Ni、Mn对埋弧焊焊缝金属组织和韧性的影响

王东坡，巴凌志，张 智，齐书梅，李 磊

Ni、Mn对埋弧焊焊缝金属组织和韧性的影响

王东坡1，巴凌志1，张 智2，齐书梅3，李 磊3

(1. 天津大学材料与科学工程学院，天津 300350；2. 天津大学机械工程学院，天津 300350；3. 天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司，天津 301616)

研究了不同Mn、Ni含量对低合金高强钢(HSLA)焊缝金属组织和冲击韧性的影响，采用6种自制的焊材对低合金高强度钢多道多层埋弧焊焊接，使焊缝金属成分分别达到0.9%、1.2%、1.6%Mn和1.0%、1.5%、2.6%Ni．经过夏比冲击、硬度试验及光学显微镜、扫描电镜分析，对熔敷金属的组织、性能进行研究．结果表明：柱状晶区组织以针状铁素体和先共析铁素体为主，再热区组织主要为多边形铁素体和少量的脆性第2相，如珠光体、马奥组元等；由于大晶界密度的降低，从柱状晶区组织到再热区组织的硬度值逐渐降低；Mn、Ni元素均能通过改变淬透性，降低A1转变温度，促进针状铁素体的生成，且Ni元素对针状铁素体的促进作用大于Mn；过多Mn元素的添加会导致再热区产生大量的脆性第2相如珠光体、马奥组元等，提供裂纹萌生质点，降低起裂吸收功，且脆性第2相网状分布，降低裂纹扩展自由能，恶化冲击韧性；Ni元素抑制大尺寸粒状贝氏体析出，大部分多变形铁素体转变成边界不规则的转多边形铁素体，大角度晶界增加，大大阻碍了裂纹的扩展，并且Ni固溶于铁素体基体中，韧化了基体，从而增加裂纹萌生功；脆性温度转变曲线中，Si-Mn-Ni合金系熔敷金属的脆性转变温度均低于Si-Mn合金系，而上平台冲击韧性低于Si-Mn合金系，Ni的添加大大改善了焊缝金属的低温冲击韧性．

Mn-Ni；低合金高强钢；冲击韧性；针状铁素体

随着油气资源勘探领域向更深、更冷的海域拓展，海洋用钢的力学性能尤其是低温韧性的重要性日益凸显，低温韧性优良的高强钢板的需求量将大大增加[1-3]．一般来说，420MPa级别的HSLA钢的焊缝组织为针状铁素体、先共析铁素体及少量珠光体、贝氏体等．焊缝中获得大量的针状铁素体是HSLA钢焊缝强韧化的一种主要方式[4]．

目前高强钢焊接材料设计中，药芯焊丝因其具有成分易于调节、焊接速度快、焊缝成形好、焊接质量高等优点而成为研究的热点，尤其是较高的合金过渡系数使其非常有利于实现焊缝金属的合金化[1]．本文研究针对420级海洋用钢的组织与性能要求，通过药芯焊丝成分的合理设计，通过改变药粉中Mn、Ni的含量来探索焊缝金属中Mn、Ni元素对冲击韧性的影响规律，深入研究其对焊缝组织针状铁素体形成的作用机理，为高强高韧焊丝的国产化提供一定的设计思路与参考．

1 试验方法

依据EH36钢高强度、低温韧性的技术要求，使用低碳Si-Mn和Si-Mn-Ni合金体系设计了6种埋弧焊焊材．Si-Mn合金体系使用AWS EM12K和AWS EH14两种标准的焊丝搭配3种焊剂，Si-Mn-Ni合金系使用3种自制直径为4mm的药芯埋弧焊丝搭配TMF 105焊剂，具体焊材信息详见表1．依据实际焊接要求，焊接电流 550A，电压30V，焊接速率25m/h．

参照美国焊接协会标准 AWS A5.17/5.17M分别对焊接接头进行取样(如图1所示)．采用德国斯派克 LABLAVM10 直读光谱仪对焊缝金属成分测定，氧氮分析采用德国埃尔特 ONH 2000分析仪．并按国家标准，在-74～0℃范围进行冲击试验．维氏硬度是从顶层焊缝的柱状晶区测到重结晶区，冲击缺口和硬度压痕位置详见图2．取焊缝整个截面制备金相试样，用体积分数4%的硝酸酒精腐蚀．重结晶区的相比例在光镜500倍下测量，晶粒尺寸采用线截距法测得，使用带有EDS系统的扫描电镜(SEM)对冲击断面和夹杂物尺寸分布进行定性分析，用电子背散射衍射(EBSD)分析晶界角度分布．

表1 焊接材料的成分及碱度

Tab.1 Chemical composition and basicity of welding con-sumables

图1 试件取样布置(单位：mm)

图2 测试试样分布位置

2 试验结果和讨论

2.1 焊缝金属化学成分和组织分析

表2给出了6个试件熔敷金属的化学成分，Mn1～Mn3焊缝金属的Mn含量和碳当量依次递增，而Ni1～Ni3焊缝金属保持碳当量在0.31左右，Ni含量递增，其他元素的化学成分与设计值基本一致．

表2 熔敷金属的化学成分

Tab.2 Chemical compositions of deposited metals

6种试件末道焊的柱状晶区组织类型均一致，图3给出了Ni2的末道焊柱状晶区组织，主要为大量交叉分布的针状铁素体(a)、沿原奥氏体晶界分布的先共析铁素体()、从原奥氏体晶界向晶内扩展的呈羽毛状的侧板条铁素体(W)和少量的珠光体(P)、粒状贝氏体(GB)、马奥组元(MA)等[5-6]．

图3 焊缝金属柱状晶区显微组织

在100×光镜下，统计出6种焊缝柱状晶区的针状铁素体(AF)的体积分数，如图4所示．两种合金系下，AF的体积分数均随着Mn和Ni含量的增加而增多，并且Ni对AF的促进作用强于Mn[5,7]．这是由于Mn和Ni元素均为奥氏体稳定元素，增大原奥氏体的晶粒尺寸，而AF主要是在原奥氏体的晶内形成；并且增加Mn、Ni含量，降低→转变温度，使CCT曲线右移，促进AF的生成[8]．

图4 末道焊缝针状铁素体的体积分数

6种不同Mn-Ni含量焊缝接头的再热细晶区的组织见图5，主要由多边形铁素体(PF)、准多边形铁素体(QPF)、珠光体(P)和粒状贝氏体(GB)组成[6,9].随着Mn、Ni含量的变化，细晶区的晶粒尺寸几乎没有变化，如表3所示． Mn含量的增加，促进了P的生成，且P的分布趋势随Mn的增加呈方向性的长条状贯穿再热区．而Si-Mn-Ni合金系的第2相是沿着铁素体边界析出的弥散的GB，且焊缝中Ni含量增加，GB分布愈加弥散，尺寸减小，体积分数下降．此外，块状的多边形铁素体变成了边界不规则大角度的准多边形铁素体．表明Ni改变了再热区的组织形状，抑制了GB的生成．

图5 焊缝金属重结晶区显微组织

表3 重结晶区的组织和晶粒尺寸

Tab.3 Microconstituents and grain size in reheated zone

2.2 力学性能

2.2.1 硬度

图6为6个末道焊缝从柱状晶区到重结晶区的硬度折线，可知两种合金系的显微硬度从柱状晶区到重结晶区逐渐下降，出现软化过程[10]．并且Si-Mn-Ni合金系低、中、高Ni的硬度都分别比Si-Mn合金系低、中、高Mn的要高．从图6中还可观察到两种合金系的硬度都随着Mn或Ni含量的增加而升高.硬度主要与组织和晶粒尺寸有关[11]，从柱状晶区到重结晶区，由细小的AF转变成大量的块状PF或QPF和少量的P、GB，导致硬度降低．Si-Mn合金系中，Mn增加，碳当量增加，焊缝的淬透性增加，则硬度上升．相较之下，Si-Mn-Ni合金系，Ni含量的增加使GB尺寸减小，分布更加弥散，从而硬度上升．

图6 顶层焊缝的显微硬度

2.2.2 焊缝金属冲击吸收功

图7给出了6个焊接接头-75～0℃的焊缝中心冲击吸收功曲线．在－40℃时，6种试件的冲击吸收功均大于100J，远远大于我国船级社焊接接头－40℃满足47J的要求．这主要是由于这些焊件都满足了合金化和纯净化的要求．首先，氧含量均在400×10-6以下，且氮含量也处于降低水平，达到了焊缝得到最佳冲击韧性的要求．其次，合金配比也达到了改善韧性的优化程度．

图7 不同温度下焊缝金属的冲击吸收功

从图7中可知，Mn含量由0.9%增至1.2%，再增至1.6%，冲击吸收功先增加后降低．低Mn的脆性转变温度为-65℃，高Mn的冲击吸收功在-40℃开始呈线性下降，因此可知，Si-Mn合金系的最佳Mn含量为1.2%左右，与Svoboda等[9]得出的结论一致．这主要是Mn含量增加，促进了柱状晶区AF的增加，AF在HSLA中属于优化韧性，提高强度的优良组 织[12]，但同时也提高了P的含量，而P属于恶化韧性的脆性第2相．因此，在Si-Mn合金系中，为防止过多的P恶化韧性覆盖AF带来的好处，严格控制Mn含量是必须的．而在Si-Mn-Ni合金系焊接接头中，Ni含量1.0%～3.0%时，焊缝中心冲击吸收功随着Ni含量的增加而增加．首先，固溶在铁素体中Ni元素可以韧化铁素体基体，提高裂纹扩展所需的能量，阻碍裂纹扩展．其次，Ni很大程度上促进AF的形成，抑制大尺寸GB的析出．

图8给出了Mn3和Ni3在－65℃下的冲击载荷曲线(黑色)和冲击吸收功曲线(红色)．m为裂纹萌生点，iu为裂纹失稳扩展点，i为裂纹萌生吸收功，p为裂纹扩展吸收功．在－65℃下，Ni3的i、p都远远大于Mn3的，且Ni3裂纹萌发后经过一段稳定扩展阶段，而Mn3载荷到达最值后，没有经历韧脆性扩展阶段，而是直接失稳扩展．以上结果符合图7的脆性转变温度，Ni的脆性转变温度低于－65℃，而Mn3在高于－65℃时已经属于脆性断裂的阶段，即裂纹扩展极少甚至不存在韧性阶段．这是由于过多的Mn会增加再热区P的比例，脆性的P往往会优先成为起裂点．然而Ni的添加使再热区的PF变成不规则的大角度QPF，Ni元素固溶于QPF中，韧化了基体，裂纹萌生需要更多的能量[13-14]．并且Ni促进了AF的生成，而如图9所示，黑色虚线圆圈内为AF，由黑色箭头路径上的晶界角度分布折线图可知细小AF的晶界大部分都是60°的大角度晶界，导致裂纹扩展时产生较大塑性变形．当裂纹扩展遭遇AF时，裂纹扩展路径通常是呈曲折的Z字型，需要更多的裂纹扩展能．

图8 Mn3和Ni3的冲击载荷曲线和冲击吸收功曲线

图9 AF的EBSD分析

3 结 论

(1) Mn和Ni元素增加淬透性，使CCT曲线右移，促进AF的生成，抑制先共析铁素体的长大，并且Ni对AF的促进效果要强于Mn．大角度晶界的AF使裂纹产生较大塑性变形，阻碍裂纹扩展，提升韧性.

(2) Mn元素促进AF形成的同时，也增加了重结晶区脆性第2相P的析出，硬化组织，恶化焊接接头韧性．Ni的添加韧化了QPF基体，抑制了大尺寸GB的生成，显著提高了裂纹萌生和扩展所需的能量.

(3)使用高碱度焊剂，严格控制氧氮含量，在达到纯净化的基础上，调整合金系配比达到最佳韧性. Si-Mn合金系中，当Mn含量为1.2%时，AF与P的体积分数之比最大，得到韧性最优的焊接接头．而在Si-Mn-Ni合金系中，在碳当量为0.31左右时，Ni由1.0%增至2.6%，冲击韧性显著改善，-75℃冲击吸收功由68.4J增至155.4J．

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Effect of Mn and Ni on Microstructure and Toughness of Submerged Arc Weld Metals

Wang Dongpo1，Ba Lingzhi1，Zhang Zhi2，Qi Shumei3，Li Lei3

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；3. Tianjin Metallurgy Group Flourish Steel Industrial Co.，Ltd.，Tianjin 301616，China)

Effects of Mn and Ni content on the microstructure of weld metal and impact toughness of high-strength， low-alloy (HSLA) steel were studied. Deposited metals containing 0.9%，1.2%，and 1.6% Mn and 1.0%，1.5%，and 2.6% Ni are obtained using six types of welding consumables in multi-pass submerged arc welding. The microstructure and mechanical properties of the deposited metals were investigated by the Charpy impact test，hardness test，optical microscope，and scanning electron microscopy analysis. The result shows that the microstructure of columnar zone is dominantly composed of acicular ferrite and grain boundary by allotriomorphic ferrite. The microstructure of welded zone mainly consists of polygonal ferrite with the small amount of brittle alloys or metals，such as pearlite and martensite-austenite (MA) alloys，formed during the second phase. The hardness tends to decrease from the columnar zone to welded zone because of the presence of high-angle grain boundaries. Both Mn and Ni can change the hardenability，lower the A1temperature (eutectoid transformation temperature)，initiate the formation of acicular ferrite，but the acicular ferrite formed by Ni element is of higher quality than that of Mn. Excessive Mn results in the formation of a large amount of brittle alloys at the secondary phase such as pearlite and MA alloys and is responsible for crack formation and its propagation，and thereby deteriorates the impact toughness. The presence of Ni inhibits the precipitation of large-sized granular bainite as most of the polygonal ferrites are transformed into quasi-polygonal ferrite. Moreover，the presence of high-angle grain boundary strongly inhibits the crack propagation，and Ni dispersion in the ferrite alloy increases the toughness of the matrix，thereby decreasing the initiation of crack formation and its propagation. In the ductile to brittle temperature transition curve，the brittle transition temperature of the deposited metal of Si-Mn-Ni alloy will be lower than that of Si-Mn alloy，so the impact toughness of the top surface will be lower than that of Si-Mn alloy，and it shows that addition of Ni greatly improves low-temperature impact toughness of weld metal.

Mn-Ni；HSLA；impact toughness；acicular ferrite

TG422.3

A

0493-2137(2020)12-1308-06

10.11784/tdxbz201908059

2019-08-26；

2019-09-26.

王东坡（1972—  ），男，博士，教授，wangdp@tju.edu.cn.

张 智，zhangzhisy@163.com.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802105)；天津海洋经济创新发展区域示范项目(BHSF2017-10).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2016YFC0802105)，Tianjin Regional Demonstration Project of Marine Economy Innovation and Development(No.BHSF2017-10).

(责任编辑：田 军)