段東明，唐夢霞，卜 勇，吳 潤

（1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司熱軋總廠，湖北 武漢，430083；3.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北 武漢，430080）

大線能量焊接鋼作為大型成套工程構(gòu)件用鋼由于具備既能承受大線能量焊接又有低焊接裂紋敏感性等優(yōu)點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著愈來愈重要的作用，目前國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)正在加緊進(jìn)行該方面的研究［1－4］。本文圍繞降低大線能量焊接鋼的低溫裂紋敏感性問題，對武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司生產(chǎn)的WDL610E2熱軋中厚板進(jìn)行調(diào)質(zhì)后的組織及性能研究，旨在拓展大線能量焊接鋼的使用范圍［5］。

1 WDL610E2鋼生產(chǎn)流程及試驗(yàn)方法

1.1 生產(chǎn)流程

WDL610E2鋼生產(chǎn)流程：高爐鐵水→KR脫硫（［S］≤0.005%）→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉（加入FeMn或［Mn、Fe］Si等）→RH 真空處理（微調(diào)Ti、Nb、V等）→連鑄（長水口氬封保護(hù)性澆鑄，鑄坯堆冷）→2800軋機(jī)軋制（加熱溫度為1260～1320℃，終軋溫度為830～880℃，末三道次壓下率大于35%）→調(diào)質(zhì)熱處理（930℃淬火，620℃回火）→探傷→成品檢驗(yàn)→入庫。

1.2 試驗(yàn)方法

分別取樣于熱軋和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼板在ZEISS Axioplan 2多功能金相顯微鏡（德國）下進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能分析，選取部分鋼樣制備成金屬薄膜，在JEM－2000ES型透射電子顯微鏡（TEM，日本）上進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)分析。

按GB／T 228.1—2010進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將厚度為44、50、60mm的WDL610E2鋼板加工成d0＝10mm、標(biāo)距L0≥1.5d0的圓柱形Z向拉伸試樣（每種材料6件），在WE－60液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拉伸應(yīng)力速率為6～60MPa／min。

按GB∕T 21143—2007進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，CTOD試 樣 取 自36、44、50及60mm 厚 的WDL610E2鋼板，試樣經(jīng)機(jī)械加工及線切割缺口后，在INSTRON－1251試驗(yàn)機(jī)上使初始裂紋長度a0與試樣寬度W之比為0.45，試驗(yàn)跨距S＝4 W 。CTOD試驗(yàn)采用多試樣法，由測定的δR－Δa曲線（CTOD阻力曲線）確定臨界CTOD參數(shù)δi及條件CTOD參數(shù)δ0.05。

采用EG－60焊絲（日本）對50mm厚的鋼板進(jìn)行線能量為100kJ／cm氣電立焊試驗(yàn)，對焊接后的鋼板，以焊接頭為中心加工成標(biāo)準(zhǔn)板狀拉伸和沖擊試樣，測定其拉伸性能和沖擊韌性。焊接后的試樣進(jìn)行180°冷彎，參數(shù)為：b＝2a，d＝3a（a為試驗(yàn)厚度；b為試樣寬度；d為彎心直徑）。

2 結(jié)果與分析

2.1 WDL610E2鋼化學(xué)成分

WDL610E2鋼化學(xué)成分如表1所示。從表1中可看出，試驗(yàn)鋼中P含量控制極低，Pcm＝［C］＋［Si］／30＋ ［Mn］／20＋ ［Cu］／20＋ ［Cr］／20＋［Ni］／60＋［Mo］／15＋［V］／10＋5［B］＝0.187%，裂紋敏感系數(shù)小于0.20%；Ceq＝［C］＋［Mn］／6＋（［Ni］＋［Cu］）／15＋（［Cr］＋［Mo］＋［V］）／5＝0.368%，碳當(dāng)量小于0.4%；微合金元素有Zr、V、Ti。

表1 WDL610E2鋼化學(xué)成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of WDL610E2steel

2.2 WDL610E2鋼力學(xué)性能及其組織

WDL610E2鋼熱軋態(tài)力學(xué)性能如表2所示。從表2中可看出，板厚為36mm時(shí)鋼樣屈服強(qiáng)度為405～425MP；厚度增至60mm時(shí)，鋼樣屈服強(qiáng)度下降至335～350MPa。所有厚度系列的鋼板延伸率均大于25%，－20℃下的沖擊功不低于25J。

表2 WDL610E2鋼熱軋態(tài)力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of hot rolled WDL610E2

WDL610E2鋼熱軋態(tài)組織如圖1所示。從圖1中可看出，粗大的奧氏體晶粒經(jīng)多次變形和再結(jié)晶后有了一定程度的細(xì)化，經(jīng)末三道次軋制（壓下率大于35%）后，通過奧氏體未再結(jié)晶區(qū)熱變形，鐵素體在變形帶和γ晶界上形成了細(xì)小的晶核 ，但條帶狀組織較為明顯，這種帶狀組織的出現(xiàn)使得垂直于軋向的鋼樣拉伸性能較差。

WDL610E2鋼調(diào)質(zhì)后顯微組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可看出，經(jīng)930℃?；幚砗螅摌咏M織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，珠光體中碳化物完全固溶進(jìn)入奧氏體，均勻單相固溶體水冷后，發(fā)生非擴(kuò)散型相變，最終形成具有高密度位錯的板條馬氏體（圖2（a））；經(jīng)630℃高溫回火后，鋼樣中高密度位錯板條馬氏體使基體發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶時(shí)組織細(xì)小，過飽和碳化物從固溶體中析出形成細(xì)小的球形顆粒（圖2（b））；此外，鋼中的微小Ti、Zr粒子在調(diào)質(zhì)處理過程中使運(yùn)動位錯進(jìn)一步糾纏于周圍，因而保持了基體高密度位錯結(jié)構(gòu)，同時(shí)釘扎移動晶界，使晶粒保持細(xì)小，從而改善了WDL610E2鋼的組織性能。

圖1 WDL610E2鋼熱軋態(tài)組織Fig.1 Microstructure of WDL610E2steel at hot rolling state

圖2 WDL610E2鋼調(diào)質(zhì)后的顯微組織Fig.2 Microstructure of WDL610E2steel after queching and tempering

WDL610E2鋼調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能如表3所示。從表3中可看出，鋼樣調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)度指標(biāo)較調(diào)質(zhì)處理前上升了200MPa左右，延伸率指標(biāo)有所下降，沖擊功大幅度提高，最高達(dá)126J，調(diào)質(zhì)處理明顯改善WDL610E2鋼的力學(xué)性能。

表3 WDL610E2鋼調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能Table3 Mechanical properties of WDL610E2steel after queching and tempering

2.3 調(diào)質(zhì)WDL610E2鋼Z向拉伸性能

調(diào)質(zhì)WDL610E2鋼Z向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中可看出，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，3種厚度的WDL610E2鋼板ψZ值均超過行業(yè)最高級標(biāo)準(zhǔn)值（35%），具有較高的抗層狀撕裂能力。這是由于調(diào)質(zhì)處理消除了熱軋帶狀組織，使珠光體中Fe3C轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植假|(zhì)點(diǎn)，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化，從而改善了鋼板的組織性能和力學(xué)性能。

2.4 調(diào)質(zhì)WDL610E2鋼斷裂韌性和焊接性能

調(diào)質(zhì)WDL610E2鋼CTOD值如表5所示。從表5中可看出，WDL610E2鋼的δi值為0.152～0.305，δ0.05值為0.157～0.202，CTOD值顯示出調(diào)質(zhì)后的WDL610E2鋼具有較高穩(wěn)定水平和較低的裂紋敏感性。這是由于調(diào)質(zhì)處理后的WDL610E2鋼中板條馬氏體中高密度位錯使基體在回復(fù)與再結(jié)晶時(shí)形成的細(xì)小組織以及過飽和碳的彌散析出，其晶界或顆粒碳化物限制和鈍化了裂紋的擴(kuò)展和發(fā)散。

表5 調(diào)質(zhì)WDL610E2鋼CTOD值Table5 CTOD values of WDL610E2steel

WDL610E2鋼板焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接頭抗拉強(qiáng)度大于660MPa，拉伸斷裂發(fā)生在焊縫以外15mm處，斷裂部位有明顯塑性變形（圖3），冷彎180°后，中心部位完好，冷彎試樣彎曲部位雖有明顯的塑性變形，但未出現(xiàn)裂紋，表明調(diào)質(zhì)處理后的WDL610E2鋼具有優(yōu)良的焊接性能，能承受較大的線能量焊接。調(diào)質(zhì)處理后的細(xì)小相組織（碳當(dāng)量為0.368）或固溶碳析出碳化物粒子使得WDL610E2鋼淬透性小，焊接頭附近的熱影響區(qū)未出現(xiàn)馬氏體組織，加上組織中的Ti或Zr氧化物粒子促進(jìn)了針狀鐵素體的形成［6］，使得斷裂發(fā)生在焊縫以外，且有明顯的塑性變形。

圖3 WDL610E2鋼板焊接頭拉伸斷裂照片（100kJ／cm線能量焊接）Fig.3 Tensile fracture of WDL610E2plate welded joints（100kJ／cm line energy welding）

3 結(jié)論

（1）調(diào)質(zhì)處理消除了WDL610E2鋼熱軋帶狀組織，使珠光體中Fe3C轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植假|(zhì)點(diǎn)，改善了 WDL610E2鋼的組織性能和力學(xué)性能，60 mm的WDL610E2中厚板，縱向拉伸Rm為630～645MPa，ψZ為56%～70%，－20℃下的沖擊功為52J，具有較高的抗層狀撕裂能力。

（2）調(diào)質(zhì)處理后，WDL610E2鋼板條馬氏體中高密度位錯使基體在回復(fù)與再結(jié)晶時(shí)形成的細(xì)小組織以及過飽和碳的彌散析出，其晶界或顆粒碳化物限制和鈍化了裂紋的擴(kuò)展和發(fā)散，δi為0.152～0.305，δ0.05為0.157～0.202，具有很低的裂紋敏感性。

（3）調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的細(xì)小組織或固溶碳析出碳化物粒子使得焊縫附近不容易出現(xiàn)馬氏體，鋼中含Ti或Zr氧化物粒子促進(jìn)了組織中針狀鐵素體的形成，使得WDL610E2鋼具有優(yōu)良的焊接性能，并能承受大線能量焊接。

［1］P S Bandyopadhyay，S K Ghosh，S Kundu，et al.Phase transformation and mechanical behavior of thermomechanically controlled processed high strength ordnance steel［J］.Materials Chemistry and Physics，2013，138：86－94.

［2］廖建國.大線能量焊接用厚鋼板的發(fā)展［J］.寬厚板，2002，8（2）：44－48.

［3］秦曉鐘.國外壓力容器用低合金鋼強(qiáng)鋼概況［J］.化工與通用機(jī)械，1979（1）：18－28.

［4］張莉芹.大線能量低焊接裂紋敏感性鋼WDL590D2、WDL610E2的研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2000.

［5］陳曉.低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度低合金鋼的性能研究及應(yīng)用前景［J］.鋼鐵研究，1989（3）：3－10.

［6］A M Guo，J Guo，W X Yuan，et al.Influence of Zr on toughness of HAZ for ultra high strength low carbon banite steel［J］.Iron and Steel Supplement，2005，40：132－136.