Cu對低合金高強鋼熔敷金屬有效晶粒尺寸的影響

王愛華, 王晶

(河北石油職業技術大學，河北 承德 067000)

創新點： (1)研究了熔敷金屬中Cu含量與有效晶粒尺寸的關系。

0 前言

在傳統的高強度合金鋼中，加入Cu元素不是為了提高鋼的強度，而是為了提高鋼的耐腐蝕性[1-3]。自美國將Cu作為合金元素加入鋼中,成功開發出Cu沉淀強化鋼后，Cu對焊縫金屬的強韌化作用成為另一個研究熱點[4-6]。材料學理論研究表明：晶粒細化是最為有效的強韌化手段，即可提高金屬強度，又可有效阻止裂紋擴展，對金屬韌性的提高起著積極作用。而對材料韌性起積極作用的是有效晶粒(晶界取向差≥15°的晶粒)，因為這些晶粒具有最大的界面能，當裂紋通過有效晶粒時，所消耗的能量最大，從而能起到止裂增韌的作用[7]。由于電子背散射衍射(EBSD)技術的應用，使區分晶界的取向差變得容易，為深入研究Cu對組織亞結構的影響提供了方便。

文中采用MIG焊接方法，使用不同含Cu量的焊絲進行施焊，應用EBSD技術研究Cu對低合金高強度鋼熔敷金屬有效晶粒尺寸的影響，為Cu在高強鋼焊縫金屬中的應用奠定理論基礎。

1 試驗材料與方法

母材采用20鋼，尺寸為430 mm×205 mm×20 mm，焊絲選用含Cu的690 MPa級實心焊絲，應用MIG焊接方法(95%Ar+5%CO2)進行施焊，焊接工藝參數如下：熱輸入為20 kJ/cm、焊接電流300 V、電弧電壓30 V、保護氣體流量20 L/min，施焊完的熔敷金屬Cu含量分別為0.052%，0.24%和0.53%，其他元素及化學成分見表1，除Cu元素外其他元素成分差距很小。

表1 熔敷金屬化學成分(質量分數，%)

將熔敷金屬加工成φ3 mm×0.1 mm的圓片試樣，在試樣上任選3個面積為50 μm×50 μm的部位進行掃描，掃描步長0.1 μm，應用牛津Oxford Nordlys F+型場發射掃描電鏡進行EBSD面掃描，使用EBSD配套的加密軟件對掃描數據進行分析，對熔敷金屬的有效晶粒尺寸進行統計。熔敷金屬微觀結構的觀察采用H-800透射電鏡。試樣的取樣位置取自最后一道焊縫。

2 試驗結果

2.1 熔敷金屬的精細結構

圖1是不同Cu含量的熔敷金屬精細結構，從圖中可以看出，熔敷金屬主要由板條狀結構的貝氏體和馬氏體組成，隨Cu含量的增加，板條結構變得越來越細小致密。

圖1 熔敷金屬的精細結構

2.2 熔敷金屬的有效晶粒尺寸

熔敷金屬中貝氏體和馬氏體的精細結構主要是由板條結構組成，對于這種板條結構組織，其亞單元主要是板條束、板條塊和板條，而板條束和板條塊所圍成的晶界通常認為是晶界角度≥15°，通常把由晶界角度≥15°的晶界所圍成的晶粒稱之為有效晶粒，利用EBSD(電子背散射衍射)可以有效的對晶界角度的取向差異進行區分，并對其亞單元的尺寸進行統計。

圖2是不同Cu 含量熔敷金屬中有效晶粒單元顏色圖，此圖是經過EBSD系統對不同Cu含量的熔敷金屬進行了EBSD掃描，對掃描圖像進行了去躁點處理，對去噪處理后的圖像進行取向單元識別后，系統自行繪制的彩色圖，圖中相同的顏色代表著擁有著相同取向的單元，顏色的差異代表單元取向的不同，不同取向單元的晶界用黑色線條標示，黑色線條代表晶界角度≥15°的晶界。從圖2中可以看出，隨Cu含量的增加，有效晶粒有逐漸細化的趨勢，采用EBSD系統自帶的分析軟件，對不同Cu 含量熔敷金屬中有效晶粒采用截線法進行了尺寸測量，每種Cu含量的熔敷金屬中大約測量600～800個有效晶粒，為了使試驗數據更加全面可靠，文中同時采用了橫截線和豎截線進行測量，測量示意圖如圖3所示，橫線和豎線分別采用5條線段，橫線和豎線測量的有效晶粒尺寸的分布如圖4～圖6所示，橫線和豎線所測量的有效晶粒的平均值見表2，從表中的統計結果可以看出：Cu含量為0.052%時，有效晶粒的平均尺寸為2.39 μm；當Cu含量增加到0.24%時，有效晶粒的平均尺寸為2.18 μm；當Cu含量繼續增加到0.53%時，有效晶粒的平均尺寸為1.99 μm。熔敷金屬中有效晶粒的尺寸，隨Cu含量的增加，尺寸逐漸在減小。

圖2 不同Cu含量有效晶粒單元顏色圖

圖3 不同Cu 含量熔敷金屬有效單元截線圖

圖4 含量為0.052%時有效晶粒尺寸統計分布圖

圖5 含量為0.24%時有效晶粒尺寸統計分布圖

圖6 含量為0.53%時有效晶粒尺寸統計分布圖

表2 有效晶粒的平均尺寸 μm

分析認為，Cu元素在奧氏體化過程中，與鎳、錳、硅等元素一樣，固溶于奧氏體中，增加了奧氏體的穩定性，從而使奧氏體轉變開始溫度降低。當過冷奧氏體向貝氏體(γ→B)轉變時，由于Cu含量的增加導致相變溫度逐漸降低，促使相變驅動力增大，使同時形核的貝氏體晶核數量增加，貝氏體晶粒變細小，貝氏體板條，板條塊、板條束尺寸減小[8]。在隨后剩余的過冷奧氏體進行γ→M轉變時，由于貝氏體轉變分割了原奧氏體晶粒，使馬氏體的轉變只能在剩余的空間進行，而貝氏體轉變溫度的降低，導致同時形核的貝氏體鐵素體晶核數量增多，奧氏體晶粒被分割的更加細小，使得馬氏體的轉變的剩余空間變小。由于隨Cu含量增加，馬氏體轉變初始溫度也隨之降低[9]，因此，馬氏體在隨后組織轉變時會同時受轉變空間變小和轉變溫度降低雙重條件的限制，導致馬氏體結構中板條、板條塊和板條束尺寸減小，精細結構得到細化[8]。

有效晶粒通常認為是由晶界角度≥15°的板條束和板條塊的所圍成的晶粒，貝氏體和馬氏體板條塊和板條束尺寸的減小勢必會導致有效晶粒尺寸減小，有效晶粒得到細化，而細化有效晶粒是提高金屬材料強度與韌性最為有效的方法，文中加入適量的Cu元素對高強鋼焊縫金屬強度和韌性的提高起到了積極的作用。

3 結論

(1)熔敷金屬主要由板條貝氏體和板條馬氏體組成，隨Cu含量的增加，板條結構變得細小致密。

(2)隨Cu含量的增加，熔敷金屬橫截線方向的有效晶粒尺寸從Cu含量為0.052%時的2.18 μm，減小到Cu含量為0.53%時的1.90 μm；豎截線方向的有效晶粒尺寸從Cu含量為0.052%時的2.60 μm，減小到Cu含量為0.53%時的2.08 μm；有效晶粒平均尺寸也從Cu含量為0.052%時的2.39 μm，減小到Cu含量為0.53%時的1.99 μm，有效晶粒得到細化。