中心偏析对FH40低温钢焊接组织性能的影响_柳志鹏.pdf
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1、中心偏析对 FH40 低温钢焊接组织性能的影响柳志鹏1),谢振家1),罗登2),周文浩2),郭晖1),尚成嘉1)1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心,北京1000832)湖南华菱湘潭钢铁集团,湘潭411101通信作者,E-mail:摘要利用金相(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)以及能谱(EDS)等手段研究了 FH40 低温钢焊接接头显微组织演变及其对低温冲击韧性的影响.结果表明,FH40 低温钢母材具有优异的综合力学性能,其屈服强度为 420MPa,抗拉强度为 518MPa,60 夏比冲击功为 162J,而焊接接头熔合线位置及热影响区的低温韧性急剧降低至 16J
2、.显微组织分析表明,低温钢母材为细小的多边形铁素体+珠光体组织,在心部位置珠光体组织呈带状分布.焊接热影响区的显微组织主要为针状铁素体,但是心部存在明显的马氏体带.针状铁素体硬度为 229.7HV0.05,比原来的多边形铁素体高约 40HV0.05,而马氏体的硬度为 313.7HV0.05,较原来的多边形铁素体高约 140HV0.05.EBSD 结果显示在马氏体带存在较高的内应力,这是造成焊接接头低温韧性急剧下降的主要原因.EDS 表明,中心偏析导致热轧低温钢母材形成 C、Mn 富集的珠光体带,这些C、Mn 富集的珠光体带在焊接热影响作用下重新奥氏体化,并在冷却过程中转变成硬质相马氏体组织.关
3、键词FH40 低温钢;中心偏析;焊接接头;低温韧性;带状组织分类号TG142.79InfluenceofcentralsegregationontheweldingmicrostructureandpropertiesofFH40cryogenicsteelLIU Zhi-peng1),XIE Zhen-jia1),LUO Deng2),ZHOU Wen-hao2),GUO Hui1),SHANG Cheng-jia1)1)CollaborativeInnovationCenterofSteelTechnology,UniversityofScienceandTechnologyBeijing
4、,Beijing100083,China2)HunanValinXiangtanIronandSteelCo.,Ltd.,Xiangtan411101,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTWiththedevelopmentofenergyextractiontooffshore,deepsea,andpolarfields,theserviceenvironmentisbecomingincreasinglyharsh.Hence,developingcryogenicsteelwithhighstrength,hightoughnessatlow
5、temperatures,andexcellentweldingpropertieshasbecomeanurgentrequirementforeconomicdevelopment.Withequipmentandtechnologyinnovation,althoughtheFH40-gradecryogenicsteelbasemetalcanbedevelopedbygrainrefinement,thelow-temperatureimpacttoughnessofitsweldedjointsmightbedrasticallyreduced.Thus,theapplicatio
6、nofFH40-gradecryogenicsteelhasbeenseverelyrestricted.Toexaminetheevolutionof the microstructure of welded joints of FH40-grade cryogenic steel and its effect on low-temperature impact toughness,themacrostructure,microstructure morphology,and composition at the welded joints were analyzed using a met
7、allographic opticalmicroscopeandthroughscanningelectronmicroscopy,electronbackscatterdiffraction(EBSD),andenergydispersivespectroscopy(EDS)analysis,respectively.TheresultsindicatethattheFH40cryogenicsteelbasemetalhasexcellentcomprehensivemechanicalpropertieswithayieldstrengthof420MPa,tensilestrength
8、of518MPa,andCharpyimpactenergyof162Jat60,whilethelow-temperaturetoughnessofthejointfusionlineandtheheat-affectedzonewasdrasticallyreducedto16J.Resultsofamicrostructureanalysisindicatethatthebasemetalofcryogenicsteelwasafinepolygonalferriteandpearlitestructureandpearlitebandsoccurredat收稿日期:20220621基金
9、项目:国家自然科学基金资助项目(51701012)工程科学学报,第45卷,第8期:13351341,2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:13351341,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.21.003;http:/thecoreposition.Themicrostructureoftheheat-affectedzoneofweldingwasmainlyacicularferrite,butevidentmartensiticbandswereobse
10、rved in the core.The results of the Vickers hardness test revealed that the hardness of 229.7 HV0.05 for acicular ferrite and313.7HV0.05formartensite,whichwereapproximately40HV0.05and140HV0.05higherthantheoriginalpolygonalferrite,respectively.AnEBSDanalysisindicatesthatthekernelaveragemisorientation
11、ofthemartensiticbandwashighwithhighinternalstresses,whichwasthemaincauseofthesharpdecreaseinthelow-temperaturetoughnessoftheweldedjoint.ThepresenceofseverebiasofcarbonandmanganeseelementswasconfirmedthroughtheEDSanalysisofthebandingintheheat-affectedzone.Intherollingprocess,manycontinuouspearlite-ba
12、ndedstructureswereformedduetotheseverecentralsegregationofthebasemetal.Intheweldingprocess,thelocalhardenabilityincreasesduetothehighlocalcomposition,andthemartensiteofhardandbrittlephaseswasformedintherapidcoolingprocess,causingtheincreaseinthelocalstressandhardness.Thus,themismatchbetweensoftandha
13、rdphasesandorganizationledtoasharpdecreaseinthelow-temperaturetoughnessoftheweldedjoint.KEYWORDSFH40cryogenicsteel;centralsegregation;weldedjoint;low-temperaturetoughness;bandedstructures随着常规可开采的资源日渐枯竭,油气资源的开采逐渐走向远海、深海以及极地领域.另一方面,“冰上丝绸之路”的新航线对全球海运行业和全球竞争力有着重要的意义1.随着服役环境日趋恶劣,这对海洋工程用钢和极地船舶用钢提出了更高的要求,开
14、发具有高强度、低温高韧性和优异焊接性能的低温钢成为了经济发展的迫切需要14.然而,随着温度的降低,钢铁材料的塑性和韧性大幅度下降的问题一直以来是开发低温钢的难点5.目前,国内已经研发出性能优异的 FH32 和 FH36 等低温船板钢68,其中由英国劳氏船级认证的LT-FH32低温钢板已经应用于我国自行研发、设计、建造的8.3 万立方米超大型全冷式液化石油气运输船9.随着强度级别进一步提升至 400MPa 级,在满足优异焊接性能的同时具有60 优异低温韧性,FH40 级低温钢的开发存在着巨大的技术难度.晶粒细化是同时获得高强度和高韧性的有效且经济的重要手段1011.随着装备和技术的革新,利用晶粒
15、细化虽然可以开发出具有良好韧性的 FH40级低温钢母材,但是,其经焊接后,热影响区容易出现低温韧性不足的情况,从而严重制约 FH40 级低温钢的应用.目前,对于低温钢的焊接性能大都集中在热输入量、焊接方式等方面的研究1213.然而,由中心偏析带来的母材成分不均匀对焊接接头组织演变及低温韧性的影响方面的研究仍然缺乏1417.因此,本文旨在研究一种具有明显中心偏析的 FH40 级低温钢焊接接头的组织演变和低温韧性,以揭示钢板中心偏析对低温钢焊接性能的影响机理,为发展高强度 FH40 级高性能低温钢提供理论和实验基础.1材料与方法实验钢化学成分(质量分数)为:0.09%C,1.4%Mn,0.4%Ni
16、,0.02%Nb,0.012%Ti,其余为 Fe.实验钢采用钢包精炼炉(LF)+真空循环脱气精炼(RH)冶炼,并连铸成 230mm 厚钢坯.钢坯重新加热至1200 固溶处理后,经两阶段控制轧制成 11mm厚钢板,然后采用水冷加速冷却至返红温度 650.对两块实验钢开 40坡口后,采用直径为 1.2mm的商用 Supercord81-k2 焊材(屈服强度为 540MPa、抗拉强度为 620MPa,60 的冲击韧性为 55J),通过药芯焊丝气体保护焊平焊(FCAW-1G)方式进行 6 道次焊接,如图 1 所示.每道次焊接工艺参数如表 1 所示.根据国标 GB/T228.12010金属材料拉伸试验第
17、 1 部分:室温试验方法要求,将轧态实验钢加工成平行端直径为 5mm、试样总长度为65mm、平行端长度为30mm、原始标距为20mm、夹持端为螺纹的圆棒拉伸样品.按 2.5mmmin1的拉伸速率进行拉伸.根据国标 GB/T26502008焊接接头冲击试验方法要求,将轧态和经焊接处理的实验钢分别加工成带有 V 型缺口尺寸为10mm7.5mm55mm 的夏比冲击试样.焊接处理的实验钢 V 型缺口面垂直于试样表面,在熔合线位置以及距熔合线左右各 1mm 处的熔敷金属区和热影响区位置,开口占热影响区的比例分别为20%、50%和 90%,如图 1 所示,试样类型分别为VHT0/1、VHT1/1 和 VH
18、T1/1.分别对每个状态下的三个平行冲击试样进行60 夏比冲击实验V-notch for FL-1 sampleV-notch for FL sampleV-notch for FL+1 sampleWeldmetalBasemetalWeldpassFusionlineBasemetal132456图图1焊接接头及冲击试样示意图Fig.1Schematicdiagramoftheweldedpointandimpactsample1336工程科学学报,第45卷,第8期测定各试样冲击韧性,记为 KV2#1、KV2#2、KV2#3 以及均值 AverageKV2.取经焊接处理的实验钢冲击断裂后的
19、 VHT0/1 试样,对其开口面进行研磨抛光,并经体积分数为 4%硝酸酒精溶液浸蚀后,分别在金相显微镜和扫描电子显微镜下观察金相和扫描组织.采用MHV-10008 型数显显微硬度计,对热影响区和基体的不同组织进行硬度测定,加载载荷为 49N,保持15s,不同组织各取5 个点,取平均值,记为Value#1、Value#2、Value#3、Value#4、Value#5 以及 Aver-agevalue.对试样再次进行研磨抛光后,经成分(百分数为体积分数)为 85%酒精+10%高氯酸+5%甘油的电解液电解,在配有 OxfordSymmetry电子背散射衍射(EBSD)探测器和能谱仪(EDS)探测器
20、的 TESCANMIRA3LMH 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)下进行 EBSD 分析和能谱分析,实验参数为:加速电压为 20kV,工作距离为 16mm,倾转角为 70,步长为 0.1m.EBSD 实验数据使用 HKL公司 CHANNEL-5软件包进行分析处理.2实验结果与讨论2.1力学性能实验钢母材经拉伸试验测得其屈服强度为420MPa,抗拉强度为 518MPa,延伸率为 24%,具有良好的强塑性.实验钢母材和焊接接头的低温冲击韧性汇总于表 2 中.可以看出,实验钢母材在60 下具有优异的冲击韧性,夏比冲击功平均值为162J.焊接接头距熔合线往熔敷金属方向1mm(Fusionline,
21、FL1)位置的夏比冲击功平均值为 52J,与焊材本身的性能一致.然而,实验钢焊接接头熔合线(Fusionline,FL)和距熔合线 1mm 的热影响区(Fusionline,FL+1)位置的低温韧性急剧降低,冲击吸收功分别仅有 16J 和 17J,仅为母材的十分之一.2.2母材和热影响区显微组织图 2 给出了实验钢轧态母材的 SEM 显微组织照片.从图 2(a)可以看出,实验钢控制轧制和控制冷却后获得了细小的多边形铁素体和珠光体组织,珠光体组织呈明显的带状分布.根据 GB/T34474.12017钢中带状组织的评定第 1 部分:标准评级图法标准评定该带状组织等级为 3B.钢中带状组织的成因主要
22、为以下两种.第一,在控制轧制过程中,由于第二阶段精轧使得原始奥氏体呈压扁状分布,在后续冷却过程中,铁素体组织在原始奥氏体晶界形核长大,由于晶界呈压扁的带状分布加上铁素体的晶界择优形核,使得铁素体珠光体组织呈现出带状;另一种导致带状组织形成的原因是中心偏析形成 C、Mn 偏析区.C、Mn偏析区在轧制过程中形成偏析带,由于偏析带上的 C、Mn 含量较高而形成珠光体带.在实验钢母材中,可以看到珠光体组织既均匀分布在铁素体基体中间,又存在于细小的窄带上呈带状分布.由此可以推测,实验钢母材中的珠光体带状组织主要是由于中心偏析造成的.经过对铁素体晶粒统计分析可知,铁素体晶粒直径主要分布在 25m,平均晶粒
23、直径约 3.8m.从图 2(b)可以看出,珠光体组织为片层不完整的退化珠光体组织(Degene-ratedpearlite).研究表明18,超细晶的 20MnSi 螺纹钢(铁素体珠光体)的韧脆转变温度(DBTT)可达到120.由此可见,实验钢通过细化铁素体晶粒,使母材获得了优异的低温冲击韧性与高强度的匹配,60 低温冲击功高达 162J.在金相显微镜 100 倍的放大倍数下观察焊接接头组织,如图 3 所示.其中,图 3(b)(e)是对应图 3(a)中(1)(4)位置的局部放大图像.熔合线表表1焊接工艺参数Table1ParametersoftheweldingprocessWeldingmet
24、hodWeldpassInterpasstemperature/Diameterofwire/mmWeldingcurrent/AWeldingvoltage/VWeldingspeed/(cmmin1)Heatinput/(kJcm1)FCAW-1G1roomtemperature1.2150155212210.717.719.12and31001.2170180232410.822.324.74,5,and61201.2170180232414.815.917.5表表2不同状态试样的冲击性能Table2Impactpropertiesofthesamplesindifferentstate
25、sSamplesCharpyimpactenergyat60/JKV2#1KV2#2KV2#3AverageKV2As-rolled150170165162Weld(FL1)73434152Weld(FL)16131916Weld(FL+1)15181917柳志鹏等:中心偏析对 FH40 低温钢焊接组织性能的影响1337的显微组织也为细小的针状铁素体贝氏体组织,如图 3(b)所示.在熔覆金属与熔合线交接处,显微组织为仿晶界铁素体和针状铁素体贝氏体组织,如图 3(c)所示.从图 3(a)可以看出,实验钢焊接热影响区存在着明显的黑色带状组织,在 1/4 厚度以内的中心位置黑色带状组织最为明显.可以
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