铌微合金化对低合金高强钢模拟焊接热影响区粒状贝氏体相变及SH-CCT曲线的影响

鄢文泽, 闫文青, 林轩艺, 王红鸿

(1. 武汉科技大学 材料与冶金学院, 湖北 武汉 430081;2. 武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 湖北 武汉 430081)

低合金高强钢是具有高的屈服强度、良好的加工性以及耐蚀性、耐低温等性能的高性能钢,广泛应用于石油化工、压力容器、采油平台、输油管道和船舶建造等领域[1-3]。在低合金高强钢中添加微量铌元素(Nb),可改变凝固机制,细化晶粒[4-5];在轧制过程中促使Nb(C,N)析出;相变过程中抑制铁素体相变,降低贝氏体相变温度;固溶于奥氏体中降低形变奥氏体的再结晶速率等[6-7]。

铌微合金化的低合金高强钢,由于铌元素独特的物理特性,为焊接带来了挑战。王超等[8]研究表明,铌质量分数约为0.01%时可得到较高的CGHAZ韧性,但过量的铌会促进贝氏体生成而使韧性恶化。Chen等[9]研究了铌对高铌X80管线钢热影响区力学性能的影响,研究表明,随着热输入的增加,高铌低合金钢的焊接热影响区强度和韧性显著降低。韩丽梅等[10]研究了铌对船板钢大热输入焊接热影响区组织与韧性的影响,研究表明,含铌钢(质量分数为0.025%)焊接接头熔合线处-20 ℃冲击吸收能量出现单值低于24 J的情况,不满足船级社规范要求,铌的添加对DH36级船板钢大热输入焊接接头的韧性不利。

粒状贝氏体是低合金高强钢焊接热影响区的常见组织,粒状贝氏体组织特点是铁素体基体上分布着不连续的岛状结构,即M/A组元(Martensite-austenite constitutes)[11],M/A组元通常有4种形貌,即点状、粒状、长条状和块状[12]。而粒状贝氏体上M/A组元的数量、形貌、分布对低合金高强钢的强度和韧性有显著影响,M/A组元的形态主要受化学成分、冷却速度、相变温度等因素的影响。曹杰等[13]研究表明,变形温度和冷却方法对粒状贝氏体组织中的岛状物有明显影响。铌元素能明显降低连续冷却的相变温度,0.01wt%的固溶铌元素使连续冷却相变温度降低10 ℃[14-17]。陈海艳等[18]对高铌(0.099wt%)X80管线钢焊接热影响区连续冷却相变的研究表明,当冷却速度在2～20 ℃/s时,组织从粒状贝氏体逐渐向板条贝氏体过渡,焊接热影响粗晶区(CGHAZ)的显微硬度和冲击韧性也逐渐提高。闫涵等[19]利用焊接热模拟研究铌含量对TiNbV微合金钢CGHAZ组织和性能的影响,研究表明,随着铌元素含量的增加,大角度晶界的晶粒数量有所增加,晶粒得到细化,但是针状铁素体形成受到抑制,CGHAZ中贝氏体含量增加。张亚运等[20]利用焊接热模拟对大焊接热循环条件下铌含量对Mg处理钢CGHAZ组织和性能的影响,研究表明,在300 kJ/cm焊接热输入量下,随铌含量增加,粗晶热影响区的原奥氏体晶粒尺寸减小,晶界铁素体和块状M/A组元比例增加,-40 ℃冲击吸收能量下降,硬度逐渐增加。

国内外学者在研究铌微合金化对模拟焊接过程中SH-CCT曲线的影响时,关注铌含量小于0.10wt%的低合金高强钢在焊接热循环过程中对奥氏体晶粒长大、连续冷却相变组织的影响等方面的研究工作,对于铌含量超过0.10wt%的研究鲜有报道,并且对于高铌含量下粒状贝氏体相变的研究较少。因此本文设计了4种不同铌含量的低合金高强钢,其中最高铌含量高达0.180wt%,表征和研究铌微合金化如何影响低合金高强钢模拟焊接过程中的连续冷却相变曲线以及粒状贝氏体的相变规律,为高铌低合金高强钢的设计、焊接性研究及焊接工艺的正确制定提供理论依据。

1 试验材料及方法

试验材料为4种不同铌含量的低合金高强钢,其成分如表1,4种试验钢的铌含量分别为0、0.025%、0.085%和0.180%(质量分数,下同),分别用Nb0、Nb0.025、Nb0.085和Nb0.180对试验钢进行标记。试样取自采用TMCP(Thermo-mechanically controlled processed)工艺轧制而成的板材,沿试板轧制方向线切割成φ6 mm×70 mm的圆柱体试样。在Gleeble-3500热模拟机上进行焊接热模拟试验,其焊接热模拟工艺如图1所示。试验钢的峰值温度为1320 ℃,峰值温度停留时间1 s,加热速度200 ℃/s,之后分别以t8/5(相变温度范围在800～500 ℃的冷却时间来代替冷却速度)为3、6、15、20、30、50、80、150、300、600 s的冷却速度冷却到200 ℃。通过热膨胀仪实时采集膨胀曲线,利用切线法确定相转变温度点。将不同冷却速度的焊接热模拟试样沿纵向轴线切开,在热模拟试样中部的位置制备金相试样。经粗磨、精磨、抛光后,用4%硝酸酒精腐蚀5～8 s。采用Carl Zeiss型金相显微镜和FEI Nova 400型场发射扫描电镜对焊接热影响粗晶区进行显微组织观察。利用Image-pro-plus软件对组织中的相比例进行统计。采用HV-1000A型维氏硬度计测量试样的显微硬度,载荷砝码为1 kg。结合维氏硬度测试和显微组织观察以及相比例统计结果,以t8/5为横坐标,连续冷却相变温度为纵坐标绘制试验钢的SH-CCT曲线。

图1 试验钢的模拟焊接热循环曲线Fig.1 Simulated welding heat cycle curves of the tested steel

表1 试验用低合金高强钢的化学成分(质量分数, %)

2 试验结果与讨论

2.1 铌含量对模拟焊接热循环过程中连续冷却相转变温度的影响

采用切线法对不同冷却速度下的热膨胀曲线进行分析,得出不同的t8/5时间下的贝氏体相变开始温度(Bs)和相变结束温度(Bf),见图2所示。由图2可知,当t8/5=3、6 s时,连续冷却相变温度随铌含量的变化曲线基本保持水平。这是由于连续冷却速度较快,铌元素难以扩散,铌含量对连续冷却相变温度的影响较小。其它t8/5时间(≥15 s)下,可以看到,在t8/5=30 s时,随着铌含量的增加,Bs从733.1 ℃(Nb0)近似线性下降至604.9 ℃(Nb0.180), Bf从599.8 ℃ (Nb0)下降至543.0 ℃(Nb0.180)。特殊地,在t8/5=600 s时,Bf从621.2 ℃(Nb0)下降至577.5 ℃(Nb0.025)而后逐渐上升至588.2 ℃(Nb0.180),这可能与铌在t8/5=600 s时的晶界偏聚行为有关。除此之外,其他t8/5时间均呈现相同的规律,即连续冷却相变温度随着铌含量的增加而呈现整体下降的趋势。这是由于冷却速度较慢(≥15 s),在连续冷却相变过程中,铌的扩散速度比碳慢得多,同时,铌的加入降低了转变过程中碳的扩散系数,碳扩散速度减慢,推迟奥氏体的扩散分解过程,使连续冷却相变减缓,连续冷却相变温度降低[21]。连续冷却相变开始温度和结束温度的高低同时决定了连续冷却相变室温组织的差异。

图2 铌含量对不同冷却速度下试验钢的连续冷却相变开始温度(a)和相变结束温度(b)的影响Fig.2 Effect of Nb content on continuous cooling phase transformation start temperature(a) and phase transformation end temperature(b) of the tested steel at different cooling rates

2.2 铌含量对模拟焊接热影响区连续冷却相变微观组织的影响

由图3～6可知,当t8/5为3、15 s时,4种铌含量的试验钢焊接热影响区显微组织主要由粒状贝氏体(GB)和板条贝氏体(LB)构成。粒状贝氏体上的第二相粒子主要呈粒状和短杆状(见图3(f)、图4(f))。当t8/5为30 s时,Nb0、Nb0.025试验钢的焊接热影响区显微组织为准多边形铁素体(F)和珠光体(P)组织(见图3(c,g)、图4(c,g)),Nb0.085和Nb0.180试验钢焊接热影响区的显微组织仍为粒状贝氏体(见图5(c)、图6(c)),第二相粒子有所长大,形状由粒状向短杆状、块状生长(见图5(f))。当t8/5为80 s时,Nb0、Nb0.025和Nb0.085试验钢焊接热影响区的显微组织为多边形铁素体(F)和珠光体。铁素体(F)由准多边形铁素体向多边形铁素体转变,珠光体进一步长大并向晶界处聚集成块状(见图3(d)、图4(d)、图5(d,g))。值得注意的是,Nb0.180试验钢焊接热影响区显微组织在t8/5为80 s时仍有粒状贝氏体组织,第二相粒子呈长条状分布(见图6(f))。当t8/5为300 s时,4种铌含量的试验钢焊接热影响区显微组织均由铁素体和珠光体构成(见图3(e)、图4(e)、图5(e)、图6(e,g)),说明即使在较高的铌含量下,奥氏体仍然发生了高温分解,分解为准多边形铁素体、多边形铁素体和珠光体组织。

图3 Nb含量为0的试验钢在不同冷却速度下模拟焊接热影响区的显微组织Fig.3 Microstructure of simulated welding heat-affected zone of the tested steel with Nb content of 0 at different cooling rates(a) t8/5=3 s; (b,f) t8/5=15 s; (c,g) t8/5=30 s; (d) t8/5=80 s; (e) t8/5=300 s

图4 Nb含量为0.025%的试验钢在不同冷却速度下模拟焊接热影响区的显微组织Fig.4 Microstructure of simulated welding heat-affected zone of the tested steel with Nb content of 0.025% at different cooling rates(a) t8/5=3 s; (b,f) t8/5=15 s; (c,g) t8/5=30 s; (d) t8/5=80 s; (e) t8/5=300 s

图5 Nb含量为0.085%的试验钢在不同冷却速度下模拟焊接热影响区的显微组织Fig.5 Microstructure of simulated welding heat-affected zone of the tested steel with Nb content of 0.085% at different cooling rates(a) t8/5=3 s; (b) t8/5=15 s; (c,f) t8/5=30 s; (d,g) t8/5=80 s; (e) t8/5=300 s

图6 Nb含量为0.180%的试验钢在不同冷却速度下模拟焊接热影响区的显微组织Fig.6 Microstructure of simulated welding heat-affected zone of the tested steel with Nb content of 0.180% at different cooling rates(a) t8/5=3 s; (b) t8/5=15 s; (c) t8/5=30 s; (d,f) t8/5=80 s; (e,g) t8/5=300 s

Nb0、Nb0.025试验钢在t8/5=30 s时就发生了高温相变,分解为铁素体和珠光体组织(见图3(c,g)、图4(c,g)),发生粒状贝氏体转变的t8/5范围在3～30 s。随着试验钢中铌含量增加,Nb0.085试验钢在t8/5=80 s时发生高温相变,粒状贝氏体转变的t8/5范围在3～50 s。而铌含量最高的Nb0.180试验钢即使在t8/5为80 s,组织中仍有粒状贝氏体存在(见图6(f)),发生粒状贝氏体转变的t8/5范围在3～150 s。随着铌含量的增加,发生粒状贝氏体相变的t8/5范围扩大。

2.3 铌含量对模拟焊接热影响区连续冷却相变显微硬度的影响

图7为4种试验钢不同冷却速度下的硬度变化曲线。可以看出,Nb0、Nb0.025试验钢的硬度随t8/5的增加呈逐渐下降的趋势,而Nb0.085、Nb0.180试验钢的硬度值随t8/5的增加呈先缓慢下降后趋于平稳再缓慢上升的趋势。并且在相同的冷却速度下,硬度随铌含量的增加而逐渐增加。当t8/5=3、6、15 s时,4种试验钢的组织均由板条贝氏体和粒状贝氏体组成,同时随着t8/5的增加,板条贝氏体逐渐减少,粒状贝氏体逐渐增加,因此硬度随着t8/5的增加逐渐下降。t8/5=20、30、50、80 s时,由于Nb0.085、Nb0.180试验钢的组织全部为粒状贝氏体,使得其硬度在相当长的一段t8/5内保持稳定(Nb0.085试验钢的硬度维持在190 HV左右,Nb0.180试验钢的硬度维持在200 HV左右),而Nb0、Nb0.025试验钢中存在铁素体,使得其硬度出现波动,随着t8/5的增加而逐渐减小。当t8/5=150、300、600 s时,4种铌含量试验钢的组织均由铁素体和珠光体组成,Nb0.085和Nb0.180试验钢中由于组织中形成弥散分布的珠光体,其硬度上升,而Nb0、Nb0.025的试验钢中,由于珠光体呈块状聚集分布,与铁素体的硬度差别较大,硬度下降。

图7 不同铌含量的试验钢在不同冷却速度下的维氏硬度Fig.7 Vickers hardness of the tested steel with different Nb contents at different cooling rates

2.4 模拟焊接热影响区SH-CCT曲线

基于4种铌含量下的连续冷却相变温度、显微组织形貌和显微硬度值,绘制试验钢SH-CCT曲线,如图8所示。可以看出,随着铌含量的增加,发生粒状贝氏体(GB)相变的t8/5范围扩大,高铌含量(0.180%)的试验钢粒状贝氏体相变范围最大,为t8/5=3～150 s。

图8 不同铌含量试验钢的SH-CCT曲线Fig.8 SH-CCT curves of the tested steel with different Nb contents(a) 0; (b) 0.025%; (c) 0.085%; (d) 0.180%

3 结论

1) 在低合金高强钢中加入较高含量的铌,能显著降低连续冷却相变温度。

2) 对比4种铌含量的SH-CCT曲线,低合金高强钢经过铌微合金化处理后,随着铌含量的增加,在连续冷却相变过程中促进了粒状贝氏体的转变,发生粒状贝氏体相变的t8/5范围扩大。当铌含量为0.180wt%时,在t8/5=3～150 s的冷却速度范围内均为粒状贝氏体组织。

3) 铌微合金化提高了低合金高强钢模拟焊接热影响区连续冷却相变的显微硬度。铌含量较高时(0.085%),低合金高强钢在较大的热输入范围内(t8/5=15～80 s),显微硬度较高且硬度的变化最小,为183～192 HV。