Cr 对镍基焊条熔敷金属静力韧度的影响

罗 震 ，武钰栋 ，马成勇，齐彦昌，张 禹

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072；3. 钢铁研究总院，北京 100081，4. 清华大学机械工程系，北京 100084)

随着清洁高效能源液化天然气(LNG)在全球的推广，作为 LNG 产业链中重要一环的 LNG 储罐越来越受到各国的重视[1-2]．经过热处理后的 9 Ni 钢显微组织是低碳马氏体和残余奥氏体，具有良好的低温韧性，是制备 LNG 储罐的重要材料[3-5]．9 Ni 钢的焊接也是 LNG 储罐制备的关键环节．焊条电弧焊简易方便，适合多位置焊接，是焊接9 Ni 钢储罐的不错选择．因此，9 Ni 钢焊条的研制经历了长足的发展．

镍基焊条因其具有与 9 Ni 钢相近的热膨胀系数和优良的低温韧性，成为了焊接 9 Ni 钢最主要的材料[6-7]．镍基焊条的高镍性保证其熔敷金属具有优良的低温韧性，加入的 Mn、Mo、Nb、Ti、Cr 等多种合金元素有固溶强化、细晶强化和沉淀强化等作用，保证其有合适的强度．吴智武等[8]研究了合金元素对镍基焊材熔敷金属性能的影响，发现：Cr 有利于塑性的提高，Mn 和 Mo 有利于强度的提高．Di 等[9]对元素的偏析及凝固路径进行了分析，发现 Cr 元素分布均匀．Dupon[10]对镍基合金焊接冶金和焊接性进行了研究，发现镍基熔敷金属组织包括γ相、第二相以及NbC 和 Cr23C6等碳化物．镍基焊条的元素组成及含量影响熔敷金属的塑性和韧性，决定了 LNG 储罐焊接接头的性能．因此，分析合金元素对塑性和韧性的影响机理至关重要．

形变诱导相变在新材料的研发过程中占有极其重要的作用．奥氏体型材料在形变过程中发生形变诱导相变，在保证强度的同时，提高了材料的塑性[11].众多新材料的研制都运用了形变诱导相变的原理．TWIP 等高强钢凭借其优异的塑性和强度广泛应用于汽车车身[12-13]．NiTi 记忆合金因通过相变诱导马氏体相变得到优异性能，因此它被广泛应用于生物和航空等领域[14-15]．

我国的LNG 产业处于高速发展阶段，实现LNG储罐的国产化已经变得刻不容缓[16-17]．我国已经能自主生产LNG 储罐用9 Ni 钢，但对9 Ni 钢镍基焊材的研制却有所落后，成为制约行业发展的瓶颈[18-20].本文对两种不同合金成分的镍基焊条进行焊接实验，对焊接后的熔敷金属进行分析，通过形变诱导相变的机理解释其塑性和韧性差异的原因，为日后的研究提供思路．

1 实验材料及方法

实验使用的板材是QT 态的9 Ni 钢，化学成分为9.35 Ni-0.05 C-0.45 Si-0.62 Mn(%，质量分数)，余量为Fe，微观组织是回火马氏体．实验使用了 A、B 两种型号的焊条，即 A1、A2、B1 和 B2．B 型焊条大幅度提升了Cr 元素的含量，降低了Mo 元素和Ni 元素的含量．因为要保证镍基焊条熔敷金属的低温韧性，Ni元素含量不能降低很多，所以降低了Mo 元素的含量.

焊接采用多层多道焊的方式，坡口及焊道分布如图 1 所示．焊接电压为 25 V，电流为 130 A，焊接速度为 220 mm/min．利用化学法测量各类焊缝熔敷金属的元素组成．制备金相时，在实验研磨抛光后，A型焊条试样采用 10%铬酸腐蚀剂在电压 3 V、电流1 A 的条件下电解腐蚀1 min，洗净吹干．B 型焊条试样采用 10%草酸腐蚀剂在电压 10 V、电流 1 A 的条件下电解腐蚀45 s．利用奥林巴斯GX51 光学显微镜进行金相观察和采集．使用VH-5 维氏硬度计从熔敷金属根部焊道到表层焊道进行硬度实验，载荷 49 N，加载时间为10 s，打点间距1 mm．

静力韧度是静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功，数值近似地等于钢的拉伸曲线所包围的面积，它是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的配合．按照《焊接接头拉伸试验方法》(GB/T 2651—2008)标准，利用 WE-300液压万能拉伸机对制备好的熔敷金属进行拉伸试验，之后计算拉伸曲线与位移轴的积分面积．在 A2、B2型焊条熔敷金属拉伸前及拉伸断裂后断口附近取样，进行背散射电子衍射测试(EBSD)．A 型焊条熔敷金属的 EBSD 试样用 6 V 电压电解抛光 5 s，B 型焊条熔敷金属的 EBSD 试样用 19 V 电压电解抛光 18 s，电解抛光液均为 10%的高氯酸．制样完毕后，使用电子背散射衍射一体化系统仪器进行实验．拉伸断裂后的试样清洁洗净后，在 EVO 型扫描电镜(SEM)观察其断口形貌．按照《焊接接头拉伸试验方法》(GB/T 2650—2008)标准，采用 JBZ-300B 型自动冲击实验机对制备好的熔敷金属标准样在-196 ℃下进行示波冲击实验．

图1 坡口及焊道分布Fig.1 Schematic diagram of groove and weld bead

2 实验结果与讨论

2.1 显微组织及硬度

表1 列出熔敷金属的化学成分．B 型焊条对应焊缝比A 型焊缝含有更多的Fe 元素和Cr 元素，而Mo元素的含量有所降低．图 2 为 4 类焊条熔敷金属的显微组织金相图，由图2 可知4 类焊条熔敷金属的显微组织是由γ相树枝晶组成．镍基焊材通过加入Cr、Mn、Mo 和Nb 等合金元素，在保证低温韧性的同时，提高了镍基焊材的强度和塑性．因此，镍基焊材有较多的第二相γ′、γ″及碳化物 MC、M6C、M23C6[10]．图 3为 4 类焊条熔敷金属的维氏硬度分布．熔敷金属根部位置焊道硬度较大，这是由于根部位置冷却速度快，而上层焊道冷却较慢．同时观察到A 型焊条的平均硬度也大于 B 型焊条，这是因为 B 型焊材中 Mo含量下降，导致熔敷金属的强度和硬度下降[8]．

表1 不同焊条熔敷金属的化学成分Tab.1 Chemical composition of weld metal with different electrodes %

图2 熔敷金属的显微组织金相图Fig.2 Metallography of weld metal

图3 熔敷金属硬度分布Fig.3 Hardness distributions of weld metal

2.2 拉伸实验分析

图 4 为熔敷金属的拉伸曲线．表 2 为 4 种焊条熔敷金属相应的力学性能指标．A 型焊条熔敷金属的屈服强度比 B 型高，这与 Mo、Mn 等元素的固溶强化作用有关[7]．A1 焊材的塑性和抗拉强度的不足，是因为A1 中Nb 含量相对较低．在合理的范围内Nb元素有细化枝晶作用，可以提高熔敷金属的力学性能[21-23]．从曲线中可以看出，A 型焊缝对应的塑性段较短，即在拉伸力达到最高点时会急剧下降，说明其塑性较差；而 B 型焊缝在拉伸力达到最大后为缓慢下降的过程，且熔敷金属 B 型两类焊材的断后伸长率均大于A 型焊材，说明B 型焊条比A 型焊条熔敷金属的塑性好．同时计算得出 B 型焊条的静力韧度大于A 型焊材．

图4 熔敷金属拉伸实验载荷-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves from tensile test of weld metal

表2 不同焊条熔敷金属的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of weld metal with different electrodes

图5 为A2 和B2 的拉伸前后熔敷金属的EBSD实验结果．图 5(a)、(b)分别为 A2 焊条熔敷金属拉伸前 EBSD 图和拉伸断裂后断口附近 EBSD 图．图5(c)、(d)分别为 B2 焊条熔敷金属拉伸前 EBSD 图和拉伸断裂后断口附近 EBSD 图．图 5(a)、(c)中组织均为 fcc 的 γ 相，而在图 5(b)、(d)中出现了 bcc 组织(绿色标记)．对比图 5(a)、(c)、(b)和(d)可以发现，Ni 基焊材熔敷金属在拉伸实验形变过程中，均有fcc 组织向 bcc 组织转变的过程，这有利于塑性的提高[24]．表 3 为实验材料拉伸实验前后的 fcc 组织和bcc 组织的比例，B2 中 bcc 组织比例高于 A2 中 bcc组织比例，证明了 Cr 有利于奥氏体在形变过程中向马氏体相变．所以，形变诱导相变保证了B 型焊条熔敷金属拥有良好的塑性和静力韧度．B 型焊材 Cr 含量高，有较高的静力韧度，在拉伸过程中，应力集中会诱导 fcc 结构的γ相发生 bcc 转变，而且当相变完成后又会在其他区域发生相变，当材料相变量达到一定平衡才会发生断裂[25]．

图5 熔敷金属拉伸实验前后相分布Fig.5 Phase distributions before and after tensile test of the deposited metals

表3 EBSD实验结果Tab.3 Experimental EBSD results %

图6 为熔敷金属拉伸实验断口SEM 图．可以发现 A 型焊材熔敷金属的拉伸断口的形貌特征为韧窝和解理相混合，而 B 型熔敷金属的拉伸断口为韧窝形貌，这进一步证明了含 Cr 量较高的焊材具有优异的塑性．

图6 熔敷金属拉伸实验断口SEM图Fig.6 SEM images of fractures in tensile test of weld metals

2.3 低温冲击试验分析

图 7 为-196 ℃时 A1、A2、B1 和 B2 试样示波冲击实验的力-位移曲线．4 种焊材的熔敷金属冲击实验过程中，当实验力达到最大后都有缓慢下降的过程，它们没有明显的失稳扩展过程，证明实验所用焊材都有较为优良的低温韧性．计算 4 种焊材的熔敷金属各自的冲击功，即冲击曲线所围成的面积．A1、A2、B1、B2 焊条所对应的-196 ℃的冲击功分别为77 J、76 J、59 J 和 55 J．A 型焊材熔敷金属的冲击功大于 B 型．这是因为 Ni 含量下降，导致低温韧性下降[26-27]．

图7 -196 ℃熔敷金属示波冲击实验力-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of weld metals obtained from -196 ℃ charpy instrumented impact tests

3 结 论

(1) 镍基焊条熔敷金属的显微组织为奥氏体树枝晶，枝晶间分布有第二相和碳化物．熔敷金属硬度在焊根处较大，在表面较小．

(2) 含 Cr 和 Fe 元素较高的焊条熔敷金属有较高的静力韧度，在拉伸过程中 fcc 的γ相容易发生形变诱导相变，生成bcc 相．含Cr 和Fe 高的B 型焊材熔敷金属有较好的塑性．

(3) 高的 Cr 和 Fe 元素含量熔敷金属的低温冲击功下降，低温冲击韧性较差．