EH40鋼中鎳含量對力學性能及焊接HAZ斷裂機理的影響

劉云松^1,2  孫立根^1,2  王碩明^1,2  劉增勛^1,2  朱立光^1,2  秦書洋^1,2

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山063000；2.河北省高品質鋼連鑄工程技術研究中心，河北 唐山063000）

摘  要：本文探究了空冷條件下，超高強船體用鋼中不同鎳含量對試驗鋼力學性能及焊接HAZ斷裂機理的影響。結果表明：隨鎳含量增加，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度都有較大幅度的增強，分別增長77.8%和91.2%，高達955.83Mpa、710.56 Mpa，但伸長率和沖擊吸收功略有降低，說明鎳元素對鋼的強度提升作用顯著，但對沖擊韌性有不利影響；試驗鋼微觀斷口處的河流花樣面積、韌窩面積、剪切唇面積、撕裂棱數量隨鎳含量增加而減少，解理臺所占總面積以及單體解理面面積變大。總體來說，高鎳含量試驗鋼表現出來的脆性斷裂特征較低鎳含量試驗鋼多，與沖擊試驗結果相對應。

關鍵詞：超高強船體；鎳含量；焊接HAZ；屈服強度；抗拉強度；斷裂機理

Effect of Nickel Content in EH40 Steel on Mechanical Properties and Fracture Mechanism of Welded HAZ

Sun Ligen1,2, Liu Yunsong1, Wang Shuoming1,2, Liu Zengxun1,2,Zhu Liguang1,2,Qin Shuyang1,2

(1. North China University of Science and Technology,College of Metallurgy & Energy, Tangshan 063000, Hebei, China; 2. Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center, Tangshan 063000, Hebei, China)

Abstract: In this paper, the effects of different nickel contents in ultra-high strength hull steel on the mechanical properties of test steel and the fracture mechanism of welded HAZ under air-cooling conditions are investigated. The results show that with the increase of nickel content, the yield strength and tensile strength of the test steel are greatly enhanced, increasing by 77.8% and 91.2%, respectively, up to 955.83Mpa and 710.56 Mpa, but the elongation and impact absorption are slightly reduced. It shows that the effect of nickel on steel strength is significant, but it has an adverse effect on impact toughness; the river pattern area, dimple area, shear lip area and tear ridge number at the micro-fracture of test steel decrease with the increase of nickel content. The total area of the cleavage station and the area of the single cleavage plane become larger. In general, the high-nickel content test steel exhibited lower brittle fracture characteristics than the nickel content test steel, which corresponds to the impact test results.

Key words: ultra-high strength hull steel; nickel content; welded HAZ; yield strength; tensile strength; fracture mechanism

隨著步入到科技化的二十一世紀，海、陸、空各方面全面發展，海洋事業也隨其步入到更高層次的階段，因此廣泛應用于海洋事業的船板鋼的質量就需要邁上更高的一層^[1]。船板鋼不僅要有更高的強韌性和可焊接性能，同時也要求具有防大氣和海洋的腐蝕能力^[2]。為了提高焊接施工效率，大線能量焊接技術成為造船業高效制作的重要手段，但是隨著焊接線能量的提高，傳統低合金高強鋼的焊接熱影響區性能（強度、韌性）惡化，易產生焊接冷裂紋問題，給船板鋼的制造帶來困難。由于焊接為厚板加工的主要方式，滿足大線能量焊接性能也逐步成為各種鋼種所具備的一種性能。所以，在追求高強度的同時，改善鋼板的韌性以提高鋼板的焊接性能越來越迫切^[3-10]。

本文通過對鎳含量影響船板鋼力學性能及焊接性能的研究，為合金化對性能的影響提供理論支撐并指導實際生產，從而開發出質量更好的品種，推動海洋事業的發展。

1 冶煉試驗

《船舶及海洋工程用結構鋼 GB712-2011》國家標準所列出的船板鋼EH460的化學成分如表1所示。

表1 EH460鋼的化學成分表（wt%）

Table1 The Chemical Component of EH460 Steel（wt%）

實驗室選用O5板作為試驗鋼的基料，金屬鋁、硅鐵、錳鐵等合金料，通過100Kg多功能真空感應爐冶煉試驗鋼。經過參讀國內外大線能量焊接船板鋼的生產技術成果，擬定出試驗鋼目標成分，將低鎳、高鎳含量試驗鋼分別命名為Ni-1、Ni-2。

2 實驗結果及分析

2.1 顯微組織

經TMCP軋制工藝軋制后，兩塊試驗鋼軋板在500倍金相顯微鏡下觀察顯微組織如圖2所示，Ni-1的顯微組織構成為等軸鐵素體、珠光體以及少量針狀鐵素體，晶粒度為16.0。Ni-2的顯微組織構成為貝氏體和鐵素體，晶粒度為17.5。鎳含量的增加，晶粒明顯細化，組構成改變。A₃點降低A₄點上升，擴大了γ相區范圍。也就是說，鎳的添加提高了過冷奧氏體穩定性，降低了奧氏體和鐵素體的自由能差和相變驅動力。同時，鎳在一定程度上影響碳的擴散，使奧氏體相變速度減慢，當空冷至B_S點以下時,殘余奧氏體相變為貝氏體。隨著鎳含量的增加，鎳對鐵素體相變的抑制作用顯現，鐵素體相變溫度降低，晶粒長大緩慢，尺寸明顯細化。

圖2軋態顯微組織

Fig.2 Microstructure of Rolling

2.2 力學性能

經力學性能檢測，鎳含量對試驗鋼強塑性及韌性的影響如表所示。

由表4可知， Ni-2的抗拉強度、屈服強度分別高達955.83Mpa、710.56 Mpa，較Ni-1增加77.8%、91.2%。Ni-2斷面伸長率較Ni-1有所下降，但仍符合國標要求。從試驗鋼的成分上說，由于多加1.1%的鎳，使得其抗拉強度、屈服強度明顯增強，說明鎳元素對鋼的強度提升作用顯著。

表4拉伸試驗結果

Table.4 Results of Tensile Test

由表5所示，沖擊試驗沒有達到國標要求，各個條件下只有-20℃時距熔合線2mm沖擊吸收功 Ni-2較Ni-1高1.8J，其他沖擊條件下吸收功均較Ni-1低，說明鎳元素在使得其抗拉強度、屈服強度增強的同時對沖擊韌性產生不利影響。也有可能是由于實驗室冶煉條件有限，鋼中自由氧含量較高，造成鋼中夾雜物數量增多。斷口處夾雜物數量較多，也是造成斷裂的原因，以至于試驗鋼的沖擊韌性較差。

表5熱影響區沖擊試驗結果/J

Table.5 Impact Test Results of HAZ/J

2.3 斷裂機理分析

2.3.1 Ni-1斷裂機理分析

1）Ni-1宏觀斷裂

針對Ni-1試驗鋼不同條件下的沖擊試樣，通過體視顯微鏡獲得10倍下的沖擊斷口的形貌如圖3所示。

圖3 宏觀斷口形貌10×

Fig.3 The macroscopic fracture surface 10×

由圖3可知，（a）沖擊試樣宏觀斷口形貌是有很多光亮小顆粒，也有部分凹凸不平纖維狀區域，具有延性-脆性斷裂的形貌特征；（b）和（d）沖擊試樣的宏觀斷口形貌在“V”型缺口的下面出現了纖維狀斷口，有明顯的撕裂棱，纖維狀斷口下面呈放射狀、結晶狀形貌，同時也能夠清楚的發現剪切唇，具有延性-脆性斷裂的形貌特征；（c）沖擊試樣宏觀斷口形貌整體上比較平齊，還出現了很多光亮的小顆粒，斷口形貌都呈現出放射狀和結晶狀，具有脆性斷裂的形貌特征。

2）Ni-1微觀斷裂

針對該成分下試驗鋼不同條件下的沖擊試樣，通過S-4800掃描電鏡獲得500倍下的沖擊斷口的形貌如圖4所示。

圖4 各條件下HAZ沖擊微觀斷口形貌

Fig.4 The Microscopic morphology of Impact fracture in HAZ under different conditions

從圖4可知，（c）沖擊試樣的微觀斷口無論是在裂紋源處、放射區和剪切唇區均出現了大面積的河流花樣，有清晰的解理臺階和撕裂棱，剪切唇面積較小。斷口的微觀形貌具有解理斷裂的特征。

（a）、（b）、（d）沖擊試樣微觀斷口在裂紋源處、剪切唇區均出現了大面積的韌窩，且剪切唇清晰可見。而在放射區呈現了清晰的解理臺階和撕裂棱，斷口的微觀形貌具有準解理斷裂的特征。

2.3.2 Ni-2斷裂機理分析

1）Ni-2宏觀斷裂

針對該成分下試驗鋼不同條件下的沖擊試樣，通過體視顯微鏡獲得10倍下的沖擊斷口的形貌如圖5所示。

圖5 宏觀斷口形貌10×

Fig.5 The macroscopic fracture surface 10×

從圖5可以看出，（a）、（c）的沖擊試樣的宏觀斷口形貌是整體上比較平齊，有很多光亮的小顆粒，呈現出放射狀和結晶狀，而且其剪切唇的面積很小，不易觀察。具有脆性斷裂的形貌特征；（b）、（d）沖擊試樣的宏觀斷口形貌是有明顯的撕裂棱，整體上看凹凸不平有部分區域呈現的是放射狀、結晶狀形貌，有很多光亮的小顆粒，不易觀察到剪切唇，具有延性-脆性斷裂的形貌特征。

2）Ni-2微觀斷裂

將S-4800掃描電鏡放大到500倍的情況下，對該成分下試驗鋼的沖擊試樣斷口進行觀察，可以得到在不同條件下沖擊試樣的斷口的微觀形貌如圖6所示。

圖6 各條件下HAZ沖擊微觀斷口形貌

Fig.6 The Microscopic morphology of Impact fracture in HAZ under different conditions

從圖6可知，（a）、（c）沖擊試樣的微觀斷口無論是在裂紋源處、放射區和剪切唇區均出現了大面積的河流花樣，剪切唇面積都很小。斷口的微觀形貌具有解理斷裂的特征。

（b）、（d）沖擊試樣的微觀斷口在裂紋源處、剪切唇區均出現了一定面積的韌窩，且剪切唇清晰可見。在放射區能看到河流花樣和韌窩混合出現，同時也有清晰的解理臺階和撕裂棱，斷口的微觀形貌具有準解理斷裂的特征。

2.3.3 小結

綜合對比Ni-1、Ni-2沖擊斷口形貌，可以發現Ni-1微觀斷口處的河流花樣面積、韌窩面積、剪切唇面積、撕裂棱數量都較Ni-2多，表現出來的準理解斷裂部位較多。而解理臺所占面積、單個解理面的面積Ni-1均低于Ni-2，說明Ni-2的脆性斷裂特征多于Ni-1，與沖擊試驗結果相對應。

3 結論

1）Ni-2 抗拉強度、屈服強度分別高達955.83Mpa、710.56 Mpa，較Ni-1增加77.8%、91.2%，鎳元素使得試驗鋼的抗拉強度、屈服強度大幅增強，說明鎳含量的增加對試驗鋼強度提升作用顯著。

2）Ni-2沖擊吸收功總體上較Ni-1低，說明鎳含量的增加對試驗鋼沖擊韌性有不利影響。

3）Ni-1微觀斷口處的河流花樣面積、韌窩面積、剪切唇面積、撕裂棱數量都較Ni-2多，表現出準理解斷裂特性的部位較多。且解理臺所占總面積、單體解理面面積Ni-1均低于Ni-2。總體來說，Ni-2的脆性斷裂特征多于Ni-1，與沖擊試驗結果相對應。

4）Ni-1的顯微組織構成為等軸鐵素體、珠光體以及少量針狀鐵素體，晶粒度為16.0。Ni-2的顯微組織構成為貝氏體和鐵素體，晶粒度為17.5。說明鎳含量的增加不僅改變試驗鋼組織構成，亦使得晶粒度增加，有效地細化晶粒。

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