Zr對EH36船板顯微組織和沖擊性能的影響研究

冷 菊，鄧 濤

（1.清遠(yuǎn)市互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展促進(jìn)中心；2.清遠(yuǎn)市創(chuàng)藍(lán)節(jié)能環(huán)保有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511500）

前言

隨著海上貿(mào)易及運輸量的不斷增多，船舶大型化正逐漸成為船舶制造業(yè)的主流趨勢，因此船舶用鋼也朝著高強度和大厚度的方向發(fā)展。船舶制造標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，使得傳統(tǒng)焊接工藝的效率不足以滿足快速制造大型船舶的要求，因而大于50 kJ/cm的大線能量焊接得到了廣泛應(yīng)用。但大線能量焊接在提高焊接效率的同時，將會導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)組織的惡化，出現(xiàn)上貝氏體和側(cè)板條鐵素體等不良組織，裂紋在這樣的組織處很容易擴展，從而使得鋼板焊接處的韌性降低[1]，目前這一問題已成為制約國內(nèi)外船舶用鋼制造業(yè)發(fā)展的突出瓶頸。為了有效解決大線能量焊接導(dǎo)致的鋼組織惡化問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長期的研究探索，上世紀(jì)70年代以來，氧化物冶金技術(shù)的提出為這一問題的解決提供了新思路，氧化物冶金是指在煉鋼過程中添加Ti、Ca 等合金元素，使鋼中生成尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的氧化物夾雜，利用這些高熔點的氧化物夾雜，使其釘扎奧氏體晶界，從而阻礙奧氏體晶粒的粗化[2]，細(xì)化奧氏體晶粒。

此外作為其他析出相的形核點，這些細(xì)小夾雜物可以促進(jìn)具有大角晶界的晶內(nèi)針狀鐵素體形核，晶內(nèi)鐵素體呈交叉互鎖狀，一方面可以細(xì)化鐵素體晶粒，另一方面可以分解主裂紋的應(yīng)力，抑制裂紋的擴展，使得焊接熱影響區(qū)表現(xiàn)出良好的強韌性[3]。

1 Zr在氧化物冶金技術(shù)中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，采用Ti、Ca 等元素進(jìn)行合金化處理雖然可以促進(jìn)鋼中氧化物的生成，但因生成的氧化物種類繁多，且顆粒大小控制較為困難，因而有益夾雜物對晶界的釘扎以及對晶粒的細(xì)化作用發(fā)揮不明顯，所以目前亟待向鋼中添加一種合適的合金元素進(jìn)而發(fā)揮氧化物冶金技術(shù)的優(yōu)勢作用。Zr 作為一種高熔點金屬，其表面具有很好的親氧能力，較易形成細(xì)小氧化物夾雜，同時Zr 的氧化物種類較為單一，因此Zr 作為氧化物冶金技術(shù)的添加元素應(yīng)用在改善鋼組織性能上具有一定的可行性。

本文旨在通過向普通EH36 船板鋼中添加Zr元素，以探究Zr 對EH36 船板顯微組織和沖擊性能的影響，以及其氧化物冶金作用機理。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗樣品的制備

試驗使用材料為我國某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的EH36船板，材料分別為普通EH36 船板和添加Zr 元素的EH36 船板，鋼板制備工藝流程為：轉(zhuǎn)爐鋼水冶煉—LF 精煉—RH 真空處理—喂線（添加Zr）—連鑄—TMCP（熱機械控制過程）軋制，其化學(xué)成分如表1所列。

表1 試驗用鋼板的化學(xué)成分(＊：10-6，其他：質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

軋制板利用特定的熱模擬試驗裝置在試樣上造成與實際焊接過程相同或相近的熱循環(huán)，使得試樣的金相組織與所研究的焊接熱影響區(qū)的特定部位的組織相同或近似，以此方法得到焊接熱模擬鋼板。本試驗采用的熱模擬設(shè)備為Gleeble-3800熱模擬試驗機，輸入線能量為680 kJ/cm，得到的焊接熱模擬鋼板通過線切割方法得到用于顯微組織觀察和力學(xué)性能檢測的普通EH36 船板焊接熱模擬試樣、Zr 添加EH36 船板焊接熱模擬試樣，編號分別為1#和2#試樣。

2.2 顯微組織觀察

將1#和2#試樣分別切割成8mm×8mm×6mm后進(jìn)行熱鑲嵌，在自動磨樣機上進(jìn)行磨平、拋光，拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕10～15 s 后，在蔡司AXIO Imager M2m 型金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織的觀察。同時對有益氧化物夾雜引起的細(xì)化晶粒部位通過場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察，以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氧化物冶金的作用機理。

2.3 力學(xué)性能檢測

將1#和2#試樣分別加工出標(biāo)準(zhǔn)夏比V 型試樣，編組分別為沖擊1#和沖擊2#，每組3 個樣品，加工試樣尺寸為55mm×10mm×10mm，試樣缺口位于中心部位，缺口深度為2 mm。采用SANS-ZBC2452-C 全自動擺錘沖擊試驗機按GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 沖擊性能分析

兩組樣品的沖擊試驗結(jié)果如表2 所示，普通EH36 船板鋼-40 ℃橫向沖擊功為292 J，Zr 處理鋼板-40 ℃橫向沖擊功為331 J。據(jù)文獻(xiàn)表明，普通EH36 船板鋼未經(jīng)大線能量焊接時沖擊功可達(dá)380J[4]，由此可知大線能量焊接使得普通EH36 船板鋼韌性顯著降低；同時添加Zr 元素的EH36 船板在大線能量焊接條件下具有更高的沖擊功值，表現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能。

表2 普通及Zr添加EH36船板鋼沖擊試驗結(jié)果

3.2 微觀組織分析

微觀組織結(jié)構(gòu)見圖1。采用大線能量焊接，容易引起鋼組織晶粒的粗化.從圖1(a)中可以明顯看出，采用680 kJ/cm 的超大線能量進(jìn)行焊接時，普通EH36船板鋼由于受到大的焊接熱輸入影響，導(dǎo)致焊接熱循環(huán)的冷卻過程時間增長，從而奧氏體有足夠的時間粗化長大，奧氏體晶粒粗大，該區(qū)域主要由晶界鐵素體和貝氏體組成，當(dāng)裂紋經(jīng)過此區(qū)域的板條貝氏體時直接沿著板條擴展，能量吸收較少，裂紋很容易擴展[4]，因此韌性較差，力學(xué)性能顯著惡化。

Zr 元素的添加對大線能量焊接EH36 船板鋼組織具有改善作用。從圖1（b）中可以看出Zr 元素的添加對模擬焊接熱影響區(qū)的原奧氏體晶粒的大小改善明顯。通過電子探針方法測量奧氏體晶粒尺寸得知，普通EH36 船板鋼試樣的奧氏體晶粒平均尺寸是760 μm，而Zr添加EH36 船板鋼試樣的奧氏體晶粒平均尺寸是435 μm，，奧氏體晶粒得到細(xì)化，其長大趨勢得到抑制。通過力學(xué)性能試驗可知，Zr 的添加使得EH36 船板鋼獲得了較好的韌性，這是因為Zr 的添加使得鋼中生成了尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的ZrO2夾雜作為硫化物、氮化物等異相析出形核點，以改變鋼的組織和晶粒度，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、較高的強度尤其是優(yōu)良的焊接性能，使鋼中夾雜物變害為利。在焊接熱循環(huán)的冷卻過程中，利用這些高熔點的氧化物夾雜，使其釘扎奧氏體晶界，從而阻礙奧氏體晶粒的粗化[5]。此外ZrO2作為其他析出相的形核點，有效促進(jìn)具有大角晶界的晶內(nèi)針狀鐵素體在夾雜物上的形核，其能有效阻止裂紋擴展，由于其相鄰的晶粒位向差較大，晶內(nèi)鐵素體呈交叉互鎖狀，這種組織細(xì)化了鐵素體晶粒，同時抑制裂紋的擴展，當(dāng)裂紋經(jīng)過針狀鐵素體時，擴展方向發(fā)生改變，主裂紋進(jìn)入奧氏體晶粒內(nèi)部遇到針狀鐵素體時，在可視平面內(nèi)產(chǎn)生了更為細(xì)小的分支路徑，這些細(xì)小裂紋寬度減小，或從針狀鐵素體邊界擴展，或者橫穿針狀鐵素體，或者繞過針狀鐵素體，這些變化過程中，分支裂紋分解了主裂紋的應(yīng)力，在隨后的裂紋擴展中，應(yīng)力集中程度均會小于原主裂紋的應(yīng)力[6]，使裂紋擴展能力減弱，宏觀表現(xiàn)出良好的強韌性[7]。

圖1 熱輸入量680 kJ/cm、200倍下的顯微組織

通過場發(fā)射掃描電鏡對添加Zr的EH36 船板鋼樣品進(jìn)行觀察可知，Zr 元素的添加將促使EH36 船板鋼中生成包括ZrO2在內(nèi)的氧化物，如圖2所示，(a)圖為樣品中生成的ZrO2有益夾雜，（b）圖為樣品中生成的MgO 夾雜，從圖2 中可以看出細(xì)小的有益夾雜ZrO2將可以有效釘扎奧氏體晶界，細(xì)化晶粒，抑制晶粒長大，從而改善韌性[8]，而其他種類的夾雜物則未發(fā)揮明顯的釘扎、細(xì)化晶粒作用。

圖2 氧化鋯對原奧氏體晶界的釘扎

4 結(jié)束語

本實驗以普通EH36 和含Zr 的EH36 船板為研究對象，通過對其熱模擬試樣進(jìn)行顯微組織觀察和沖擊性能測定可得到以下結(jié)論：

（1）在大線能量焊接條件下，EH36 船板鋼由于大線能量熱循環(huán)而產(chǎn)生粗大奧氏體等不良組織，導(dǎo)致韌性降低的現(xiàn)象，沖擊功由平均380 J 降低到292 J。

（2）Zr 的添加將有助于EH36 船板鋼中生成尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的ZrO2夾雜，形成的ZrO2夾雜將成為異質(zhì)形核點，釘扎奧氏體晶界，細(xì)化鋼組織和晶粒度，添加Zr 的EH36 船板鋼晶粒尺寸較普通EH36 船板鋼晶粒尺寸縮小325 μm，有效控制了晶粒的長大。

（3）EH36船板鋼中生成的ZrO2夾雜有助于晶內(nèi)生成交叉互鎖的針狀鐵素體，抑制裂紋拓展，減緩鋼板出現(xiàn)的韌性惡化現(xiàn)象，添加Zr 的EH36 船板鋼沖擊功達(dá)到331 J，比未添加Zr的普通EH36 船板鋼提高39 J。