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油罐钢高热量焊接CGHAZ组织与力学性能

油罐钢高热量焊接CGHAZ组织与力学性能

摘要

采用Gleeble-3500、扫描电镜、透射电镜和能谱仪研究了不同Ti含量的油罐钢粗晶热影响区(CGHAZ)的组织和力学性能。结果表明,高钛钢母材的强度和低温韧性显著提高,但高热量输入焊接后,CGHAZ的冲击韧性严重恶化,随着热输入的增加,冲击韧性急剧下降,热输入对低钛钢冲击韧性的影响很弱,随着焊接热输入的增加,由于粒状贝氏体的增加、TiN颗粒的粗化和(Ti,Nb)N成分的演变,低钛钢的冲击韧性逐渐大于高钛钢高钛钢的输入焊接。

关键字:钛钢;热影响区;冲击韧性;锡粒子

1背景

高强度低合金钢已广泛应用于建造油罐等大型结构物,因为其体积大,达1000-2000万立方米,施工中需要大量焊接工作[1-3]。为了节约成本,提高施工效率,必须采用埋弧焊、电弧焊等高效的自动焊接方法。然而,焊接热输入过高会导致热影响区的强度和韧性显著降低,尤其是粗晶热影响区(CGHAZ)。CGHAZ靠近熔合线,峰值温度接近钢的熔点,导致奥氏体晶粒明显粗化,出现粗晶脆化。同时,峰值温度后的持续快速冷却也促使上贝氏体和粒状贝氏体的形成,导致组织脆性[4-6]。

在低合金高强度钢中加入Ti、Nb等微合金元素,可以显著提高CGHAZ的韧性,这是由于Ti、Nb和C、N在钢中的作用形成了细小的弥散碳氮化物。这些碳氮化物阻止了奥氏体晶粒的生长,改善了CGHAZ的二次组织。然而,这些第二相粒子在经历焊接热循环时溶解、生长和再沉淀;第二相粒子的大小、数量和分布在焊接过程中受到影响,然后阻碍奥氏体晶粒长大的能力和CGHAZ的韧性也受到影响[7,8]。因此,研究钛含量对高强度油罐钢在进行高热量输入焊接时的影响具有重要意义。利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了不同Ti含量的钢在焊接热循环中的冲击韧性和硬度。

2实验

2.1材料

试验用钢为我实验室研制的690MPa级油罐钢,其化学成分见表1。A为低钛钢,B为高钛钢,钢锭经控制轧制冷却后离线淬火回火,力学性能均满足690MPa级油罐钢的要求。A钢的Rm为725 MPa,Rcl=640 MPa,B钢的Rm为820 MPa,Rcl=780 MPa。

2.2方法

采用Gleeble-3500热模拟试验机对CGHAZ焊接热循环进行了模拟。用10mm×9mm×9mm×55mm横向制备试样,在热电偶连接的焊点中心开缺

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图1不同焊接热输入下CGHAZ的硬度和冲击韧度

a为CGHAZ与母材的韧性,b为CGHAZ与母材的硬度

口,进行夏比V形缺口冲击试验。加热速率为130(°)×s-1在热循环模拟过程中,峰值温度(Tp)为1320°C、峰值温度延迟时间为1s,冷却时间为800~500℃(T8/5)分别为15、36和46 s,对应于30、50和80 kJ×cm-1的焊接热输入。

热模拟试样经研磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀,用光学显微镜和场发射扫描电镜观察其微观结构。提取复型样品用speed法制作TEM观察。在JEM-2000透射电镜下观察了第二相粒子的大小、形貌和分布。同时,从连接热电偶的焊点中心切取400lm薄片,研磨至80μm后做Φ3mm间隙,然后在5%高氯酸溶液中进行电解双射流试验?在95%乙醇溶液中,透射电镜观察到了细小的微观结构。在载荷为10kg的维氏硬度下测量硬度,得到多点数据后的平均值。

3结果与讨论

3.1母材和CGHAZ的低温冲击韧性和硬度

图1显示了不同焊接热输入下的冲击韧性和硬度,其中零热输入表示母材。高钛钢(B钢)母材的冲击韧性比低钛钢(A钢)高87J,如图1a所示,但随着热输入的增加,A钢和B钢的韧性均降低。当焊接热输入达到80kJ×cm-1,高钛钢的低温冲击韧性只有18j,韧性急剧下降。

A钢和B钢的硬度均高于母材经历焊接热循环后的硬度,且均先上升后下降,如图1b所示,这是因为在连续冷却条件下,奥氏体转变为板条贝氏体和粒状贝氏体。随着冷却时间从800~500℃(T8/5),粒状贝氏体数量增加,板条贝氏体数量减少,导致CGHAZ的硬度和韧性逐渐降低[9]。

3.2焊接热输入对热影响区组织的影响

贝氏体是由少量的钛铁素体和少量的钛钢组成的。采用Gleeble3500对母材进行焊接热模拟试验,焊接热输入为30KJ×cm-1,CGHAZ组织主要由板条贝氏体和少量粒状贝氏体组成,如图2b所示,这种混杂组织保证了低钛钢焊接热循环后CGHAZ具有较高的硬度和韧性。此外,在CGHAZ中发现了晶内针状铁素体,如图3a所示,这是低钛钢CGHAZ韧性高于母材的另一个原因。焊接热输入为50kJ×cm-1,CGHAZ组织以板条贝氏体为主,但粒状贝氏体增多,原始奥氏体晶粒长大,如图2c所示,CGHAZ的韧性开始下降。当焊接热输入达到80kJ×cm-1时,CGHAZ组织主要由上贝氏体组成,原始奥氏体晶粒明显长大,贝氏体板条和铁素体板条变粗,韧性明显下降,如图2d所示。

图2e显示了高钛含量钢(B钢)的母材组织,其主要成分是典型的回火贝氏体。当焊接热输入为30kJ×cm-1,CGHAZ组织主要由板条贝氏体和少量粒状贝氏体组成,如图2f所示,这种组织保证了高钛钢CGHAZ焊后具有较高的硬度和韧性。焊接热输入为50kJ×cm-1,CGHAZ组织以板条贝氏体为主,但粒状贝氏体增多,原始奥氏体晶粒长大,韧性明显下降。当焊接热输入达到80kJ×cm-1,CGHAZ组织主要由上贝氏体组成,原始奥氏体的晶界变得模糊,如图2h所示;CGHAZ的韧性严重恶化,仅为8J。

当焊接热输入为50KJ×cm-1时,用TEM进一步观察,发现低钛钢(A钢)的CGHAZ晶粒尺寸因晶内针状铁素体的作用而减小,如图3a所示,而高钛钢(B钢)的CGHAZ中发现粗M-A岛成分,如图3b所示,报告[10]当M-A岛构件的平均弦长大于2μm时,形成了格里菲斯裂纹的临界尺寸。进一步测量了高钛钢中M-A岛状组分的体积分数和CGHAZ的平均弦长,发现高钛钢的M-A岛状组分和CGHAZ的平均弦长随着焊接热输入的增加而增加,从而造成冲击低温韧性下降严重。

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图2不同焊接热输入下母材和CGHAZ的扫描电镜图像:a:A钢的金属基底,b: 30KJ×cm-1的A钢,c:50KJ×cm-1的A钢,d: 80 KJ×cm-1的A钢,e:B钢的金属基底,f: 30KJ×cm-1的B钢,g: 50KJ×cm-1的B钢,h :80KJ×cm-1的B钢

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图3 CGHAZ的TEM图像:a:50KJ×cm-1的A钢,b:50KJ×cm-1的B钢


3.3 CGHAZ中夹杂物和第二相粒子的影响

微量合金元素添加剂导致高熔点颗粒的形成,这些颗粒一方面钉住奥氏体晶界,阻止奥氏体晶界迁移,限制奥氏体晶粒长大;另一方面,它们提高了相变的形核点,以获得更细的微观结构[13,14]。在钢中加入Ti、Nb微合金元素,可形成碳氮化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大,影响焊缝和热影响区的显微组织,提高接头性能[15,16]。粒径越小,阻止奥氏体晶粒长大的作用越大。目前,研究了不同钛含量对CGHAZ性能的影响。

图2e–h中的箭头显示了母材和高钛钢CGHAZ中2–5 lm的方形夹杂物,通过能谱仪(EDS)分析,它们主要由Nb氮化物或Ti氮化物组成。然而,高钛含量钢(B钢)的Ti/N比值过大,凝固过程中产生了粗大的TiN颗粒,粗的TiN颗粒不能有效地阻止奥氏体晶粒的长大。这也是高热量输入焊接后CGHAZ冲击韧性严重恶化、随热输入增加而急剧下降的原因之一。

用透射电镜观察提取复型样品。结果表明,焊接后基体中有大量细小的析出颗粒弥散分布,其形貌呈规则的矩形和立方体,如图4所示。在低钛钢(A钢)和高钛钢(B钢)中析出的第二颗粒均含有Ti和Nb元素,它们是Ti氮化物或Nb氮化物。EDS分析表明,高钛钢中(Ti,Nb)N颗粒的平均含量为73%Ti和27%Nb;低钛钢中(Ti,Nb)N颗粒的平均含量为55%Ti和45%Nb。结果表明,第二粒子(Ti,Nb)N中Ti含量越高,CGHAZ的韧性越差。

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图4 CGHAZ中第二相粒子的TEM图像和EDS分析:a:A钢在CGHAZ中的第二相粒子,b:A钢的EDS分析,c :CGHAZ中B钢的第二相粒子,d:B钢的EDS分析


4结论

目前,研究了不同钛含量对CGHAZ组织和性能的影响,当焊接热输入达到80KJ×cm-1时,本实验室研制的低钛钢CGHAZ低温韧性仍能满足性能要求。微量合金元素Ti的加入提高了钢的强韧性,但对Pcm(碳当量)没有贡献,过多的Ti显著降低了焊接过程的力学性能。同时,随着Ti含量的增加,第二粒子(Ti,Nb)N的组成从55%Ti显著变化到73%Ti,在高热量输入焊接过程中析出物增多、粗化,低温冲击韧性迅速下降。


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