nm的小尺寸粒子占绝大多数。

图2 热影响区中第二相粒子尺寸及分布Fig.2 Size and distribution of particles in HAZ

2.2 CGHAZ的奥氏体晶粒长大

图3为经过不同焊接热循环后的CGHAZ的奥氏体晶粒尺寸。t8/5为50 s时，奥氏体晶粒平均尺寸为18.76 μm。t8/5增至150 s时，奥氏体晶粒的平均尺寸为35.78 μm。即使t8/5=400 s时，奥氏体晶粒的平均尺寸也仅为44 μm。可以看出，随着t8/5时间的延长，奥氏体晶粒长大速度非常缓慢。图3还显示了一种成分与试验钢很接近的钢(不含微合金元素，其主要成分为0.08%C- 0.25%Si- 1.30%Mn- 0.011%P- 0.002%S，以下简称对比钢)的CGHAZ奥氏体晶粒尺寸。从图3中可以看出，当t8/5为50 s时，对比钢HAZ奥氏体晶粒尺寸约为80 μm，随着t8/5的延长，奥氏体晶粒显著长大。在同样焊接热循环条件下，对比钢CGHAZ中的奥氏体晶粒尺寸显著大于试验钢的。这说明，在焊接热循环过程中，试验钢中的第二相粒子有效阻止了奥氏体晶粒的长大。

3 分析与讨论

3.1 CGHAZ中的第二相粒子

在焊接热循环的加热过程中， 试验钢中的第二相粒子随着温度的升高而不断溶解。一般来说，尺寸越小的第二相粒子，其形成温度也越低，且与大尺寸第二相粒子相比，小尺寸第二相粒子的比表面积(表面积与体积之比)更大，其稳定性也差，在热循环过程中更容易溶解并消失。相应地较大尺寸的粒子是在高温下形成的，稳定性较高，在热循环的加热过程中不会完全溶解，且会通过Ostwald机制长大[5]，其成分还将随热循环加热温度的升高和高温停留时间的延长而不断变化。因此，经历了焊接热循环后试验钢中的第二相粒子数量减少，且粒子平均尺寸增大。

图3 试验钢和对比钢经不同焊接热循环后的CGHAZ奥氏体晶粒尺寸Fig.3 CGHAZ austenite grain size of test steel and contrast steel after different welding heat cycles

在焊接热循环过程中，第二相粒子的溶解与长大与焊接热循环工艺有关。焊接冷却时间t8/5越长，试样在高温停留时间就越长，粒子的溶解程度也就越大，消失的小尺寸粒子数量越多，残留粒子的平均尺寸也越大。因此，随着t8/5的延长，粒子数量逐渐减少，而平均尺寸逐渐增大。

图1(e)的EDS分析结果表明，试验钢中第二相粒子为复杂的复合型粒子，由NbC、NbN、TiC、TiN化合物粒子组成。一般说，在同样的加热条件下，这些粒子的溶解程度是依次减小[5]，即TiN粒子在高温下的稳定性最好。因此，在焊接热循环过程中，残留粒子的成分逐渐接近TiN，形状也呈长方形。而各个尺寸粒子的成分也呈现出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的规律。对试验钢中不同尺寸的粒子成分进行了统计，结果如图4所示，可见验证了上述这一规律。

图4 试验钢中不同尺寸粒子的成分分布Fig.4 Composition distribution of particles of different size in the tested steel

3.2 第二相粒子对HAZ奥氏体晶粒尺寸的影响

第二相粒子可对奥氏体晶界产生钉扎从而阻止奥氏体晶粒长大，粒子的钉扎力可通过式(1)计算：

(1)

式中：K为常数，f为粒子的体积分数，r为粒子的半径(nm)。

从式(1)可以看出：粒子的数量越多，其尺寸越小，则粒子对原始奥氏体晶界的钉扎力越大。焊接热循环过程中，因发生溶解及长大，粒子的数量减少，而平均尺寸增大，即f减小而r增大，这使得粒子对于奥氏体晶界的钉扎作用发生变化。试验钢的HAZ中存在大量的小尺寸第二相粒子，虽然随着t8/5时间的延长，粒子经过了溶解及长大，但即使是经过t8/5=400 s的焊接热循环，试验钢的HAZ中仍存在大量的小尺寸第二相粒子，对晶界的钉扎作用明显，有效抑制了奥氏体晶粒的长大。而经历了同样焊接热循环制度的对比钢，由于没有第二相粒子的钉扎作用，HAZ中奥氏体晶粒长大严重。

4 结论

(1)适合大热输入焊接的EH40船板钢试样经不同制度焊接热循环后，CGHAZ中均存在大量的(Ti,Nb)(C,N)粒子，粒子呈长方形。

(2)焊接热循环的冷却速度较高，即t8/5=50 s时，粗晶区中的小尺寸第二相粒子较多，对奥氏体晶界的钉扎作用较大，奥氏体晶粒长大过程得到有效抑制。随着热循环的冷却速度下降，即t8/5逐渐延长，第二相粒子发生溶解及长大，导致粒子数量逐渐减少且平均尺寸逐渐增大，对于奥氏体晶界的钉扎作用逐渐减小，奥氏体晶粒尺寸逐渐增大。但即使在t8/5=400 s的焊接热循环条件下，试验钢中仍存在大量的小尺寸粒子，对奥氏体晶粒的长大起到了有效的抑制。

(3)在焊接热循环过程中，钢中第二相粒子的成分逐渐发生变化，呈现出了大尺寸粒子中Ti含量高，小尺寸粒子中Nb含量高的规律。

[1] 孙占，黄继华，张华，等. 微合金EH40型船板钢大热输入焊接接头组织和力学性能[J]. 焊接学报，2009，29(3)：41- 44.

[2] STRID J, EASTERLING K E.On the chemistry and stability of complex carbide and nitrides in microalloyed steels[J]. Acta Metallurgica, 1985, 33(11)：2057- 2074.

[3] LOGERG B, NORDGREN A, EASTERLING K E, et al. The role of alloy composition on stability of nitride in Ti microallyed steel during weld thermal cycling[J]. Metallurgical Transactions A, 1984, 15(1)：33- 41.

[4] NAKANISHI M, KOMIZO Y, SETA I. Improvement of welded HAZ toughness by dispersion with nitride particles and oxide particles [J]. Journal of the Japan Welding Society, 1983, 52(2)：117- 124.

[5] 陈茂爱，唐逸民，楼松年，等. 焊接热循环对Ti- Nb- V微合金钢焊接中第二相粒子的影响[J]. 机械工程学报, 2000, 36(10)：99- 103.

[6] 舒玮，王学敏，李书瑞，等. 含Ti复合第二相粒子对微合金钢焊接热影响区组织和性能的影响[J]. 金属学报，2010,46(8):997- 1003.

[7] 郑英杰，薛东妹，柴锋. 大线能量焊接DH36钢焊接热影响区组织与性能研究[J]. 上海金属, 2010,32(2)：30- 33.

[8] 尹桂全, 高甲生, 洪永昌, 等. 微量Ti对焊接热影响区奥氏体晶粒长大倾向的影响[J].上海金属, 1998, 20(1):24- 28.

[9] 杨汉, 王西霞, 曲锦波. E550船板钢焊接热影响区的组织和性能[J]. 钢铁研究学报, 2013,25(11):35- 41.