Zr对EH36船板显微组织和冲击性能的影响研究

冷 菊，邓 涛

（1.清远市互联网融合发展促进中心；2.清远市创蓝节能环保有限公司，广东清远 511500）

前言

随着海上贸易及运输量的不断增多，船舶大型化正逐渐成为船舶制造业的主流趋势，因此船舶用钢也朝着高强度和大厚度的方向发展。船舶制造标准的不断提高，使得传统焊接工艺的效率不足以满足快速制造大型船舶的要求，因而大于50 kJ/cm的大线能量焊接得到了广泛应用。但大线能量焊接在提高焊接效率的同时，将会导致焊接热影响区组织的恶化，出现上贝氏体和侧板条铁素体等不良组织，裂纹在这样的组织处很容易扩展，从而使得钢板焊接处的韧性降低[1]，目前这一问题已成为制约国内外船舶用钢制造业发展的突出瓶颈。为了有效解决大线能量焊接导致的钢组织恶化问题，国内外学者进行了长期的研究探索，上世纪70年代以来，氧化物冶金技术的提出为这一问题的解决提供了新思路，氧化物冶金是指在炼钢过程中添加Ti、Ca 等合金元素，使钢中生成尺寸细小、弥散分布、成分可控的氧化物夹杂，利用这些高熔点的氧化物夹杂，使其钉扎奥氏体晶界，从而阻碍奥氏体晶粒的粗化[2]，细化奥氏体晶粒。

此外作为其他析出相的形核点，这些细小夹杂物可以促进具有大角晶界的晶内针状铁素体形核，晶内铁素体呈交叉互锁状，一方面可以细化铁素体晶粒，另一方面可以分解主裂纹的应力，抑制裂纹的扩展，使得焊接热影响区表现出良好的强韧性[3]。

1 Zr在氧化物冶金技术中的应用

研究发现，采用Ti、Ca 等元素进行合金化处理虽然可以促进钢中氧化物的生成，但因生成的氧化物种类繁多，且颗粒大小控制较为困难，因而有益夹杂物对晶界的钉扎以及对晶粒的细化作用发挥不明显，所以目前亟待向钢中添加一种合适的合金元素进而发挥氧化物冶金技术的优势作用。Zr 作为一种高熔点金属，其表面具有很好的亲氧能力，较易形成细小氧化物夹杂，同时Zr 的氧化物种类较为单一，因此Zr 作为氧化物冶金技术的添加元素应用在改善钢组织性能上具有一定的可行性。

本文旨在通过向普通EH36 船板钢中添加Zr元素，以探究Zr 对EH36 船板显微组织和冲击性能的影响，以及其氧化物冶金作用机理。

2 试验材料和方法

2.1 试验样品的制备

试验使用材料为我国某钢铁企业生产的EH36船板，材料分别为普通EH36 船板和添加Zr 元素的EH36 船板，钢板制备工艺流程为：转炉钢水冶炼—LF 精炼—RH 真空处理—喂线（添加Zr）—连铸—TMCP（热机械控制过程）轧制，其化学成分如表1所列。

表1 试验用钢板的化学成分(＊：10-6，其他：质量分数/%)

轧制板利用特定的热模拟试验装置在试样上造成与实际焊接过程相同或相近的热循环，使得试样的金相组织与所研究的焊接热影响区的特定部位的组织相同或近似，以此方法得到焊接热模拟钢板。本试验采用的热模拟设备为Gleeble-3800热模拟试验机，输入线能量为680 kJ/cm，得到的焊接热模拟钢板通过线切割方法得到用于显微组织观察和力学性能检测的普通EH36 船板焊接热模拟试样、Zr 添加EH36 船板焊接热模拟试样，编号分别为1#和2#试样。

2.2 显微组织观察

将1#和2#试样分别切割成8mm×8mm×6mm后进行热镶嵌，在自动磨样机上进行磨平、抛光，抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀10～15 s 后，在蔡司AXIO Imager M2m 型金相显微镜下进行显微组织的观察。同时对有益氧化物夹杂引起的细化晶粒部位通过场发射扫描电镜进行观察，以进一步发现氧化物冶金的作用机理。

2.3 力学性能检测

将1#和2#试样分别加工出标准夏比V 型试样，编组分别为冲击1#和冲击2#，每组3 个样品，加工试样尺寸为55mm×10mm×10mm，试样缺口位于中心部位，缺口深度为2 mm。采用SANS-ZBC2452-C 全自动摆锤冲击试验机按GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行-40 ℃冲击试验。

3 结果与分析

3.1 冲击性能分析

两组样品的冲击试验结果如表2 所示，普通EH36 船板钢-40 ℃横向冲击功为292 J，Zr 处理钢板-40 ℃横向冲击功为331 J。据文献表明，普通EH36 船板钢未经大线能量焊接时冲击功可达380J[4]，由此可知大线能量焊接使得普通EH36 船板钢韧性显著降低；同时添加Zr 元素的EH36 船板在大线能量焊接条件下具有更高的冲击功值，表现出了更好的力学性能。

表2 普通及Zr添加EH36船板钢冲击试验结果

3.2 微观组织分析

微观组织结构见图1。采用大线能量焊接，容易引起钢组织晶粒的粗化.从图1(a)中可以明显看出，采用680 kJ/cm 的超大线能量进行焊接时，普通EH36船板钢由于受到大的焊接热输入影响，导致焊接热循环的冷却过程时间增长，从而奥氏体有足够的时间粗化长大，奥氏体晶粒粗大，该区域主要由晶界铁素体和贝氏体组成，当裂纹经过此区域的板条贝氏体时直接沿着板条扩展，能量吸收较少，裂纹很容易扩展[4]，因此韧性较差，力学性能显著恶化。

Zr 元素的添加对大线能量焊接EH36 船板钢组织具有改善作用。从图1（b）中可以看出Zr 元素的添加对模拟焊接热影响区的原奥氏体晶粒的大小改善明显。通过电子探针方法测量奥氏体晶粒尺寸得知，普通EH36 船板钢试样的奥氏体晶粒平均尺寸是760 µm，而Zr添加EH36 船板钢试样的奥氏体晶粒平均尺寸是435 µm，，奥氏体晶粒得到细化，其长大趋势得到抑制。通过力学性能试验可知，Zr 的添加使得EH36 船板钢获得了较好的韧性，这是因为Zr 的添加使得钢中生成了尺寸细小、弥散分布、成分可控的ZrO2夹杂作为硫化物、氮化物等异相析出形核点，以改变钢的组织和晶粒度，使钢材具有优异的韧性、较高的强度尤其是优良的焊接性能，使钢中夹杂物变害为利。在焊接热循环的冷却过程中，利用这些高熔点的氧化物夹杂，使其钉扎奥氏体晶界，从而阻碍奥氏体晶粒的粗化[5]。此外ZrO2作为其他析出相的形核点，有效促进具有大角晶界的晶内针状铁素体在夹杂物上的形核，其能有效阻止裂纹扩展，由于其相邻的晶粒位向差较大，晶内铁素体呈交叉互锁状，这种组织细化了铁素体晶粒，同时抑制裂纹的扩展，当裂纹经过针状铁素体时，扩展方向发生改变，主裂纹进入奥氏体晶粒内部遇到针状铁素体时，在可视平面内产生了更为细小的分支路径，这些细小裂纹宽度减小，或从针状铁素体边界扩展，或者横穿针状铁素体，或者绕过针状铁素体，这些变化过程中，分支裂纹分解了主裂纹的应力，在随后的裂纹扩展中，应力集中程度均会小于原主裂纹的应力[6]，使裂纹扩展能力减弱，宏观表现出良好的强韧性[7]。

图1 热输入量680 kJ/cm、200倍下的显微组织

通过场发射扫描电镜对添加Zr的EH36 船板钢样品进行观察可知，Zr 元素的添加将促使EH36 船板钢中生成包括ZrO2在内的氧化物，如图2所示，(a)图为样品中生成的ZrO2有益夹杂，（b）图为样品中生成的MgO 夹杂，从图2 中可以看出细小的有益夹杂ZrO2将可以有效钉扎奥氏体晶界，细化晶粒，抑制晶粒长大，从而改善韧性[8]，而其他种类的夹杂物则未发挥明显的钉扎、细化晶粒作用。

图2 氧化锆对原奥氏体晶界的钉扎

4 结束语

本实验以普通EH36 和含Zr 的EH36 船板为研究对象，通过对其热模拟试样进行显微组织观察和冲击性能测定可得到以下结论：

（1）在大线能量焊接条件下，EH36 船板钢由于大线能量热循环而产生粗大奥氏体等不良组织，导致韧性降低的现象，冲击功由平均380 J 降低到292 J。

（2）Zr 的添加将有助于EH36 船板钢中生成尺寸细小、弥散分布、成分可控的ZrO2夹杂，形成的ZrO2夹杂将成为异质形核点，钉扎奥氏体晶界，细化钢组织和晶粒度，添加Zr 的EH36 船板钢晶粒尺寸较普通EH36 船板钢晶粒尺寸缩小325 µm，有效控制了晶粒的长大。

（3）EH36船板钢中生成的ZrO2夹杂有助于晶内生成交叉互锁的针状铁素体，抑制裂纹拓展，减缓钢板出现的韧性恶化现象，添加Zr 的EH36 船板钢冲击功达到331 J，比未添加Zr的普通EH36 船板钢提高39 J。