Ni-Cr-Mo-B低合金钢模拟焊接热影响区的组织和性能

作者:王小勇;潘涛;苏航;李向阳 刊名:材料热处理学报 上传者:郝晓锋

【摘要】用Gleeble-3800热模拟机对Ni-Cr-Mo-B低合金高强度钢进行不同焊接热输入条件的下热模拟试验,研究了模拟焊接热影响区的组织和性能,探讨了不同热输入条件(对应不同的t8/5)对钢中微观组织及形态的影响以及组织与低温韧性的关系。结果表明:随着热输入能量的增加,此类钢焊接热影响区的低温韧性呈现先增后降的规律。当以中等焊接热输入施焊,在热影响区形成贝氏体/马氏体复相组织,先形成的贝氏体对原始奥氏体晶粒的分割作用,使后生成的板条马氏体具有更细的板条束,从而获得最佳的低温韧性。而低热输入时形成全马氏体组织,高热输入时获得一定量的粒状贝氏体,两种组织的低温韧性均低于贝氏体/马氏体的复相组织。

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微B处理调质态Ni-Cr-Mo系低合金钢,是近30多年来国内外广泛研究和使用的一大类高强度、高韧性、多用途的钢种。这类钢强韧性匹配极佳,并具有良好的淬透性能,多用于压力容器、海洋工程等对厚度规格要求较大的领域[1-3]。但由于合金元素加入量的原因,这类钢的焊接过程的焊接工艺较难掌握,焊接热影响区(HAZ)性能出现不同程度的降低[3]。钢中焊接热影响区的组织,主要受母材的化学成分和焊接热循环条件的影响。在焊接热循环的加热阶段,母材发生奥氏体化,母材中的析出物也会发生粗化或重溶。在热循环的冷却阶段,基体会发生相变而转变成马氏体、铁素体或贝氏体,粗化的或者新的析出物将分布其中[4-7]。掌握和了解经历焊接热循环后HAZ组织和性能的变化,对Ni-Cr-Mo-B低合金高强钢在焊接结构中的实际应用具有重要的意义。本文基于焊接物理模拟技术,在Gleeble-3800热模拟试验机上进行热模拟试验,分析Ni-Cr-Mo-B低合金高强钢焊接热影响区的组织与性能,为实际生产提供依据。1试验材料与方法试验用钢板的化学成分和力学性能如表1所示,试样垂直于轧向(横向)取样,尺寸为10.5mm10.5mm80mm。经粗磨后在Gleeble-3800热模拟试验机上进行一次焊接热循环试验。根据生产中的实际焊接过程及三维传热模型[8-9],选定试验参数为:分两阶段加热,1200以前,加热速率为100/s;1200以后,加热速率为50/s,峰值温度为1320,高温停留1s,冷却时在800500间的冷却时间(t8/5)分别选用7.5、10、20、30、40、60和100s,以此来分析冷却速率(或焊接热输入)对钢焊接热影响区性能的影响。热模拟后的试样,加工成10mm10mm55mm的夏比V型冲击试样进行冲击实验。对热模拟后的试样,分别用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液腐蚀试样,观察显微组织;用饱和苦味酸酒精溶液腐蚀试样,观察其晶粒度;用Lepara着色侵蚀剂(1%偏重亚硫酸钠水溶液+4%苦味酸酒精溶液)腐蚀试样,观察显微组织中M/A组元的形态、数量和分布。表1试验钢母材的化学成分(质量分数,%)和力学性能Table1Chemicalcomposition(massfraction,%)andmechanicalpropertiesofthetestedsteelCSiCrAlsNiMoMnSPBNVTiFeRel/MPaAKV(-40)/J0.150.20.30.052.00.31.20.00080.0050.0020.0060.020.02Bal.73081图1母材和不同t8/5条件下HAZ的显微组织(OM)Fig.1MicrostructureofparentsteelandHAZunderdifferentcoolingtimefrom800to500(t8/5)(a)parentsteel;(b)7.5s;(c)20s;(d)100s2试验结果2.1试验钢原始组织和冲击性能试验钢轧后经调质处理,原始组织为板条回火马氏体,如图1(a)所示。试验钢的屈服强度和-40时的冲击韧性如表1所示,从结果看,试验钢在调质态下具有较好的冲击韧性。2.2焊接热模拟后的组织焊接热模拟后热影响区的显微组织如图1所示,由图1可见,t8/5较小时(7.510s),主要为板条状马氏体(如图1b);随着t8/5增大为2030s时,开始出现部分板条贝氏体(如图1c);当t8/5为40s时,主要为板条贝氏体和部分粒状贝氏体(如图4e,4f));当t8/5进一步增大为60s、100s时,粒状贝氏体组织大量出现,且M/

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