冷却速率对低碳微合金高强钢焊接热影响区组织和硬度的影响

冷却速率对低碳微合金高强钢焊接热影响区组织和硬度的影响

20世纪80年代以来，以低碳贝氏合金（ucb钢）为代表的cu-nb-b系列和以美国和加拿大为代表的mo-nb-b系列u-nb-b系列。新型超低碳贝氏体钢碳含量一般在0.05%(质量分数,下同)以内,此种钢的高强度不再像传统钢那样依赖高碳含量,而主要是通过位错强化、微合金强化及ε-Cu沉淀强化来实现。因此,这类钢的组织特征是具有高密度位错亚结构的均匀细小的贝氏体,且具有高强韧性以及易焊接的特点［３］。目前,屈服强度从400~900MPa的超低碳贝氏体钢已形成系列,其中400~800MPa级钢已经满足批量生产供货的要求,并已成功应用于大型工程机械,900MPa及以上级钢处在研发和试生产阶段。本文选用的高强度高韧性低碳微合金贝氏体钢,属于1000MPa级TMCP+低温回火工艺生产的工程机械焊接用钢,是低合金钢的升级产品和普碳钢板的替代产品［４－５］。根据参考文献,该钢具有一定的冷裂倾向,因此,深入研究其焊接性及焊接工艺对该钢的工程化应用具有重要意义。为了研究该高强钢在焊接热循环作用下的相变过程,进而掌握其焊接热影响区的相变规律,采用模拟焊接热循环的方法测试该钢在焊接过程中热影响区过热区的连续冷却转变曲线,选用膨胀法确定其相变开始和终了温度,最终得到该钢的组织构成和性能变化规律。上述研究可以为该钢在工程实际应用中合理选取与制定焊接工艺提供参考依据。1试验方法和步骤该高强钢铸锭取自某钢铁公司,在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室ue788450mm热轧机上利用控轧-控冷技术轧制成厚度为12mm的板坯,随后进行低温回火处理。试验钢属于超低碳微合金钢,其主要化学成分(质量分数,%)为:C0.05,Si0.36,Mn1.75,P0.006,S0.006,Cu+Mo≤0.7,Ti+Nb+V≤0.1,B≤0.005。利用Ti、Nb、V、B、Cu、Mo等微合金元素进行沉淀强化,抗拉强度为1080MPa,屈服强度为930MPa,室温伸长率为15%,在-25℃时冲击功达125J。试验钢显微组织及扫描电镜组织形貌见参考文献。焊接热循环模拟试验在MMS-300热模拟试验机上进行,真空度为13.33Pa。试验过程中采用膨胀仪测量试样中间焊接热电偶处的径向膨胀量,试样尺寸如图1所示。以0.05℃/s的加热速率从室温加热到峰值温度(1000℃),保温10min,然后再以0.05℃/s的速率冷却至室温,根据热膨胀曲线拐点所对应的温度确定Aｃ１和Aｃ３。焊接热影响区连续冷却组织转变曲线(SH-CCT曲线)测定方法主要有热膨胀法、热分析法、磁分析法、金相法等［８］。这里采用热膨胀法,执行GB/T5056—1985《钢的临界点测定方法》、GB/T5057—1985《钢的连续冷却转变曲线的测定》、GB/T5058—1985《钢的等温转变曲线的测定方法》等标准,具体试验步骤如下:制定热模拟焊接热循环试验参数,具体如图2所示,图中θｐ为峰值温度,tｐ为试样从室温加热到峰值温度所需的时间;t８／５为试样由800℃冷却至500℃所需的时间。选取的具体焊接热循环试验参数为:加热速率为120℃/s,峰值温度为1320℃,保温时间为1s;从峰值温度以20℃/s的速率降温到950℃,再分别以60、50、40、30、20、15、10、5、2、1、0.5、0.12℃/s等一系列冷却速率冷却到室温。试样在冷却过程中发生相变,热膨胀曲线就会出现拐点,根据该拐点所对应的温度就可以确定各冷却速率对应的相变温度,进而绘制出SH-CCT曲线。从热模拟试样中部热电偶焊点处切取金相试样,用砂纸打磨并抛光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀,在DM2500M光学显微镜下观察金相组织特征。完成金相组织观察后,将试样重新进行磨平、抛光,并用加少量海鸥牌洗净剂的过饱和苦味酸水溶液在70℃左右水浴条件下进行晶界腐蚀,在LeicaQ550IW图像分析仪上对模拟焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸进行统计测量。采用450SVDTM维氏硬度计在10kg负载下测定金相试样中心部位的硬度,每个试样测3点,取平均值。2结果与讨论2.1模拟焊接条件对试验钢品质的影响试验钢以120℃/s的加热速度进行模拟焊接热循环试验,得到的膨胀曲线如图3(a)所示。由图中可以看出,试验钢奥氏体化开始温度为810℃,结束温度为950℃。按照临界点测定标准(加热速度为0.05℃/s)测定出试验钢的Aｃ１、Aｃ３分别为730和910℃,如图3(b)所示。对比两种条件下的试验结果,可以看出在加热速率为120℃/s的模拟焊接条件下,试验钢母材的相变温度推迟约80℃。由此可以得出结论,试验钢的奥氏体化温度在模拟焊接条件下比平衡状态下显著升高。2.2冷却速率的影响不同冷却速率条件下模拟试样的维氏硬度如图4所示。由图中可以看出,当冷却速率较高,t８／５较小时,试样的硬度值很大,试验条件下最高达到了HV１０425。其原因为在快速冷却条件下,高温下奥氏体中的碳来不及扩散、聚集,从而以过饱和的形式存在于原奥氏体中,并随之在低温区间发生相变,形成的转变产物不仅富碳,而且还有大量的晶格缺陷,因而其硬度值很高。随着冷却速率的降低,t８／５不断增大,试样的硬度值会逐渐减小。当冷却速率较低,特别是t８／５>60s后,试样的硬度低于母材,此时出现软化现象。2.3热影响区的组织转变根据不同模拟焊接热循环曲线得到的相变点数据、组织特征和性能结果,绘制出试验钢的SH-CCT曲线,如图5所示,该曲线反映了试验钢在焊接条件下的组织性能变化规律。随着焊接热输入的增加,焊后冷却速率由快变慢,低碳贝氏体钢热影响区粗晶区发生了M、M+B和B3种不同类型的组织转变。当冷却速率大于40℃/s(t８／５<7.5s)时,热影响区粗晶区发生马氏体相变;当冷却速率处于15~40℃/s之间(7.5s≤t８／５≤20s)时,热影响区粗晶区发生的是马氏体和贝氏体的相变;当冷却速率小于15℃/s(t８／５≥20s)时,发生的是完全贝氏体相变。2.4晶粒尺寸的影响在峰值温度为1320℃时,试验钢奥氏体晶粒平均尺寸随t８／５的变化关系如图6所示。从图中可以看出,随着t８／５的增加,奥氏体平均晶粒尺寸也随之增加,由t８／５=5s(冷却速率为60℃/s)时的48.5μm增加至t８／５=150s(冷却速率为2℃/s)时的59.64μm。t８／５≤150s(冷却速率≥2℃/s)时,奥氏体平均晶粒尺寸小于60μm。当t８／５为2500s(冷却速率为0.12℃/s),奥氏体平均晶粒尺寸却仅为70μm。这说明试验钢焊接热影响区1320℃处的晶粒尺寸长大倾向并不十分显著。在图6中,在t８／５=5~2500s范围内,试验钢的奥氏体晶粒直径与t８／５的对数之间具有很好的线性关系,其回归方程可以拟合为:。2.5冷却热影响区组织冷却速率对试样组织形态的影响如图7所示。当冷却速率较小时(0.12~1℃/s,t８／５=2500~300s),组织主要为粒状贝氏体,见图7(a)、(b)、(c);当冷却速率较高时(40~60℃/s,t８／５=7.5~5s),焊接热影响区组织主要为马氏体,见图7(j)、(k)、(l);在相当宽的冷速范围内(2~30℃/s,t８／５=150~10s),热影响区以板条贝氏体为主,见图7(d)~(i),其中,在冷速超过15℃/s时开始出现马氏体组织。2.6冷却速率对m/a岛的影响当试样以0.12℃/s(t８／５=2500s)的冷却速率冷却到室温时,组织以粒状贝氏体为主,铁素体基体中也有颗粒状M/A岛分布,同时还有尺寸较大的岛状残余奥氏体存在。颗粒状M-A岛的形成主要是由于在连续冷却速率较小时,碳有足够的时间由α/γ相变前沿界面向γ内快速扩散,结果导致残余奥氏体中碳含量升高,形成稳定化的富碳奥氏体。接下来随着贝氏体的进一步转变,包围原来稳定化的富碳奥氏体,在随后的冷却过程中,富碳奥氏体转变为马氏体,从而形成M-A岛。当冷却速率为1℃/s(t８／５=300s)时,转变产物主要为粒状贝氏体,并有部分板条贝氏体,在原奥氏体晶界上形成沉淀强化相,如图7(c)所示。从图7(a)、(b)、(c)中还可以看出,随着冷却速率的逐渐增加,M/A组元的体积分数也有所增加,尺寸减小。这是因为冷却速率增加,奥氏体中碳原子的扩散能力反而降低,导致奥氏体只能在短距离内富碳,最终造成M/A岛尺寸减小。与此同时,由于冷却速率增加,贝氏体开始转变温度相应就会降低,进而相变驱动力不断增大,最终导致M/A岛数量相应增加［９－１０］。当冷却速率达到5℃/s(t８／５=60s)时,显微组织以板条状贝氏体为主。如果将方向一致、互相平行的一个贝氏体区域称为贝氏体板条束,那么从图7(e)中可以看出,大量方向各异的贝氏体板条束存在于原奥氏体晶粒内部,并且这些板条束将原奥氏体晶粒分割成不同的区域。贝氏体板条束之间的尺寸相差也较大,较小的板条束尺寸约5μm×5μm,而较大的板条束尺寸约20μm×20μm。另外,粒状贝氏体组织也分布于贝氏体板条束之间,起到对贝氏体板条束的分割作用,这有利于细化贝氏体组织［１１］。当冷却速率提高到30℃/s(t８／５=10s)时,组织类型为板条贝氏体和马氏体。随着冷却速率的进一步增加,板条贝氏体逐渐减少,板条马氏体不断增多。当冷却速率为60℃/s(t８／５=5s)时,主要为板条马氏体组织。综上所述,在试验采用的冷却速率范围内,以低冷却速率连续冷却后可以得到粒状贝氏体组织,硬度较低,奥氏体晶粒尺寸较大;高冷却速率连续冷却时将得到以板条状贝氏体为主的组织,奥氏体晶粒尺寸和硬度相对适中;冷却速率进一步提高,则得到板条马氏体组织,硬度较高,奥氏体晶粒尺寸较小。3冷却速率对马氏体组织的影响1)通过焊接热模拟试验,绘制出试验钢的连续冷却转变曲线(SH-CCT曲线)。当冷却速率较低时(0.12~1℃/s),组织主要为粒状贝氏体;当冷却速率较高时(40~60℃/s),组织主要为马氏体;但在相当宽的冷却速率范围内(2~30℃/s),以板条状贝氏体为主;冷速超过15℃/s时,就开始有马氏体组织产生。2)在模拟焊接热循环加热速率为120℃/s的条件下,奥氏体开始形成温度比临界点标准测试条件下的Aｃ１高出80℃。对于不同的热循环,当峰值温度为1320℃,冷却速率小于2℃/s(t８／５≤150s)时,奥氏体平均晶粒尺寸小于60μm,冷却速率为0.12℃/s(t８／５为2500