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HQ130钢焊接粗晶热影响区的显微图像分析
王 娟， 李亚江
(山东工业大学材料科学与工程学院连接技术研究所，山东济南250061)
摘 要：用XQF22000型显微图像分析仪对CO2气体保护焊的高强度钢HQ130粗晶热影响区(CGHAZ)的显微组织构成、区域宽度及晶粒度进行了测定，并用透射电镜和电子衍射技术对CGHAZ的精细组织结构作了进一步的研究。结果表明，随着焊接线能量的增加，HQ130钢CGHAZ的主体组织依次为板条马氏体→板条马氏体+下贝氏体→板条马氏体+下贝氏体+上贝氏体，晶粒直径逐渐变大。当焊接线能量为22.3kJöcm时，奥氏体晶粒的直径最大达158Lm。应将焊接线能量控制在16kJöcm以下，使CGHAZ形成板条马氏体+下贝氏体组织，避免产生上贝氏体组织，防止晶粒粗化，改善该区域的性能。
关键词：HQ130；高强度钢；热影响区；显微组织；图像分析
HQ130钢是国内新开发的低合金焊接结构用钢，其抗拉强度Rb≥1300MPa。该钢焊接热影响区各部分经历了不同的焊接热循环，其中以位置靠近焊缝、峰值温度大于1200℃的粗晶热影响区(CGHAZ)的组织性能变化最为明显，该区被认为是高强度钢焊接接头区的脆弱环节[1，2]。特别是强度级别较高的低合金高强度钢，CGHAZ的韧性对焊接结构的整体性能至关重要。以往都是采用传统的金相显微镜对该区域进行定性分析，靠肉眼在显微镜下观察，组织识别结果的准确性和重现性较差，而且速度慢，对操作人员的技术水平要求高。因此利用先进的计算机技术分析焊接区的金相组织具有重要意义。
1 试验方法
母材HQ130钢的化学成分(质量分数)和热处理后的力学性能见表1。焊接试板厚12mm，对接接头处开V型坡口，用CO2气体保护，采用9.6kJ/cm、16.0kJ/cm和22.3kJ/cm3种焊接线能量焊接。
在CGHAZ切取试样进行金相分析。用XQF22000型显微图像分析仪测定各相的相对含量时，计算机根据每种颜色代表的相在整个视场中所占的比例进行计算；晶粒度是用截线法(统计给定长度上测量网格内的截点数)测定的，晶粒度级别指数G的计算公式为[4]：
G=-3.2877+6.6439lg(M×N/L)
式中：L为所使用的测量网格长度(mm)；M是放大倍数；N是测量网格内的截点数。用线切割机在CGHAZ切取薄片，制备薄膜试样，用透射电镜和选区电子衍射技术进行精细组织结构分析。
2 试验结果及分析
2.1 CGHAZ的显微组织
受焊接热循环的影响，处于熔合区附近的CGHAZ中的奥氏体晶粒明显长大，成为碳分布较均匀的奥氏体，快速冷却后转变成粗大的低碳板条马氏体，见图1(a)。该板条马氏体与原奥氏体之间存在共格晶面，属于无扩散相变。图1(b)是扫描电镜观察到的CGHAZ中的低碳板条马氏体组织的形态，其主要特征是低碳马氏体板条束呈大角度分布，相邻马氏体束大致平行(位向差小)而组成一个马氏体束团。原奥氏体晶粒越细，相变后马氏体板条宽度越小，韧性越好。
金相分析表明，HQ130钢CGHAZ中除了有大量板条马氏体外，还有下贝氏体。这些下贝氏体有的平行于板条马氏体，有的横穿板条马氏体，分割奥氏体晶粒，其长度可达30Lm。下贝氏体横穿板条马氏体分割奥氏体可使低碳马氏体尺寸细化。在焊接冷却过程中，当C向低碳马氏体转变时，10个以上相邻板条马氏体具有大致相同的结晶取向，形成一束板条。当CGHAZ产生下贝氏体与低碳马氏体的混合组织时，原奥氏体晶粒被先析出的下贝氏体有效分割，使低碳马氏体有更多的形核位置并限制其生长。与单一的板条马氏体组织相比，低碳马氏体+下贝氏体混合组织有更多的大角度晶界，裂纹扩展至低碳马氏体束界或低碳马氏体2下贝氏体边界处受阻而转向，使裂纹扩展长度变短，冲击韧性明显提高。
图1 HQ130钢焊接粗晶热影响区的显微组织
(a)显微组织； (b)扫描电镜照片
2.2 各相含量及奥氏体晶粒度的测定
通过金相显微镜和扫描电镜可对CGHAZ的组织类型作定性分析，但各种相的相对含量却难以准确测定，而CGHAZ中的下贝氏体或上贝氏体含量对该区域的韧性有重要影响。利用显微图像分析仪，对不同焊接线能量下CGHAZ的组织类型和各相含量进行了测定，结果见表2。可以看出，焊接线能量越大，CGHAZ中越易出现上贝氏体组织。当焊接线能量在16kJ/cm时，CGHAZ为低碳马氏体+下贝氏体混合组织，未见上贝氏体组织。焊接线能量对CGHAZ组织的影响如图2所示。下贝氏体板条束之间呈一定角度，切割板条马氏体组织，使亚晶界增多，裂纹敏感性降低，明显提高CGHAZ的韧性。
焊接线能量为22.3kJ/cm时，CGHAZ的主体组织是低碳马氏体+下贝氏体+上贝氏体，上贝氏体约占9.8%。由于上贝氏体板条间结晶取向相差不大，解理裂纹在上贝氏体板条中可连续贯穿，所以解理断裂抗力较低，CGHAZ的韧性恶化。因此，焊接HQ130钢时应限制焊接线能量在16kJ/cm以下，避免在CGHAZ出现上贝氏体组织。
峰值温度升高使CGHAZ内奥氏体晶粒粗大，并且随焊接线能量的不同，CGHAZ的宽度及奥氏体晶粒直径亦发生变化。利用XQF22000显微图像分析仪对不同焊接线能量下的CGHAZ宽度及奥氏体晶粒度级别进行测定，计算出相应的晶粒直径，实测结果列于表3。由表可见，焊接线能量越大，CGHAZ越宽，奥氏体晶粒尺寸越大。焊接线能量为22.3kJ/cm时，奥氏体晶粒直径最大，达到158Lm。因此，为防止CGHAZ内奥氏体晶粒的严重粗化，必须严格控制焊接线能量，以保证其韧性，避免产生脆化和裂纹。
图2 焊接线能量对CGHAZ显微组织中各相含量的影响
2.3 CGHAZ的组织结构
CGHAZ的组织形态对冲击韧性有重要影响。用线切割机在CGHAZ切取薄片，磨制成厚度约50Lm的薄片试样，通过电解双喷法减薄制成薄膜试样，再用透射电镜和电子衍射技术进行分析。图3是沿[110]取向拍摄的CGHAZ中板条马氏体的TEM形貌、选区电子衍射图及指数标定结果。
图3 CGHAZ的组织结构(TEM)
(a)TEM形貌； (b)选区电子衍射图； (c)指数标定结果，B=[110]
在透射电镜下可观察到CGHAZ板条马氏体，位错密度为(0.3～0.9)×1012öcm2。低碳马氏体板条内部和边界上分布有回火析出的碳化物。位错附近有局部的晶格畸变区，电子束在这些区域的衍射强度和其它部位不同，于是在显示屏上可看到这些位错的衬度像。奥氏体变为低碳马氏体时在微观上形成位错亚结构，母相与新相之间存在着(111)C∥(011)A和[101]C∥[111]A的晶体学取向关系。
焊接线能量为9.6kJöcm时，尽管冷却速度很快，CGHAZ中仍能出现低碳马氏体“自回火”现象，在透射电镜下可以清楚地观察到晶内有弥散分布的碳化物。由于冷却速度快，除了生成位错低碳马氏体外，还观察到了少量孪晶马氏体，电子衍射分析证实了这一点。低碳马氏体板条内部的孪晶与高碳马氏体中的孪晶不同，前者只出现在板条内部的局部区域，其余部分都是密度极高的位错线；而后者则密集排列并遍布整个马氏体区域[5]。用直径20Lm的选区光阑依次对相邻的板条晶进行衍射操作，发现显示屏上相邻板条晶的衍射斑点位置基本不变，只有衍射斑强度发生变化，这表明低碳马氏体板条束中各相邻板条之间的取向差很小。
低碳板条马氏体组织的塑韧性取决于低碳马氏体板条内部存在的高密度位错的亚结构。TEM分析表明，HQ130钢CGHAZ中低碳马氏体板条内部的亚结构中存在许多位错，这可能是由于CGHAZ刚形成的马氏体中的过饱和碳在较高温度下尚能扩散、聚集，并以碳化物质点的形式在马氏体板条内弥散析出，发生自回火现象。自回火板条马氏体本身具有一定的塑韧性，所以高强度钢CGHAZ中形成自回火板条马氏体组织可提高该区域的抗解理断裂能
力，改善CGHAZ的塑韧性。
3 结 论
(1)焊接线能量从9.6kJ/cm提高到22.3kJ/cm时，HQ130钢CGHAZ显微组织发生一系列变化：低碳马氏体→低碳马氏体+下贝氏体→低碳马氏体+下贝氏体+上贝氏体。当焊接线能量为22.3kJöcm时，上贝氏体组织可占9.8%。应严格控制焊接线能量在16kJ/cm以下，以避免形成上贝氏体组织，使该区域的韧性恶化。
(2)焊接线能量从9.6kJöcm提高到22.3kJ/cm时，CGHAZ宽度增加，奥氏体晶粒尺寸也增大。焊接线能量为9.6、16.0和22.3kJ/cm时，CGHAZ内奥氏体晶粒度级别为3.6、3.3、2.3，相应的最大晶粒直径分别是105Lm、115Lm和158Lm。
(3)TEM观察和选区电子衍射分析表明，HQ130钢焊接粗晶热影响区中低碳马氏体板条内部的亚结构内存在高密度位错，位错密度为(0.3～0.9)×1012/cm2。低碳马氏体板条束各相邻板条之间的取向差很小，不存在明显的孪晶结构。
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