低Mn條件下Ni含量對熔敷金屬低溫韌性的影響

熊琛琛+施玉清+湯劍+楊恒闖+陳冰泉

摘 要 設計了熔敷金屬中Mn為0.6%，Ni含量分別為0.8%、1.1%、1.7%的三組焊條，探究在低Mn條件下不同Ni含量對熔敷金屬低溫韌性的影響。通過沖擊試驗、硬度試驗、斷口分析和金相觀察研究了各組焊條熔敷金屬的低溫沖擊韌性、硬度、斷口及金相組織。研究表明：在熔敷金屬Mn0.6%條件下：隨Ni量增高，沖擊功下降，含Ni1.7%的焊條熔敷金屬在-40℃至-50℃之間發生脆性轉變；Ni含量≤1.1%時，焊縫金屬顯微硬度變化不大，Ni含量達1.7%時，焊縫金屬顯微硬度下降；熔敷金屬中Ni為0.8%、1.1%、1.7%時，其金相組織分別為先共析鐵素體、針狀鐵素體、等軸鐵素體+少量珠光體。

關鍵詞 熔敷金屬 低溫韌性 Mn含量 Ni含量

中圖分類號：TG422.5 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.020

The Effects of Ni Content on Low Temperature Toughness of Deposited

Metal under the Condition of Low Mn-content

XIONG Chenchen[1]， SHI Yuqing[2]， TANG Jian[1]， YANG Hengchuang[3]， CHEN Bingquan[1]

（[1] Wuhan Huaxia University of Technology， School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan， Hubei 430223；

[2] National Optical Products Inspection Services Center， Wuhan， Hubei 430223；

[3] Wuhan Temo Welding Consumables Co.， Ltd， Wuhan， Hubei 430084）

Abstract This work designs three groups of electrode whose deposited metal`s Mn-content are 0.6%， and Ni-content are 0.8%， 1.1%， 1.7% respectively in order to study the effects of different Ni-content on low temperature toughness of deposited metal. We study the low temperature impact work， hardness， fracture surfaces appearance and metallographic structures using means of impact testing， hardness testing， fracture surface analysis and metallographic observation. Our study shows that， under the condition of 0.6% Mn-content in the deposited metal， impact energy decreases as Ni-content increases. When Ni-content reaches 1.7% in the deposited metal， brittle transition of deposited metal occurs within temperature range -40 ℃ to -50 ℃； When the Ni-content in deposited metal is no more than 1.1%， the microhardness of weld metal has no obvious change， when the Ni-content reaches 1.7%， the microhardness of weld metal decreases； When the Ni-content in deposited metal are 0.8%， 1.1%， 1.7%，metallographic structures of these deposited metal are pro-eutectoid ferrite， acicular ferrite， and equiaxed ferrite + a small amount of pearlite respectively.

Keywords Deposited metal； Low temperature toughness； Mn-content； Ni-content

Mn和Ni是低合金高強鋼中的重要元素，Mn、Ni對鋼的組織和性能的影響已有大量研究，Mn、Ni對焊縫性能的影響也有許多的研究。但是焊縫中不同比例的Mn、Ni共同作用對焊縫低溫韌性影響的研究雖有，但結論不一。[1]為此有必要進行更深一步的研究。

本文將通過力學性能試驗、斷口分析和金相觀察研究熔敷金屬中Mn0.6%（對應焊條藥皮中Mn含量為3%）、Ni含量不同、熔敷金屬強度在600～700MPa之間的三組焊條熔敷金屬的性能，得到在規定強度范圍內、熔敷金屬中Mn含量為0.6%時Ni含量的變化對熔敷金屬低溫韌性的影響規律。

1試樣準備

1.1 焊條制作

設計了編號為1、2、3的三組焊條，焊芯為 4mm的H08A。藥皮中Mn含量3%，Ni含量分別為3.3%、5.0%、6.7%， 3組焊條的藥皮配方如表1所示。焊后經光譜分析，1、2、3號焊條熔敷金屬中的Mn為0.6%左右，Ni含量分別為0.8%、1.1%、1.7%。

1.2 沖擊試樣和金相試樣制備

每組焊條焊一塊試板，用于切割沖擊試樣。試板由兩塊300€？50€？0mm的Q235鋼板對接而成，焊縫間隙為16mm，焊縫間隙下墊一塊300€？00€？mm的Q235墊板。

焊接試板的電流為160～170A， 電弧電壓為22～23V，焊接速度為20mm/min，參照GBT 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》和GBT 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》采用V型缺口的標準沖擊試樣。沖擊試樣缺口軸線垂直于焊縫軸線，沖擊試樣的缺口位于焊縫中央。每塊試板切取21個沖擊試樣。沖擊試樣取樣部位如圖1所示。

切取整個焊縫截面制取金相試樣，每塊試板切取一個。金相試樣尺寸20€？5€？0.5mm。

2 熔敷金屬沖擊試驗

試驗設備為JBS-300B型數顯沖擊試驗機和DWC-60型沖擊試驗低溫槽。每組試樣將分別在0℃、-10℃、-20℃、-30℃、 -40℃、-50℃、-60℃共7種溫度下進行沖擊試驗，每個溫度下沖擊三個試樣后取平均沖擊功。熔敷金屬中Mn0.6%，Ni分別為0.8%、1.1%、1.7時沖擊功數值如表2，沖擊功隨溫度的變化曲線見圖2。

從表2和圖2可以看出，熔敷金屬中Ni0.8%和1.1%試樣（第1、2組）的沖擊功隨溫度的下降緩慢下降，變化曲線平穩；沒有發現沖擊功的突變。而Ni1.7%的試樣（第3組）在-50℃附近；沖擊吸收功有一個明顯的下降。比較三條沖擊曲線可知，在Mn0.6%條件下，隨含Ni量增高，沖擊功下降。

取沖擊功最接近該溫度下平均沖擊功的試樣斷口進行觀察。隨著沖擊溫度降低，試樣斷口的塑性變形逐漸減小。第1、2組試樣沖擊斷口的宏觀塑性變形量隨溫度下降減小的幅度比較均勻，沒有突變，直到-60℃還有一定的塑性變形。第3組試樣在不低于-40℃時斷口的塑性變形趨勢和前兩組相同，在-40℃時還有較明顯的塑性變形，但在-50℃時斷口的塑性變形量明顯變小，斷口變得平齊，呈正方形（見圖 3 ）。

用S570型掃面電鏡對3組試樣斷口啟裂點進行觀察。啟裂點位于靠近缺口根部的斷口中央。[2]觀察發現，第1組（Ni0.8%）試樣-50℃沖斷斷口的啟裂點形貌為大而深的韌窩，第2組（Ni1.1%）主要為淺而小的韌窩。第3組（Ni1.7%）則以解理和準解理為主（見圖 4 ），根據上述觀察同樣可以得出“在熔敷金屬含Mn量0.6%條件下，隨含Ni量增高，沖擊功下降”的結論。根據沖擊功數值并結合圖3和圖4可以初步斷定，第3組試樣在-40℃和-50℃之間發生了脆性轉變。

3 熔敷金屬金相分析

沖擊韌性與成分和組織有關。將已切割下的焊縫截面試樣分別制成金相試樣，用4%硝酸酒精進行腐蝕，用TK-C9201EC金相顯微鏡觀察。觀察得到的焊縫中部（即熔敷金屬）金相組織如圖5。

已知Ni是擴大奧氏體區的元素。熔敷金屬中含Ni量為0.8%的1號試樣由于熔敷金屬中含Ni量少，焊縫組織主要為先共析鐵素體，先共析鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。Ni含量為1.1%的2號試樣焊縫中先共析鐵素體的比例減少，主要為針狀鐵素體，由于針狀鐵素體組織為連鎖結構，能很好地阻止裂紋的擴展，故具有很好韌性。[3]含Ni量1.7%的三號試樣焊縫組織為等軸鐵素體+少量珠光體，可能由此導致韌性下降。

4 焊縫硬度測試

為了得出Mn、Ni含量對焊縫硬度的影響，評估不同Mn、Ni含量焊條的冷裂傾向，用HV-1000B維氏顯微硬度計測試焊縫和熔合線硬度。在每個試樣的熔合線上和焊縫中各選取6個點，測出硬度后取平均值。測得熔敷金屬中含Mn0.6%，含Ni分別為0.8%、1.1%、1.7%的焊條焊縫的平均顯微硬度分別為HV162.5、HV163.8和HV146.9，熔合線的顯微硬度分別為HV173.1、HV164.1和HV187.7。1號、2號試樣焊縫的顯微硬度比較接近，Ni含量高的3號試樣焊縫硬度相對有所下降。三者熔合線硬度均不高，焊接時的冷裂傾向很小。

5 結論

在熔敷金屬含Mn量0.6%條件下：

（1）隨含Ni量增高，沖擊功下降，韌脆性轉變溫度升高。熔敷金屬含Ni量0.8%和1.1%的試樣在本試驗條件下沒有韌脆性轉變溫度。含Ni量1.7%試樣的韌脆性轉變溫度則在-40℃和-50℃之間。

（2）含Ni量在0.8%時，焊縫組織主要是粗大的先共析鐵素體。含Ni量1.1%時，焊縫組織為細小的針狀鐵素體，含Ni量1.7%時，焊縫組織主要為等軸鐵素體+少量珠光體。

（3）Ni含量≤1.1%時，焊縫金屬顯微硬度變化不大。隨著藥皮中Ni含量進一步升高（1.7%），焊縫金屬顯微硬度下降。

參考文獻

[1] 張海兵，童莉葛，李娜等.焊縫性能影響因素的研究進展[J].材料導報A，2011.25（10）：114-117.

[2] 杜精衛，陳冰泉，湯劍等.一種新型氣保護藥芯焊絲低溫韌性的研究[J].熱加工工藝，2014.43（7）：217-219.

[3] 王恒輝，萬響亮，李光等.低合金高強度鋼焊縫針狀鐵素體聯鎖組織與性能[J].材料熱處理學報，2014.35（12）：114-120.