超低碳對焊接熱模擬后x80鋼粗晶區(qū)組織和韌性的影響

隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步和控制、切割和冷卻槽的開發(fā)，鉻技術(shù)的進(jìn)步顯著提高了鋼鐵材料的產(chǎn)量，為鋼鐵行業(yè)帶來了新的發(fā)展動(dòng)力。中國、日本和韓國提出的聯(lián)合鋼研究計(jì)劃尤其體現(xiàn)了這種發(fā)展趨勢。這些技術(shù)的應(yīng)用反映在最具代表性的國家鋼鐵工業(yè)技術(shù)水平的管道鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用上。當(dāng)一種新型鋼材料成為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，需要考慮其焊接加工性能。也就是說，考慮到焊接熱影響材料的組織和性能。通過tp工藝生產(chǎn)的管道鋼是變形加熱和沉淀硬化的鋼種。由于組織的小，因此表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和彈性。在焊接熱的作用下，材料組織越細(xì)，越長，損傷越大。為了促進(jìn)這種材料的應(yīng)用和研究，我們研究了下一代x80管道鋼焊接厚區(qū)域的組織和堅(jiān)韌。1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法1.1材料的化學(xué)成分本文選用金屬研究所研制的4種X80管線鋼,其化學(xué)成分如表1所示.由表可知,207#和5502#鋼是超低碳的,并且所選4種材料中有3種的雜質(zhì)含量水平很低,最少的只有44×10-4%.其中都加入了Nb、V微合金化元素,406#、3102#、5502#是經(jīng)Ti微合金化的.從所選4種材料的化學(xué)成分來看,基本上反映了國內(nèi)外X80鋼的合金化水平.4種材料的原始組織主要為等軸鐵素體和針狀鐵素體,圖1所示為其中2種材料(超低碳和低碳)的金相組織.材料以這2種組織為主時(shí)具有很高的沖擊韌性,并在-80°C時(shí)韌性仍保持在300J/mm2以上.由圖2(縱坐標(biāo)aKV為沖擊功)給出的沖擊性能可見,超低碳207#和5502#的韌性比低碳的406#和3102#的韌性在-20°C以上時(shí)提高近50J/mm2,在-20°C以下時(shí)則提高近150J/mm2.由此可見,超低碳對材料在-20°C以下的低溫韌性是十分有益的.這可能是由于碳增加了材料的淬硬性而降低了材料的低溫韌性.1.2熱模擬過程與過程采用焊接熱模擬的方法來研究經(jīng)歷一次熱循環(huán)時(shí)的粗晶區(qū)組織與韌性.試驗(yàn)設(shè)備采用Gleeble1500動(dòng)態(tài)熱、力模擬試驗(yàn)機(jī).試樣尺寸為7.5mm×10mm×55mm.焊接熱模擬參數(shù)與管線鋼制管過程中采用的實(shí)際焊接線能量一致,熱模擬的峰值溫度為1300°C,t8/5=26.9s,焊接熱輸入為10kJ/cm.熱模擬過程為:將熱模擬試樣由室溫加熱3.4s到1300°C后保溫2s,經(jīng)8s冷卻到1000°C,再以5.4s的時(shí)間冷卻至800°C,然后經(jīng)26.9s冷卻至500°C,再分別經(jīng)55s和30s冷卻到300°C和200°C,對于200°C以下的冷卻時(shí)間不做要求.采用V型缺口Charpy沖擊試樣的低溫沖擊值來評價(jià)材料的焊接粗晶區(qū)韌性;用FEM-4光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察,并確定馬氏體-奧氏體(M-A)組元的含量;用MSF2903X-射線應(yīng)力分析儀測定粗晶區(qū)中的殘余奧氏體含量;采用PhilipsEM420分析電子顯微鏡觀察組織的精細(xì)結(jié)構(gòu).2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1低溫沖擊韌性低碳和超低碳材料粗晶區(qū)的組織如圖3所示.2種材料經(jīng)焊接熱循環(huán)模擬后的晶粒與其原始組織相比明顯粗化,其組織都為粒狀貝氏體組織.低溫沖擊韌性值A(chǔ)KV-20°C如表2所示.由表2可知,給出的4種材料的粗晶區(qū)沖擊性能與原材料相比,韌性發(fā)生了顯著的降低.根據(jù)其韌性水平正好可分為2組,與其碳含量的水平相對應(yīng),即超低碳的207#和5502#的HAZ具有很高的韌性,低碳的406#和3102#的HAZ韌性經(jīng)焊接熱循環(huán)后發(fā)生嚴(yán)重惡化,最低僅為6J.2.2材料碳含量對m-a組元碳含量的影響一般情況下,粒狀貝氏體的韌性取決于貝氏體鐵素體及島狀組織(可以是馬氏體、M-A組元、碳化物或以上幾種產(chǎn)物并存)這兩個(gè)部分.島狀組織的大小、數(shù)量、分布及形態(tài)的改變對韌性有很大的影響.在光鏡下,島狀組織一般指M-A組元,它與碳含量有關(guān),一般情況下,碳含量增加時(shí)M-A組元的含量增加.文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明,碳在M-A組元中發(fā)生了偏聚,經(jīng)試驗(yàn)測定,M-A組元中的碳含量明顯高于周圍的基體,隨鋼中碳含量的增加偏聚進(jìn)一步增加,雖然在透射電鏡觀察時(shí)未發(fā)現(xiàn)孿晶馬氏體,但是隨著碳含量的增加其硬度增加、塑性降低,在形變過程中與貝氏體鐵素體基體之間的變形協(xié)調(diào)能力越差,越易在它與基體之間的界面上產(chǎn)生微裂紋.因此,隨著碳含量的增加,M-A組元的含量增加,其中馬氏體的硬度增加,塑性下降,粗晶區(qū)的沖擊韌性下降.本文4種材料的M-A組元數(shù)量、殘余奧氏體數(shù)量如表3所示.由表3可知,M-A組元的含量隨材料中碳含量的增加而增加,相變前奧氏體中總碳量增加,從而在貝氏體一次相變結(jié)束時(shí),富碳奧氏體區(qū)增多,在二次相變過程中形成的小島數(shù)量就會(huì)增加.隨著碳含量的增加,M-A組元中殘余奧氏體的含量減少.殘余奧氏體在M-A組元中是比較軟的相,在斷裂過程中可能誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變而消耗能量,對斷裂有阻礙作用.而且粗晶區(qū)中的殘余奧氏體含量在M-A組元中所占的比例越高,對韌性的改善越有利.2.3角或塊型的m-a組元在觀察4種材料粗晶區(qū)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí),超低碳材料中的貝氏體鐵素體板條之間界限明顯(見圖4(a)),很少有殘余奧氏體或M-A組元出現(xiàn),只是在幾個(gè)板條交界的地方形成三角或塊型的M-A組元(見圖4(b));而在2種低碳材料中,還出現(xiàn)長條的馬氏體或殘余奧氏體,甚至形成Fe3C,如圖5所示.存在于貝氏體鐵素體板條之間的馬氏體由于其硬而脆,與貝氏體鐵素體之間的變形協(xié)調(diào)性差,容易在兩相的交界處產(chǎn)生微裂紋而損害韌性,若形成Fe3C則對韌性更加有害.因此,在兩種低碳鋼中出現(xiàn)的馬氏體和Fe3C是嚴(yán)重?fù)p害粗晶區(qū)韌性的主要原因.3低碳時(shí)粗晶區(qū)韌性的表現(xiàn)(1)X80鋼具有很高的韌性和超細(xì)化組織,經(jīng)焊接熱模擬后粗晶區(qū)組織明顯粗化,韌性顯著下降.(2)低碳時(shí)在粗晶區(qū)中的貝氏體