楊秀芝１,２,張李超２,李 軒３,華文林１,楊春杰１,董春法１,肖新華１

(１．湖北理工學(xué)院機(jī)電學(xué)院,黃石 ４３５００３;２．華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,

材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 ４３００７４;３．武漢紡織大學(xué)機(jī)械學(xué)院,武漢 ４３００７３)

摘 要:采用 GleebleＧ３５００型熱模擬試驗(yàn)機(jī)在t８/５(８００ ℃到５００ ℃冷卻時(shí)間)分別為６,１０,３０,６０,１００s下制備了９Ni鋼接頭粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn),研究了t８/５對(duì)CGHAZ顯微組織和低溫韌性的影響.結(jié)果表明:CGHAZ的顯微組織主要由板條馬氏體組成,當(dāng)t８/５為３０s時(shí),顯微組織中出現(xiàn)粒狀貝氏體,且其數(shù)量隨t８/５的延長(zhǎng)而增多;隨著t８/５的延長(zhǎng),CGHAZ中馬氏體板條束尺寸先略有增大后減小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度先升高后降低;不同t８/５ 下CGHAZ在－１００,－１２５ ℃的沖擊功都高于２００J,隨著沖擊溫度的下降,沖擊斷口均由韌窩形貌

向準(zhǔn)解理形貌轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞:９Ni鋼;低溫韌性;焊接;熱循環(huán);粗晶熱影響區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào):TG１４２．３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０８Ｇ００７８Ｇ０５

０ 引 言

９Ni鋼因在－１６２ ℃下仍然具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性而被用于制造液化天然氣儲(chǔ)罐[１].熱機(jī)械控制工藝(TMCP)是現(xiàn)代化鋼板生產(chǎn)的重要工藝,該工藝將控制軋制和控制冷卻相結(jié)合以提高和控制板材的性能;兩相區(qū)二次淬火(QLT),即淬火＋兩相區(qū)淬火＋回火,是改善鋼材性能的一種熱處理工藝.采用這兩種工藝可使９Ni鋼具有良好的韌性.此外,９Ni鋼中原奧氏體晶粒內(nèi)部形成的板條馬氏體 可 以 分 割 成 若 干 板 條 束 (Packet)結(jié) 構(gòu),Packet結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步細(xì)分成板條(Block,由相似取向的板條組成)結(jié)構(gòu);這兩種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是馬氏體鋼強(qiáng)度和韌性的有效控制單元[２Ｇ１０].

９Ni鋼的焊接性能較差,其焊接接頭熱影響區(qū)存在局部低溫脆化區(qū),在使用過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂,導(dǎo)致斷裂等嚴(yán)重事故.為保證９Ni鋼儲(chǔ)罐的安全性,從２０世紀(jì)７０年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)９Ni鋼焊接接頭的組 織 與 性 能 進(jìn) 行 了 大 量 研 究.研 究 發(fā) 現(xiàn):９Ni鋼焊接接頭粗晶熱影響區(qū)的顯微組織主要包括馬氏體和貝氏體,其中貝氏體是上貝氏體和粒狀貝氏體的混合組織;９Ni鋼的碳當(dāng)量越高,其焊接接頭粗晶熱影響區(qū)的軟化程度越高[１Ｇ８,１１Ｇ１２].目前,對(duì) ９Ni 鋼 焊 接 接 頭 粗 晶 熱 影 響 區(qū)(CGHAZ)低 溫 韌 性 變 差 的 原 因 已 進(jìn) 行 了 一 些 研究,但還不夠細(xì)致;對(duì)于焊接熱循環(huán)對(duì) CGHAZ 性能的影響,以及與韌脆轉(zhuǎn)變溫度和顯微組織之間關(guān)系的 研 究 還 不 夠 深 入.為 此,作 者 使 用 GleebleＧ３５００型熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬制備了９Ni鋼焊接接頭CGHAZ試樣,研究了８００℃至５００℃冷卻時(shí)間t８/５對(duì) CGHAZ顯微組織和低溫韌性的影響,為９Ni鋼焊接接頭的質(zhì)量控制提供參考.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為舞陽(yáng)鋼鐵有限公司提供的９Ni鋼板,采用超純凈技術(shù)冶煉,TMCP工藝軋制,QLT工藝熱處理.該鋼板厚２０mm,化學(xué)成分如表１所示;顯微組織為板條馬氏體和少量粒狀貝氏體,如圖１所示.

在試驗(yàn)鋼板上垂直于軋制方向加工出尺寸為１０．５mm×１０．５mm×８０mm 的試樣,采用 GleebleＧ３５００型熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬得到不同焊接熱循環(huán)下的粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)試樣,焊接熱循環(huán)曲線如圖２所 示,５ 種 焊 接 熱 循 環(huán) 下 的 加 熱 速 率 均 為５００ ℃??s－１,峰 值 溫 度 為 １３００ ℃,t８/５ 分 別 為 ６,１０,３０,６０,１００s.用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精溶液腐蝕試樣,在SＧ３０００N 型超景深光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織;采用ImageＧProPlus圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)分析原奧氏體晶粒和Packet結(jié)構(gòu)的尺寸.使用JSMＧ６０１０型掃描電鏡附帶的 Libra２００型電子背向散射衍射儀(EBSD)測(cè)量 Block結(jié)構(gòu)的寬度.將熱模擬得到的 CGHAZ 試樣加工成尺寸為１０．５mm×１０．５mm×５５mm 的夏比沖擊試樣,開(kāi)V 型缺口,V 型缺口尖端與熱電偶焊點(diǎn)位于同一橫截面上,使用JBＧ３００W 型微機(jī)控制半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)

機(jī)分別在－１００,－１２５,－１５０,－１７０,－１９６ ℃進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn),測(cè)３個(gè)試樣取平均值.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

圖３中 PAGB為原奧氏體晶界,GB 為粒狀貝氏體.由圖３可知:當(dāng)t８/５分別為６,１０s時(shí),模擬得到 CGHAZ的顯微組織主要為板條馬氏體,且t８/５為１０s時(shí)的馬氏體尺寸較大;當(dāng)t８/５為３０s時(shí),顯微組織中出現(xiàn)了粒狀貝氏體,其數(shù)量隨t８/５ 的延長(zhǎng)而增多,板條馬氏體的尺寸減小,當(dāng)t８/５為１００s時(shí),粒狀貝氏體的數(shù)量最多.粒狀貝氏體的出現(xiàn)使得后續(xù)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的空間減小,從而細(xì)化了馬氏體組織.

在圖４和圖５中,帶三角形標(biāo)記的線代表取向差 不小于１５°的大角度晶界,帶圓圈標(biāo)記的線代表取向差小于１５°的小角度晶界.對(duì)于９Ni鋼焊接熱影響區(qū)中的板條馬氏體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言,圖４和圖５中取向差不小于１５°的晶界可以完全勾勒出所有形態(tài)學(xué)上的大角度晶界.由不同顏色表示的不同取向結(jié)構(gòu)界面之間呈大角度取向,如原奧氏體晶界.在同一奧氏體晶粒內(nèi)部,Packet的界面由帶標(biāo)記的線表示,而 Packet內(nèi)部的黑線為 Block界面.由圖４和圖５可以看出:CGHAZ中主要存在兩種界面,一種是取向差小于１０°的小角度晶界,另一種是取向差集中在６０°左右的大角度晶界,與他人的研究結(jié)果[１１]一致;當(dāng)t８/５從６s延長(zhǎng)到１００s時(shí),小角度晶界的數(shù)量沒(méi)有發(fā)生明顯變化,大角度晶界的數(shù)量增多,這表明有效晶粒發(fā)生了細(xì)化.

由表２可知,當(dāng)t８/５從６s延長(zhǎng)到１００s時(shí),模擬得到CGHAZ中原奧氏體晶粒的尺寸增大,而Packet尺寸先略 有 增 大 后 減 小,Block 寬 度 變 化 不 明 顯.結(jié)合圖３分析可知,雖然隨著t８/５的延長(zhǎng),原奧氏體晶粒尺寸增大,但是粒狀貝氏體的出現(xiàn)及數(shù)量的增多減小了馬氏體形成的空間,導(dǎo)致Packet尺寸減小.

２．２ 沖擊性能

由圖６ 可知:不同t８/５ 下模擬得到的 CGHAZ試樣在－１００,－１２５ ℃下的沖擊功均高于２００J,在這兩個(gè)溫度下的沖擊韌性較佳;在相同t８/５ 下模擬得到的 CGHAZ 試樣的沖擊功隨沖擊溫度的降低而減小,當(dāng)沖擊溫度從－１００ ℃ 降低到－１９６ ℃時(shí),在t８/５為１０s下模擬得到的 CGHAZ試樣沖擊功的下降幅度最大,約下降了８９．２％,而當(dāng)t８/５為１００s時(shí)的下降幅度最小,僅下降了７１．２％.

韌窩,且在t８/５為１００s下的韌窩尺寸較大,試樣的韌性較差;當(dāng)沖擊溫度分別為－１７０,－１９６ ℃時(shí),在t８/５為６s下模擬得到的 CGHAZ 試樣的沖擊斷口分別呈準(zhǔn)解理、解理斷裂特征,而t８/５ 為１００s下的呈韌窩、準(zhǔn)解理斷裂特征.可見(jiàn)隨著沖擊溫度的降低,t８/５為１００s時(shí) CGHAZ的沖擊韌性下降的幅度小于t８/５為６s時(shí)的,與由沖擊功得到的結(jié)論相符.在t８/５分別為 ６,１０,３０,６０,１００s下模擬得到CGHAZ的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為１１０,１１８,１０４,８６,７８K.當(dāng)冷卻時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),CGHAZ的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低,在較低溫度(－１７０,－１９６℃)下的韌性增強(qiáng).對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度和 Packet尺寸進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果如圖８所示,圖中dp 為 Packet尺寸.由圖８可以看出,CGHAZ的韌脆轉(zhuǎn)變溫度與d－１/２p 之間存在很好的線性關(guān)系,隨著 Packet尺寸的減小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低.由此可見(jiàn),Packet結(jié)構(gòu)是控制

９Ni鋼焊接接頭粗晶熱影響區(qū)低溫韌性的有效組織單元.

３ 結(jié) 論

(１)模擬得到的９Ni鋼焊接接頭 CGHAZ的顯微組織主要由板條馬氏體組成,當(dāng)t８/５為３０s時(shí),顯微組織中出現(xiàn)了粒狀貝氏體,其數(shù)量隨t８/５ 的延長(zhǎng)而增多,馬氏體尺寸減小;隨著t８/５的延長(zhǎng),CGHAZ中大角度晶界的數(shù)量增多,Packet尺寸先略有增大后減小.

(２)隨著t８/５的增大,CGHAZ的韌脆轉(zhuǎn)變溫度先升高后降低,沖擊功隨溫度降低而下降的趨勢(shì)變緩;不同t８/５下 CGHAZ試樣在－１００ ℃和－１２５ ℃的沖擊功都高于２００J,低溫韌性較佳;隨著沖擊溫度的下降,CGHAZ試樣的沖擊斷口均由韌窩形貌向準(zhǔn)解理形貌轉(zhuǎn)變.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>2018年>8期> pp.78）