热输入对09MnNiDR钢焊接热影响区粗晶区组织和韧性的影响

李金梅，杨兆庆，梁小武，张建晓，雷万庆，曹 睿

(1.兰州兰石检测技术有限公司，兰州 730314；2.兰州理工大学材料科学与工程学院，省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；3.兰州兰石重型装备有限公司，兰州 730314)

0 引 言

钢铁材料焊接结构在管道、桥梁、汽车等领域得到了广泛应用。在钢铁材料焊接性方面，国内外研究人员都已进行了大量研究[1-2]。但是，随着钢铁材料强度的不断提升，化学成分和显微组织都发生了变化，同时钢板厚度也在不断增大以满足更高的服役要求。为提高焊接效率、降低生产成本，在保证焊接接头性能的前提下，使用大热输入焊接已成为厚板焊接的发展趋势。但大热输入焊接也带来了新的问题，其中焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)韧性的恶化成为了研究的焦点。热影响区粗晶区受焊接热输入的影响最为严重，是焊接接头的薄弱区域[3-4]，解理裂纹更倾向于在这个区域萌生[5]。过大的热输入极易导致粗晶区形成大量多边形铁素体以及脆性马氏体-奥氏体(M-A)组元[6-8]，成为引发焊接接头早期断裂的主要原因。因此，研究不同热输入尤其是大热输入下热影响区粗晶区组织和性能的变化规律，对制定合理的焊接工艺具有重要意义。在实际焊接接头中，热影响区粗晶区是一个狭小的微区，无法采用常规方法测试该区域的力学性能。通过计算机热源控制模拟实际施焊时焊接接头某个微区所经历的加热温度、峰值温度、冷却时间等，可以将此微区的组织在尺寸较大的试样上重现，从而较为方便地研究其组织和性能。因此，研究者大多采用热模拟方法制备出大尺寸热影响区试样，再采用常规方法研究热影响区的性能。

09MnNiDR钢是一种低温压力容器用钢，主要应用于石油、化工设备和低温储罐制造等，其焊接加工主要以埋弧焊为主。焊接接头的性能一直是压力容器制造过程中的关键指标，而热影响区粗晶区的脆化问题尤为突出。然而目前，有关09MnNiDR钢焊接方面的研究主要集中在某个热循环参数下焊接热影响区组织和性能变化及焊后热处理温度的控制等方面[9-13]，对于不同热循环参数下最薄弱的热影响区粗晶区的组织和韧性的变化机制尚不清楚。作者采用热模拟技术制备了09MnNiDR钢热影响区粗晶区试样，研究了大热输入对热影响区粗晶区组织和冲击韧性的影响，拟为09MnNiDR钢工业焊接工艺的制定提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为09MnNiDR钢板，厚度为60 mm，由兰州兰石重型装备有限公司提供，化学成分见表1，显微组织见图1，主要由块状铁素体(BF)组成。该钢-70 ℃下的平均冲击吸收能量为276 J，平均维氏硬度为172 HV。

图1 09MnNiDR钢的显微组织Fig.1 Microstructure of 09MnNiDR steel

表1 09MnNiDR钢的化学成分Table 1 Chemical composition of 09MnNiDR steel %

在1/4板厚处取尺寸为70 mm×11 mm×11 mm的热模拟试样，长度方向垂直于轧制方向。使用Gleeble-3800型热模拟试验机进行热模拟试验以制成CGHAZ试样。采用Rykalin3-D数学模型确定厚钢板的热循环曲线，其中加热速率为130 ℃·s-1，峰值温度为1 320 ℃，峰值温度停留时间为1 s，焊接热输入分别为20，25，30，50，100 kJ·cm-1，不同热输入对应的t8/5(从800 ℃降至500 ℃所需的时间)根据Rykalin-3D数学模型计算得到，依次为14.1，17.5，21.2，35.3，70.7 s。

在CGHAZ试样上取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样，经体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀10～15 s，用Quanta450FEG型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。采用过饱和苦味酸溶液腐蚀出原始奥氏体晶粒边界，用SEM拍摄图片，使用ImageJ软件测量原始奥氏体晶粒的长度和宽度，将2个参数的平均值定义为奥氏体晶粒尺寸。使用HAT-1000A型数字显微硬度计测定显微硬度，载荷为0.98 N，加载时间为15 s。

将CGHAZ试样加工成标准V形缺口冲击试样，缺口位于热电偶点焊位置，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm。使用JBW-300C型微机控制摆锤冲击试验机进行-70 ℃的低温夏比冲击试验。采用Quanta450FEG型扫描电子显微镜观察冲击断口形貌。根据文献[14]，将冲击断口起裂源前沿分为3个区域，如图2所示，分别为呈现韧窝形态的塑性裂纹扩展区(SCL)、SCL至缺口的延伸区(SZW)和起裂源正上方至塑性裂纹尖端的塑性裂纹失稳扩展区(Xf)。统计这3个区域沿裂纹扩展方向的长度，建立其与冲击吸收能量的关系。

图2 冲击断口区域划分示意Fig.2 Diagram of area division on impact fracture

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图3可以看出，在试验给定的热输入下，CGHAZ试样中原始奥氏体晶粒内的组织形态为不同形状的白色M-A组元分布在灰黑色的铁素体基体上，并且均出现了粒状贝氏体(GB)。20 kJ·cm-1热输入下，CGHAZ试样的显微组织以粒状贝氏体和板条贝氏体(LB)占主导，随着热输入的增大，板条状贝氏体比例减小，M-A组元分布变得没有方向性，边界不清晰，即粒状贝氏体增多；此外，随着热输入的增大，M-A组元的形态从点状、长条状逐渐向块状转变，亦即M-A组元的数量减少，尺寸增大；当热输入为100 kJ·cm-1时，CGHAZ试样的显微组织以粒状贝氏体和块状铁素体为主。

图3 不同热输入下CGHAZ试样的显微组织Fig.3 Microstructure of CGHAZ samples at different heat inputs

由图4可知：随着热输入的增大，CGHAZ试样中原始奥氏体晶粒尺寸大于100 μm的比例先减小后增大，整体粗化显著。当热输入分别为20，25，30，50，100 kJ·cm-1时，平均奥氏体晶粒尺寸分别为61.2，47.5，59.3，88.1，108.7 μm，最大奥氏体晶粒尺寸分别为142，115，140，198，255 μm。平均奥氏体晶粒尺寸随热输入的增加先减小后增大。

图4 不同热输入下CGHAZ试样的原始奥氏体晶粒尺寸分布Fig.4 Prior austenite grain size distribution of CGHAZ samples at different heat inputs

2.2 对维氏硬度的影响

由图5可知，随着热输入的增加，CGHAZ试样的维氏硬度逐渐降低。结合显微组织分析可知，不同热输入下贝氏体与铁素体比例的不同导致了硬度的差异。由已有研究结果可知，铁素体的硬度大多在100～200 HV，贝氏体的硬度大多在230～300 HV。当热输入较低时，由粒状贝氏体和板条贝氏体组成的组织表现出更高的硬度，20 kJ·cm-1热输入下CGHAZ试样的硬度最高，为314.7 HV；随着热输入的增加，块状铁素体比例的提高削弱了组织的硬度，CGHAZ试样的硬度降低；当热输入增加到100 kJ·cm-1时，由粒状贝氏体和块状铁素体组成的复合组织硬度较低，CGHAZ试样的硬度降至245.3 HV。

图5 CGHZA试样的硬度随热输入的变化曲线Fig.5 Hardness vs heat input curve of CGHAZ samples

2.3 对冲击性能的影响

由图6可以看出，CGHAZ试样的-70 ℃冲击吸收能量随热输入的增加呈现先增大后减小的趋势，冲击韧性的变化范围并不大，在7.6～23.6 J之间。根据GB 3531-2014，CGHAZ试样的冲击韧性不满足压力容器用钢板的韧性要求，冲击韧性发生严重恶化。当低碳低合金钢接头CGHAZ出现大量由粒状贝氏体和铁素体组成的复合组织时，其韧性会严重恶化[15-16]。随着热输入的增加，CGHAZ试样组织从主要由粒状贝氏体和板条贝氏体组成转变为由粒状贝氏体和块状铁素体组成，而块状铁素体具有良好的冲击韧性，因此推测，粒状贝氏体组织是CGHAZ试样韧性恶化的主要原因。已有研究[17-19]认为，奥氏体晶粒尺寸越细小，缺口试样的冲击韧性也越好。随着热输入的增加，09MnNiDR钢CGHAZ的原始奥氏体晶粒尺寸先减小后增大，当热输入为25 kJ·cm-1时原始奥氏体晶粒尺寸最小；原始奥氏体晶粒尺寸的变化与冲击吸收能量的变化正好成反比。因此，原始奥氏体晶粒尺寸是导致不同热输入下冲击韧性变化的主要因素。

图6 CGHAZ试样的冲击吸收能量随热输入的变化曲线Fig.6 Impact absorbed energy vs heat input curve of CGHAZ samples

不同热输入模拟CGHAZ试样的宏观冲击断口几乎都呈解理断裂特征，在缺口根部附近存在面积极小的韧性断裂区。由图7可以看出：不同热输入下，CGHAZ试样起裂源处冲击断口的微观形貌差异不大，均存在粗大的解理面，表现为完全的解理断裂。在试验给定的热输入下，所有CGHAZ试样冲击断口上塑性裂纹扩展区域和延伸区的长度极小，亦即冲击断口上几乎不存在塑性裂纹扩展区和延伸区，说明所有试样的韧性都极差。虽然不同热输入下的冲击吸收能量差异很小，但是解理断裂区域面积有大有小。当试样韧性较好时，冲击吸收能量与延伸区+塑性裂纹扩展区的长度呈线性相关；而当延伸区+塑性裂纹扩展区的长度较短时，冲击吸收能量取决于起裂源到塑性裂纹失稳扩展区域的长度(xf)。由图8可以看出，xf越长，CGHAZ试样的韧性越好，亦即解理断裂区域的面积越小，裂纹达到失稳状态越困难。

图8 CGHAZ试样的冲击吸收能量和xf的关系Fig.8 Relationship between impact absorbed energy and xf of CGHAZ samples

3 结 论

(1)随着热输入的增加，09MnNiDR钢CGHAZ的显微组织从粒状贝氏体+板条贝氏体逐渐转变为粒状贝氏体+块状铁素体，硬度逐渐降低；不同热输入下CGHAZ的韧性均不满足要求，其韧性恶化的原因是由于存在粒状贝氏体组织。

(2)随着热输入的增加，CGHAZ中原始奥氏体晶粒先减小后增大，试样的冲击吸收能量先增大后减小，当热输入为25 kJ·cm-1时，原始奥氏体晶粒尺寸最小，冲击吸收能量最大。不同热输入下原始奥氏体晶粒尺寸的变化是影响CGHAZ韧性的主要因素。