高強塑性低密度高錳鋼的TIG焊接接頭顯微組織及力學性能

吳志強，李華英，李 娟 ，封思理 ，盧立偉

（1.湖南科技大學材料科學與工程學院，湖南 湘潭411201；2.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 前言

隨著高鐵工業迅速的發展，高鐵用鋼也面臨安全、環境、資源、能源及成本等方面的挑戰。為解決這一問題，輕量化成為現代運載工具發展的重要趨勢。通過向高強塑性高錳鋼中添加一定比例的鋁元素，在合金成分優化與熱處理工藝控制的基礎上，得到其他鋼種不具備的低密度、耐蝕性和高強韌性組合的新型高鐵行業鋼材，成為現代運載工具用鋼研究的熱點[1-2]。因此，高強塑性低密度鋼的開發對未來高鐵生產有重要影響，有望在未來高鐵結構件上得到廣泛應用。但是，高強塑性低密度鋼的研究才剛起步，尚有很多問題需要解決[3-4]。

低密度高錳鋼是一種具有高強度和優異塑性的新型輕量化高碳高合金耐磨鋼，但是Al含量和碳當量含量都很高，焊接接頭容易發生淬硬和焊接裂紋[5-6]，同時由于高的Al含量，焊接接頭容易發生碳遷移，形成帶狀鐵素體組織，降低焊接接頭的組織連續性，影響焊接接頭的力學性能和耐蝕性[7]，因此如何保證高碳高鋁含量的低密度高錳鋼焊接接頭性能成為研究的焦點。選用氬氣保護焊接低密度高錳鋼，保護效果好，燒損合金元素少，電弧穩定，焊接熱輸入量小，生產效率較高[8]。為此，采用TIG焊接方法，研究低密度高錳鋼焊接接頭組織和力學性能，為提高焊接接頭性能提供理論基礎。

1 實驗材料和方法

兩種實驗鋼采用真空感應爐冶煉，化學成分見表1。實驗鋼經開坯后在φ450 mm熱軋機上軋制成2 mm厚度的板材。

表1 實驗鋼的化學成分和密度

焊接試樣為熱軋態，尺寸100mm×50mm×2mm，采用ER50-6碳鋼焊絲對8Al和10Al鋼進行TIG焊對接焊接試驗。TIG焊試驗參數為焊接電流80 A、電弧電壓14V、焊接速度1.0 cm/s。焊接后的金相樣品經苦味酸溶液腐蝕后采用Leica DMIRM型光學顯微鏡觀察金相組織。隨后將制得的金相樣品磨平后進行機械拋光，并按如圖1所示的位置測試顯微維氏硬度。首先，依據焊件中心線確定硬度測試位置P2；然后，在中心線的垂直方向上下間隔5mm處確定位置P1和P3分別測試顯微硬度，使用涂明光學顯微維氏硬度測試儀，施加100 g力并保持10 s進行測試。

圖1 實驗鋼焊接接頭硬度測試點示意

2 實驗結果和分析

2.1 顯微組織分析

試樣焊接前的母材組織如圖2所示，主要是熱變形奧氏體組織，在奧氏體晶粒內部出現大量致密變形帶組織。由圖2還可以看出，在10Al鋼中有少量帶狀鐵素體組織分布于奧氏體基體，表明該系列Fe-Mn-Al-C低密度高錳鋼，Al含量達到10%時出現奧氏體和鐵素體雙相組織，這與相圖計算的結果相符，如圖3所示。Al元素的增加也促進母材的晶粒尺寸得到細化。高溫退火后可獲得無變形的奧氏體組織，這種鋼在變形過程中通過平面位錯滑移一方面進行位錯增殖，另一方面形成的細微位錯帶結構細化奧氏體晶粒，提高其應變硬化能力，使得該鋼種具有高的強度和優異的塑性[9]，如表2所示。Al元素固溶于合金基體也會引起晶格畸變，導致晶格膨脹，可以有效降低高錳鋼的密度。同時由于鋁的原子序數較小，原子量較小，使得材料實際密度進一步下降。Ishida等人[10]建立了一個高鋁高錳鋼密度的計算模型，材料密度的計算式為

式中 Difcc為面心立方元素的密度；xi為元素體積分數。

由式（1）計算得：8Al實驗鋼密度為7.0 g/cm3，10Al實驗鋼密度為6.8 g/cm3，較純鐵密度ρ=7.9 g/cm3分別降低了約11.2%和14.1%，表明該系列鋼具有較好的減重效果。

圖2 8Al和10Al鋼熱軋組織

表2 實驗鋼的力學性能

焊接后的焊接接頭附近的宏觀照片如圖4所示，由圖4可知，采用較小熱輸入量的TIG焊接方法可以較好地控制焊件的變形。采用氬氣保護焊接方法，可以較好地保護熔池，焊件表面無飛濺，焊接接頭外觀形貌較好。

焊接接頭的金相組織如圖5所示。焊道內部無氣孔、夾雜以及未焊透等缺陷，焊縫邊緣熔合良好。8Al和 10Al鋼母材（base metal，BM）、熔合區（fusion zone，FZ）、熱影響區（HAZ）、焊縫區（weld zone，WZ）和過渡區（transition zone，TZ）的顯微組織如圖5所示。可以看出，焊縫區是典型的柱狀晶組織（圖5中的WZ和TZ），TIG焊時熱源較為集中導致局部溫度過高，在熔合區與未熔合區過渡的熔合線形成較大過冷度，并且在垂直于熔合線方向散熱最快，所以與熔合線垂直的晶粒較易向液相生長，最先深入熔池形成與熔合線垂直的柱狀晶（圖5中的TZ）。

在焊接過程中，熔合區（圖5中FZ）的熱量密度僅次于焊縫區，在高密度熱源作用下，8Al和10Al鋼發生熔化，其合金元素和焊縫區元素發生相互擴散，當母材中碳的化學位或活度大于焊縫填充金屬中碳的化學位或活度時，碳原子將自發地由熔合線母材一側向焊縫一側擴散遷移，導致熔合區形成脫碳層，在高溫極短時間內碳的遷移完成后快速凝固，形成鐵素體-奧氏體類或珠光體-奧氏體組織（圖5中的TZ和FZ）。

靠近熔合區的熱影響區存在晶粒粗大現象（圖5中HAZ1），并且遠離焊縫區的奧氏體晶粒細小（圖5中HAZ2和HAZ3），這是由于該區域集聚大量的熱量導致完全再結晶晶粒發生長大，根據霍爾-佩奇關系，晶粒尺寸越小，材料強度越高，由此可見，遠離焊縫區的HAZ形成的細晶組織有利于接頭力學性能。在靠近母材區域還出現部分再結晶區（圖5中的10Al鋼HAZ）。由圖5還可以看出，8Al鋼的熱影響區組織由單相奧氏體組成，10Al鋼的熱影響區組織由少量分布的帶狀鐵素體和等軸狀奧氏體組成。

圖3 8Al和10Al鋼相圖計算

圖4 8Al和10Al鋼焊接接頭宏觀照片

2.2 焊接接頭硬度

焊接接頭沿焊縫中心距離的顯微硬度分布曲線如圖6所示。由圖6可知，焊件中心區域及其附近硬度值分布趨勢相似。焊縫區、熔合區和熱影響區硬度值區別較為明顯，焊縫區平均硬度低于HAZ和母材，焊縫區平均硬度207 HV。隨著距焊縫中心距離的增加，硬度值隨之升高，在熔合區硬度值增加較為明顯，硬化現象顯著，主要是由于焊縫區填充金屬為低合金焊絲，熔合區為低碳鋼和高合金高錳鋼過渡區，隨著合金元素含量的增加，固溶強化效果增強?？拷酆蠀^的焊接接頭HAZ存在過熱導致晶粒粗大現象，遠離焊縫區的奧氏體晶粒細小，導致硬度值逐步提高。隨著Al含量的升高，熔合區和HAZ的焊接接頭硬度值升高，這是由于合金元素的固溶強化和Al元素增加導致的晶粒細化共同作用所致。

3 結論

（1）低密度高錳鋼TIG焊焊縫區以柱狀晶組織為主，并且優先垂直于熔合線方向生長，8Al鋼的熱影響區組織由單相奧氏體組成，10Al鋼的熱影響區組織由少量分布的帶狀鐵素體和等軸狀粗大奧氏體組成。

（2）焊縫區的硬度較低，這是由于采用了低碳鋼焊絲，合金元素含量較低?？拷缚p區的焊接接頭HAZ存在晶粒粗大現象，遠離焊縫區的奧氏體晶粒細小，導致硬度值升高。

圖5 8Al和10Al鋼焊接接頭顯微組織

圖6 8Al和10Al鋼焊接接頭顯微硬度變化曲線

（3）隨著Al含量的升高，HAZ區域出現少量帶狀鐵素體分布于奧氏體基體，熔合區和HAZ的焊接接頭硬度值升高，這是由于合金元素的固溶強化和Al元素增加導致的晶粒細化共同作用所致。

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