Cu对低合金高强钢熔敷金属有效晶粒尺寸的影响

王爱华, 王晶

(河北石油职业技术大学，河北 承德 067000)

创新点： (1)研究了熔敷金属中Cu含量与有效晶粒尺寸的关系。

0 前言

在传统的高强度合金钢中，加入Cu元素不是为了提高钢的强度，而是为了提高钢的耐腐蚀性[1-3]。自美国将Cu作为合金元素加入钢中,成功开发出Cu沉淀强化钢后，Cu对焊缝金属的强韧化作用成为另一个研究热点[4-6]。材料学理论研究表明：晶粒细化是最为有效的强韧化手段，即可提高金属强度，又可有效阻止裂纹扩展，对金属韧性的提高起着积极作用。而对材料韧性起积极作用的是有效晶粒(晶界取向差≥15°的晶粒)，因为这些晶粒具有最大的界面能，当裂纹通过有效晶粒时，所消耗的能量最大，从而能起到止裂增韧的作用[7]。由于电子背散射衍射(EBSD)技术的应用，使区分晶界的取向差变得容易，为深入研究Cu对组织亚结构的影响提供了方便。

文中采用MIG焊接方法，使用不同含Cu量的焊丝进行施焊，应用EBSD技术研究Cu对低合金高强度钢熔敷金属有效晶粒尺寸的影响，为Cu在高强钢焊缝金属中的应用奠定理论基础。

1 试验材料与方法

母材采用20钢，尺寸为430 mm×205 mm×20 mm，焊丝选用含Cu的690 MPa级实心焊丝，应用MIG焊接方法(95%Ar+5%CO2)进行施焊，焊接工艺参数如下：热输入为20 kJ/cm、焊接电流300 V、电弧电压30 V、保护气体流量20 L/min，施焊完的熔敷金属Cu含量分别为0.052%，0.24%和0.53%，其他元素及化学成分见表1，除Cu元素外其他元素成分差距很小。

表1 熔敷金属化学成分(质量分数，%)

将熔敷金属加工成φ3 mm×0.1 mm的圆片试样，在试样上任选3个面积为50 μm×50 μm的部位进行扫描，扫描步长0.1 μm，应用牛津Oxford Nordlys F+型场发射扫描电镜进行EBSD面扫描，使用EBSD配套的加密软件对扫描数据进行分析，对熔敷金属的有效晶粒尺寸进行统计。熔敷金属微观结构的观察采用H-800透射电镜。试样的取样位置取自最后一道焊缝。

2 试验结果

2.1 熔敷金属的精细结构

图1是不同Cu含量的熔敷金属精细结构，从图中可以看出，熔敷金属主要由板条状结构的贝氏体和马氏体组成，随Cu含量的增加，板条结构变得越来越细小致密。

图1 熔敷金属的精细结构

2.2 熔敷金属的有效晶粒尺寸

熔敷金属中贝氏体和马氏体的精细结构主要是由板条结构组成，对于这种板条结构组织，其亚单元主要是板条束、板条块和板条，而板条束和板条块所围成的晶界通常认为是晶界角度≥15°，通常把由晶界角度≥15°的晶界所围成的晶粒称之为有效晶粒，利用EBSD(电子背散射衍射)可以有效的对晶界角度的取向差异进行区分，并对其亚单元的尺寸进行统计。

图2是不同Cu 含量熔敷金属中有效晶粒单元颜色图，此图是经过EBSD系统对不同Cu含量的熔敷金属进行了EBSD扫描，对扫描图像进行了去躁点处理，对去噪处理后的图像进行取向单元识别后，系统自行绘制的彩色图，图中相同的颜色代表着拥有着相同取向的单元，颜色的差异代表单元取向的不同，不同取向单元的晶界用黑色线条标示，黑色线条代表晶界角度≥15°的晶界。从图2中可以看出，随Cu含量的增加，有效晶粒有逐渐细化的趋势，采用EBSD系统自带的分析软件，对不同Cu 含量熔敷金属中有效晶粒采用截线法进行了尺寸测量，每种Cu含量的熔敷金属中大约测量600～800个有效晶粒，为了使试验数据更加全面可靠，文中同时采用了横截线和竖截线进行测量，测量示意图如图3所示，横线和竖线分别采用5条线段，横线和竖线测量的有效晶粒尺寸的分布如图4～图6所示，横线和竖线所测量的有效晶粒的平均值见表2，从表中的统计结果可以看出：Cu含量为0.052%时，有效晶粒的平均尺寸为2.39 μm；当Cu含量增加到0.24%时，有效晶粒的平均尺寸为2.18 μm；当Cu含量继续增加到0.53%时，有效晶粒的平均尺寸为1.99 μm。熔敷金属中有效晶粒的尺寸，随Cu含量的增加，尺寸逐渐在减小。

图2 不同Cu含量有效晶粒单元颜色图

图3 不同Cu 含量熔敷金属有效单元截线图

图4 含量为0.052%时有效晶粒尺寸统计分布图

图5 含量为0.24%时有效晶粒尺寸统计分布图

图6 含量为0.53%时有效晶粒尺寸统计分布图

表2 有效晶粒的平均尺寸 μm

分析认为，Cu元素在奥氏体化过程中，与镍、锰、硅等元素一样，固溶于奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，从而使奥氏体转变开始温度降低。当过冷奥氏体向贝氏体(γ→B)转变时，由于Cu含量的增加导致相变温度逐渐降低，促使相变驱动力增大，使同时形核的贝氏体晶核数量增加，贝氏体晶粒变细小，贝氏体板条，板条块、板条束尺寸减小[8]。在随后剩余的过冷奥氏体进行γ→M转变时，由于贝氏体转变分割了原奥氏体晶粒，使马氏体的转变只能在剩余的空间进行，而贝氏体转变温度的降低，导致同时形核的贝氏体铁素体晶核数量增多，奥氏体晶粒被分割的更加细小，使得马氏体的转变的剩余空间变小。由于随Cu含量增加，马氏体转变初始温度也随之降低[9]，因此，马氏体在随后组织转变时会同时受转变空间变小和转变温度降低双重条件的限制，导致马氏体结构中板条、板条块和板条束尺寸减小，精细结构得到细化[8]。

有效晶粒通常认为是由晶界角度≥15°的板条束和板条块的所围成的晶粒，贝氏体和马氏体板条块和板条束尺寸的减小势必会导致有效晶粒尺寸减小，有效晶粒得到细化，而细化有效晶粒是提高金属材料强度与韧性最为有效的方法，文中加入适量的Cu元素对高强钢焊缝金属强度和韧性的提高起到了积极的作用。

3 结论

(1)熔敷金属主要由板条贝氏体和板条马氏体组成，随Cu含量的增加，板条结构变得细小致密。

(2)随Cu含量的增加，熔敷金属横截线方向的有效晶粒尺寸从Cu含量为0.052%时的2.18 μm，减小到Cu含量为0.53%时的1.90 μm；竖截线方向的有效晶粒尺寸从Cu含量为0.052%时的2.60 μm，减小到Cu含量为0.53%时的2.08 μm；有效晶粒平均尺寸也从Cu含量为0.052%时的2.39 μm，减小到Cu含量为0.53%时的1.99 μm，有效晶粒得到细化。