高鈦鋼經歷焊接熱循環前后的組織性能研究

韓嚴法，李宇梁，胡奉雅，王佳驥，付魁軍，楊鵬聰

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團有限公司戰略規劃部，遼寧 鞍山114009）

鈦在鋼中有著重要的微合金化作用，主要起細化晶粒和析出強化的作用[1]，另外對鋼的再結晶過程也有重要影響[2]。但在中厚板領域應用的含鈦鋼一般含量范圍為0.01%～0.025%[3]，而鈦含量達到0.1%的大部分是卷板類品種。因此，本文主要研究的是鈦含量較高時采用TMCP軋制工藝的20 mm厚鋼板的組織和性能，以及焊接熱循環對鋼板組織和性能的影響，以便為工業實踐提供一定的參考。

1 試驗材料制備及方法

采用真空感應爐進行冶煉，并利用試驗室Φ750 mm×550 mm二輥熱軋實驗軋機進行軋制，其中含鈦試驗鋼的化學成分見表1。坯料原始厚度為150 mm，采用兩階段軋制，一階段開軋溫度為1 150℃，壓下率為66.7%，軋至50 mm時待溫；待溫度降至950℃時進行二階段軋制，二階段的壓下率為60%，軋制成品厚度為20 mm。軋后開冷溫度為720℃，以20℃/s的平均冷速進行冷卻，返紅溫度為200℃。然后對鋼板進行力學性能檢驗和組織觀察，并利用Gleeble3800熱模擬試驗機進行焊接熱模擬試驗。試驗設定焊接熱循環的加熱速率為200℃/s,峰值溫度為1 300℃，峰值溫度停留時間為0.2 s，T8/5時間分別為8 s、17 s和25 s。對焊接熱模擬試樣進行了沖擊檢驗和金相觀察。

表1 含鈦試驗鋼的成分（質量分數）Table 1 Compositions in Experimental Steel with Ti(Mass Fraction) %

2 試驗結果和分析

2.1 鋼板組織和性能

對軋制后的含鈦試驗鋼進行力學性能和金相組織檢驗。鋼板的力學性能檢驗結果如表2所示，金相組織檢驗結果如圖1所示。由鋼板的力學性能檢驗結果可知，鋼板具有良好的強度、塑性和低溫韌性；鋼板的金相組織以鐵素體為主，而且有大量的析出物存在。

表2 試驗鋼力學性能Table 2 Mechanical Properties of Experimental Steel

圖1 試驗鋼金相組織Fig.1 Microstructures in Experimental Steel

利用SEM對組織中的析出物進行了觀察，結果如圖2所示。由圖2可知析出物成分主要是Ti和C，因此，析出物主要為Ti的碳化物，析出物的尺寸較大，約為480 nm。

圖2 試驗鋼的SEM觀察結果Fig.2 SEM Results for Experimental Steel

由于鋼中C含量為0.06%，Ti的含量為 0.17%，C和Ti的原子量分別為12和48，鋼中C和Ti的原子比約為1.4：1，因此，鋼中的C原子大約有70%的比例被Ti所固定。按照熱力學數據計算了TiC的析出溫度和析出量之間的關系，結果如圖3所示。

圖3 TiC析出量和溫度之間的關系Fig.3 Relationship between Precipitation Quantity of TiC and Temperature

經計算，TiC的開始析出溫度約為1 240℃，隨著溫度的降低，其析出量逐漸增加，當溫度降至約740℃時，其析出過程結束。由此可見，TiC的開始析出溫度較高，在鋼板的整個軋制過程中TiC隨著溫度的降低而逐漸析出。由于TiC的析出過程中溫度較高，且其析出過程幾乎覆蓋了整個軋制過程，導致TiC有充分的時間長大。一般析出強化有兩種機制：切過機制和Orowan機制，這兩種強化機制相互競爭，而TiC的兩種強化機制競爭的臨界尺寸為2.70 nm。由于試驗鋼中析出的TiC尺寸較大，約480 nm，根據析出強化的規律可知其強化機制為Orowan機制，計算其產生的強度增量約十幾兆帕，本試驗鋼中的TiC并未起到較強的析出強化作用。但由于其固定了鋼中的大部分C原子，導致鋼中基體組織中的碳含量很低，基體形成了近似等軸狀的鐵素體組織，且其尺寸大部分不超過10μm，使得試驗鋼具有優良的塑性和低溫韌性。

2.2 焊接熱循環后鋼板組織和性能的變化

在試驗鋼板上取樣進行焊接熱模擬試驗，并對焊接熱模擬試樣進行沖擊韌性檢驗和金相組織觀察，焊接熱模擬試樣的沖擊檢驗結果見表3，焊接熱模擬金相組織見圖4。

表3 焊接熱模擬試樣的沖擊檢驗結果Table 3 Impact Values of Samples after Welding Thermal Cycle

圖4 焊接熱模擬金相組織Fig.4 Microstructures of Steel Samples after Welding Thermal Cycle

由表3可知，經過焊接熱循環后鋼板沖擊韌性急劇下降至10 J以下，與鋼板本身的韌性有顯著區別。對焊接熱模擬試樣的金相組織進行觀察，發現鋼板經過焊接熱循環的作用后組織變成了上貝氏體組織。以1號熱模擬沖擊試樣為例進行了SEM斷口觀察，斷口為解理斷裂，結果見圖5。

由圖3的TiC析出隨溫度變化規律可知，當試樣加熱到1 300℃時，鋼中的TiC已經在溫度的影響下完全分解，在這種情況下TiC難以起到釘扎晶界從而細化晶粒的作用。在隨后的冷卻過程中，由于Ti幾乎完全固溶在鋼中，根據Ti對鋼相變過程的影響可知，Ti的固溶極大降低了奧氏體的穩定性，使熱模擬試樣在冷卻過程中的相變提前發生，形成了上貝氏體類型的組織[4]。另外由于鋼中Ti含量較高，TiN的形成溫度也大大提前，因此在1號熱模擬試樣中存在塊狀的TiN，這也導致了經過焊接熱循環后的試樣的沖擊韌性大大降低。

圖5 1號熱模擬沖擊試樣的SEM斷口照片Fig.5 Fracture Photograph of NO.1 Sample for Thermal Simulation Impact Test

3 結論

（1）當鋼中加入的Ti含量達到0.17%時，得到鋼的組織以鐵素體和TiC析出為主，鋼板本身具有良好的強度、韌性和塑性，-40℃的橫向沖擊功平均值為324 J。

（2）當鋼中的Ti含量較高時，在軋制過程鋼板中的TiC析出物尺寸較大，大約480 nm，其析出強化的潛力有待進一步的發掘。

（3）當鋼中的Ti含量較高時，在經歷峰值溫度為1 300℃焊接熱循環的影響后，容易形成上貝氏體組織，使得沖擊韌性急劇下降，其-20℃沖擊功不足10 J。