EH40钢中镍含量对力学性能及焊接HAZ断裂机理的影响

EH40钢中镍含量对力学性能及焊接HAZ断裂机理的影响

刘云松^1,2  孙立根^1,2  王硕明^1,2  刘增勋^1,2  朱立光^1,2  秦书洋^1,2

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山063000；2.河北省高品质钢连铸工程技术研究中心，河北 唐山063000）

摘  要：本文探究了空冷条件下，超高强船体用钢中不同镍含量对试验钢力学性能及焊接HAZ断裂机理的影响。结果表明：随镍含量增加，试验钢的屈服强度和抗拉强度都有较大幅度的增强，分别增长77.8%和91.2%，高达955.83Mpa、710.56 Mpa，但伸长率和冲击吸收功略有降低，说明镍元素对钢的强度提升作用显著，但对冲击韧性有不利影响；试验钢微观断口处的河流花样面积、韧窝面积、剪切唇面积、撕裂棱数量随镍含量增加而减少，解理台所占总面积以及单体解理面面积变大。总体来说，高镍含量试验钢表现出来的脆性断裂特征较低镍含量试验钢多，与冲击试验结果相对应。

关键词：超高强船体；镍含量；焊接HAZ；屈服强度；抗拉强度；断裂机理

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

随着步入到科技化的二十一世纪，海、陆、空各方面全面发展，海洋事业也随其步入到更高层次的阶段，因此广泛应用于海洋事业的船板钢的质量就需要迈上更高的一层^[1]。船板钢不仅要有更高的强韧性和可焊接性能，同时也要求具有防大气和海洋的腐蚀能力^[2]。为了提高焊接施工效率，大线能量焊接技术成为造船业高效制作的重要手段，但是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能（强度、韧性）恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给船板钢的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切^[3-10]。

本文通过对镍含量影响船板钢力学性能及焊接性能的研究，为合金化对性能的影响提供理论支撑并指导实际生产，从而开发出质量更好的品种，推动海洋事业的发展。

1 冶炼试验

《船舶及海洋工程用结构钢 GB712-2011》国家标准所列出的船板钢EH460的化学成分如表1所示。

表1 EH460钢的化学成分表（wt%）

Table1 The Chemical Component of EH460 Steel（wt%）

实验室选用O5板作为试验钢的基料，金属铝、硅铁、锰铁等合金料，通过100Kg多功能真空感应炉冶炼试验钢。经过参读国内外大线能量焊接船板钢的生产技术成果，拟定出试验钢目标成分，将低镍、高镍含量试验钢分别命名为Ni-1、Ni-2。

2 实验结果及分析

2.1 显微组织

经TMCP轧制工艺轧制后，两块试验钢轧板在500倍金相显微镜下观察显微组织如图2所示，Ni-1的显微组织构成为等轴铁素体、珠光体以及少量针状铁素体，晶粒度为16.0。Ni-2的显微组织构成为贝氏体和铁素体，晶粒度为17.5。镍含量的增加，晶粒明显细化，组构成改变。A₃点降低A₄点上升，扩大了γ相区范围。也就是说，镍的添加提高了过冷奥氏体稳定性，降低了奥氏体和铁素体的自由能差和相变驱动力。同时，镍在一定程度上影响碳的扩散，使奥氏体相变速度减慢，当空冷至B_S点以下时,残余奥氏体相变为贝氏体。随着镍含量的增加，镍对铁素体相变的抑制作用显现，铁素体相变温度降低，晶粒长大缓慢，尺寸明显细化。

图2轧态显微组织

Fig.2 Microstructure of Rolling

2.2 力学性能

经力学性能检测，镍含量对试验钢强塑性及韧性的影响如表所示。

由表4可知， Ni-2的抗拉强度、屈服强度分别高达955.83Mpa、710.56 Mpa，较Ni-1增加77.8%、91.2%。Ni-2断面伸长率较Ni-1有所下降，但仍符合国标要求。从试验钢的成分上说，由于多加1.1%的镍，使得其抗拉强度、屈服强度明显增强，说明镍元素对钢的强度提升作用显著。

表4拉伸试验结果

Table.4 Results of Tensile Test

由表5所示，冲击试验没有达到国标要求，各个条件下只有-20℃时距熔合线2mm冲击吸收功 Ni-2较Ni-1高1.8J，其他冲击条件下吸收功均较Ni-1低，说明镍元素在使得其抗拉强度、屈服强度增强的同时对冲击韧性产生不利影响。也有可能是由于实验室冶炼条件有限，钢中自由氧含量较高，造成钢中夹杂物数量增多。断口处夹杂物数量较多，也是造成断裂的原因，以至于试验钢的冲击韧性较差。

表5热影响区冲击试验结果/J

Table.5 Impact Test Results of HAZ/J

2.3 断裂机理分析

2.3.1 Ni-1断裂机理分析

1）Ni-1宏观断裂

针对Ni-1试验钢不同条件下的冲击试样，通过体视显微镜获得10倍下的冲击断口的形貌如图3所示。

图3 宏观断口形貌10×

Fig.3 The macroscopic fracture surface 10×

由图3可知，（a）冲击试样宏观断口形貌是有很多光亮小颗粒，也有部分凹凸不平纤维状区域，具有延性-脆性断裂的形貌特征；（b）和（d）冲击试样的宏观断口形貌在“V”型缺口的下面出现了纤维状断口，有明显的撕裂棱，纤维状断口下面呈放射状、结晶状形貌，同时也能够清楚的发现剪切唇，具有延性-脆性断裂的形貌特征；（c）冲击试样宏观断口形貌整体上比较平齐，还出现了很多光亮的小颗粒，断口形貌都呈现出放射状和结晶状，具有脆性断裂的形貌特征。

2）Ni-1微观断裂

针对该成分下试验钢不同条件下的冲击试样，通过S-4800扫描电镜获得500倍下的冲击断口的形貌如图4所示。

图4 各条件下HAZ冲击微观断口形貌

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

从图4可知，（c）冲击试样的微观断口无论是在裂纹源处、放射区和剪切唇区均出现了大面积的河流花样，有清晰的解理台阶和撕裂棱，剪切唇面积较小。断口的微观形貌具有解理断裂的特征。

（a）、（b）、（d）冲击试样微观断口在裂纹源处、剪切唇区均出现了大面积的韧窝，且剪切唇清晰可见。而在放射区呈现了清晰的解理台阶和撕裂棱，断口的微观形貌具有准解理断裂的特征。

2.3.2 Ni-2断裂机理分析

1）Ni-2宏观断裂

针对该成分下试验钢不同条件下的冲击试样，通过体视显微镜获得10倍下的冲击断口的形貌如图5所示。

图5 宏观断口形貌10×

Fig.5 The macroscopic fracture surface 10×

从图5可以看出，（a）、（c）的冲击试样的宏观断口形貌是整体上比较平齐，有很多光亮的小颗粒，呈现出放射状和结晶状，而且其剪切唇的面积很小，不易观察。具有脆性断裂的形貌特征；（b）、（d）冲击试样的宏观断口形貌是有明显的撕裂棱，整体上看凹凸不平有部分区域呈现的是放射状、结晶状形貌，有很多光亮的小颗粒，不易观察到剪切唇，具有延性-脆性断裂的形貌特征。

2）Ni-2微观断裂

将S-4800扫描电镜放大到500倍的情况下，对该成分下试验钢的冲击试样断口进行观察，可以得到在不同条件下冲击试样的断口的微观形貌如图6所示。

图6 各条件下HAZ冲击微观断口形貌

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

从图6可知，（a）、（c）冲击试样的微观断口无论是在裂纹源处、放射区和剪切唇区均出现了大面积的河流花样，剪切唇面积都很小。断口的微观形貌具有解理断裂的特征。

（b）、（d）冲击试样的微观断口在裂纹源处、剪切唇区均出现了一定面积的韧窝，且剪切唇清晰可见。在放射区能看到河流花样和韧窝混合出现，同时也有清晰的解理台阶和撕裂棱，断口的微观形貌具有准解理断裂的特征。

2.3.3 小结

综合对比Ni-1、Ni-2冲击断口形貌，可以发现Ni-1微观断口处的河流花样面积、韧窝面积、剪切唇面积、撕裂棱数量都较Ni-2多，表现出来的准理解断裂部位较多。而解理台所占面积、单个解理面的面积Ni-1均低于Ni-2，说明Ni-2的脆性断裂特征多于Ni-1，与冲击试验结果相对应。

3 结论

1）Ni-2 抗拉强度、屈服强度分别高达955.83Mpa、710.56 Mpa，较Ni-1增加77.8%、91.2%，镍元素使得试验钢的抗拉强度、屈服强度大幅增强，说明镍含量的增加对试验钢强度提升作用显著。

2）Ni-2冲击吸收功总体上较Ni-1低，说明镍含量的增加对试验钢冲击韧性有不利影响。

3）Ni-1微观断口处的河流花样面积、韧窝面积、剪切唇面积、撕裂棱数量都较Ni-2多，表现出准理解断裂特性的部位较多。且解理台所占总面积、单体解理面面积Ni-1均低于Ni-2。总体来说，Ni-2的脆性断裂特征多于Ni-1，与冲击试验结果相对应。

4）Ni-1的显微组织构成为等轴铁素体、珠光体以及少量针状铁素体，晶粒度为16.0。Ni-2的显微组织构成为贝氏体和铁素体，晶粒度为17.5。说明镍含量的增加不仅改变试验钢组织构成，亦使得晶粒度增加，有效地细化晶粒。

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