电致奥氏体增韧高强钢焊接热影响区机理

陈章兰, 熊云峰, 李晓文, 王九龙

(1.集美大学，福建 厦门 361001; 2.厦门精悍机电设备有限公司，福建 厦门 361021)

0 前言

新一代超高强钢具有船海结构需要的优良冲击韧性。然而，超高强钢焊接热影响区(HAZ)在快速冷却过程中，奥氏体来不及转变形成脆性MA(Martensite-Austenite)组元[1-4]，硬相马氏体晶界应力集中而软相奥氏体晶界位错堆积[5-6]，由Yamamoto公式可知断裂耗能低，尺度达到1 μm2即产生微裂纹形核[7]。而工程上CO2气体保护焊8 mm高强钢板，热影响区块状MA组元长度可达6 μm[3]；微裂纹对强度的影响由Griffith理论可知，断裂韧性急剧下降。更为严峻的是，MA组元在焊接拉应力作用下聚集大量C，Mn和Si等元素[8]，加剧了HAZ的脆化。因此，研究HAZ离线增韧对深化超高强钢船海工程应用具有十分重要的意义。

热处理方法应用于消除焊接HAZ中MA组元的脆性：如延长高温停留时间细化MA组元[9]；提高奥氏体化温度[4]或大的冷却速度[10]消除MA组元和细化晶粒。然而，由于HAZ宽度为亚厘米量级，热处理参数的调节难以突破热影响超宽。

应用电脉冲强韧化钢材研究较多，电脉冲产生焦耳热，在急热和急冷条件下，对工件整体电热处理，细化钢材晶粒[11]。电脉冲产生焦耳热和电子风力，推动位错运动，降低相变热动力壁垒，提高相变形核速率，促进晶界迁移，细化晶粒[12]，甚至获得纳米量级晶粒[11]，极大地提高钢材整体强韧性。但是应用于高强钢热影响区局域以消除高强钢脆性MA组元，未见研究报道。

利用MA脆性组元电阻大于基体的物性差异，采用窄带大电流脉冲作用于热影响区，分析热影响区断裂韧性行为，为有限区域增韧提供一种方法。

1 试验及其检测

采用板厚15 mm的FH690船用钢，主要化学成分：0.08%C，0.15%Si，1.58%Mn，2.30%的Cu+Cr+Ni+Mo，其余为Fe(质量分数，%)。焊接采用混合气体80%CO2+20%Ar保护，I形坡口对接焊。为使焊态热影响区组织保持一致性，方便对比，焊缝宽度取10 mm，一侧热影响区用于冲击韧性试验，另一侧热影响区试样用于显微观察。据研究，HAZ的MA脆性组元在再加热时形成[3]，因此采用3层焊道，且去除最后焊道，将焊接接头按照中国船级社《材料与焊接规范》(2018版)的冲击试验规范要求加工为10 mm×10 mm×55 mm。根据前期电脉冲试验研究经验，电脉冲电流密度取33×106A/m2，脉冲宽度30 ms。电极为边长为2 mm方形钨合金。以频率为1 Hz连续的3次脉冲为1个序列。焊接试样共3组，1组为焊态对比试样。另2组进行电脉冲处理，分别进行2个序列、5个序列(间距为2 mm)，序列作用频率为0.2 Hz。

试样进行V形缺口加工后进行-60 ℃冲击试验。显微组织依照标准流程制作并采用光学显微镜和电子背射衍射观察，断口采用扫描电镜观察。金相显微组织采用Lepera’s溶液腐蚀。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

图1为显微组织形貌，光学显微镜显示焊接热影响区显微组织主要为贝氏体、马氏体和铁素体，其中白色块状MA组元以小岛状分散分布，如图1a所示。而图1b中基本上不见块状MA组织，出现大块白色晶粒，周围密布着颗粒状小晶粒，如白色虚线部分。

图1 显微组织

2.2 显微组织晶粒分布

图2为焊态和电脉冲态EBSD组织晶粒位向分布，焊态组织晶粒尺寸和位向分布较为均匀。电脉冲试样中间部分为粗晶粒，而上下两侧密布细晶粒，分布形态与图1b相似。

图2 晶粒位向分布

晶粒统计尺寸如图3所示，电脉冲后细小晶粒分数明显增加。

图3 晶粒尺寸分布

强度与晶粒尺寸服从Hall-Petch关系，如式(1)。可见电脉冲处理使晶粒细化，可有效提高强度。

(1)

式中:σy和σ0分别是屈服强度和初始应力;ky为系数;d为晶粒尺寸。

晶粒细化对韧性影响通过降低韧转脆温度实现，如式(2)所示。

(2)

式中：β，B和C为常数；Tc为韧脆转变温度。

2.3 断口形貌

断口形貌如图4所示。与图4a的焊态脆性解理断口形貌相比，电脉冲态试样的脆性解理断口中间部分出现韧窝，晶界出现撕裂棱，如图4b所示。而周边密集的小晶粒，与图2b、图1b类似。

图4 断口形貌

2.4 相分布

一般而言，HAZ中MA组元或粗晶断口呈典型的脆性解理形貌，如图4a所示，然而图4b所示电脉冲处理后断口呈现断口塑性形貌。为进一步确定塑性部分的性质，对电脉冲处理后出现的“粗晶”形态(如图1b和图2b所示)进行相分析，如图5所示，其中蓝色为面心立方相，红色为体心立方相，黑色线条为晶界。焊态和电脉冲态试样的面心立方相体积分数分别为2.02%和4.62%。图5a显示的焊态面心立方相分布较分散，且以块状存在。图5b电脉冲态的面心立方相主要分布于粗晶上下两侧。

图5 相分布

研究表明马氏体奥氏体晶粒尺寸对韧性影响异常敏感，奥氏体晶粒超过1 μm2即引起脆化[13]。面心立方相晶粒尺寸分布如图6所示。电脉冲处理态面心立方相晶粒主要分布在0.05 μm，而焊态的集中在0.25 μm。电脉冲处理细化晶粒效应明显。焊态面心立方相晶粒超过1 μm 的体积分数2.32%，而电脉冲态的为0.59%，电脉冲消减脆性组元尺寸效果明显。晶粒细化原因除了奥氏体化的大过冷度之外，电脉冲的电能降低奥氏体形成的自由能[14]，因而提高奥氏体形核率，降低奥氏体尺寸，促使晶粒细化。

图6 面心立方相晶粒尺寸分布

2.5 冲击韧性

焊态试样的冲击韧性平均为8.55 J，2个序列和5个序列脉冲处理试样平均冲击韧性分别为10.62 J和14.73 J，分别为焊态试样冲击韧性的1.24倍和1.72倍，电脉冲处理增韧效果明显。考虑到电流作用斑点面积并未分布整体截面，按电脉冲处理面积标定后，5个序列脉冲试样冲击韧性对应为0.48 J/mm2，超过了母材韧性值(0.46 J/mm2)。

3 讨论

3.1 电脉冲处理热影响的亚毫域特性

显微组织中MA脆性组元、裂纹甚至晶界等脆性因素，位错密度大，电阻率大于基体，设为基体的4倍[14-15]。在脉冲电流导通瞬间，电流因脆性因素电阻大而产生焦耳热集中，致使脆性因素温度升高，由于焦耳热产生的温升与电阻呈线性关系，则温升使脆性因素熔化，形成的液态覆盖在基体晶界，显微组织和断口正好平行于晶界时，出现“粗晶粒”，如图1b、图2b和图4b。粗晶形态与电脉冲愈合裂纹的显微组织形态相似[16]，说明该局域发生了熔化，为电脉冲作用斑点。斑点周边密布大量细小晶粒，由于该微域电阻小，焦耳热小，但由于传热作用使该微域呈点状局部熔化，遇冷后结晶为独立细晶。晶粒细小，无法填充满晶界空隙。细晶的远处基本无电流作用痕迹。因此，粗晶和周边的细密晶粒区域即为电流作用斑点，其宽度不超过0.2 mm。结合电脉冲态组织中几乎无块状呈岛状分布的脆性组元、且液态薄膜厚度极薄的现象，可以确认该电脉冲参数具有识别脆性组元并使之熔化结晶，即亚毫域热处理的特点。

3.2 冲击韧性增加机理

窄带大电流电脉冲处理后快速冷却，熔化区域的显微组织应为马氏体。为进一步确认增韧机理，将图5b相分布图放大如图7所示。与焊态面心立方相小岛状分布不同，电脉冲态面心立方相沿晶界呈薄膜状分布，且密布在粗晶附近。结合图4晶界撕裂棱和脆性晶界的韧窝现象，认为晶界薄膜状面心立方相即为图4中塑性相。

图7 电流斑点的相分布

测量面心立方相化学成分见表1。可以看出，面心立方相含碳量高于基体，塑性相的高含碳量与文献[12]测量结果一致。结合图4b的塑性形貌和面心立方晶格结构，可以确认是沿晶界薄膜状分布的面心立方相为奥氏体，基于与基体热影响区组织的显著不同，可以认为奥氏体为电脉冲作用产生。电脉冲产生奥氏体其机理在于电致焦耳热效应和非焦耳热效应2方面。脆性因素焦耳热集中，形成温度梯度。根据Boltzmann分布规律，电场作用下原子浓度D1可表示为：

表1 电流斑点的化学成分(质量分数，%)

(3)

式中：n0和k1为常数；q为每一载流子的电荷量;V是电压;T为温度。

由式(3)可知在温度梯度和电位梯度驱动下产生的向脆性组元处的原子迁移DV梯度为：

(4)

在冷却阶段，虽然电场已移除，然而脆性组元与基体的晶界仍存在温度梯度，由此产生原子迁移DT服从Boltzmann分布：

(5)

式中：D0为扩散系数；k为扩散常数；Q为激活能。

若脆性组元与基体存在100 ℃的温度梯度，则原子向脆性组地处迁移通量高于基体3倍。

联合式(4)和式(5)可以看出，在加热和冷却阶段，由于脆性组元处高温和高电位，使原子迁移产生定向性，使脆性组元晶界富碳。依据奥氏体化学成分稳定性原理，高碳含量降低了Ms点，促使奥氏体室温稳定。

焦耳热产生的温度梯度，形成不平衡热膨胀，脆性组元处因高温屈服强度低而承受压应力，形成应力梯度。根据奥氏体机械稳定性原理，晶界压应力降低了马氏体开始转变温度和转变终了温度，不仅促使奥氏体残{JP留至室温，并促进奥氏体以晶界薄膜状形态存在。

MA组元形态一般认为有3种：块状，长条状和混合状[8]，其中块状对韧性影响最为显著[7]，而长条甚至薄膜状有利于韧性增加。当奥氏体以薄膜状形态存在时，与块状MA组元引起的解理断口形貌相比(图4a)，薄膜状奥氏体组元存在于晶界，奥氏体强度低会吸引裂纹，并使裂纹被晶界捕捉，裂纹扩展能消耗大。当裂纹能量不足以克服扩展能时往往出现止裂现象，典型的断口形貌如图8所示。该结论与长条状奥氏体形态对韧性影响一致[17]。

图8 裂纹在晶界止裂

4 结论

(1)窄带大电流的电脉冲消减高强钢焊接热影响区脆性组元，并驱动碳原子定向扩散和压应力集中，促进奥氏体室温稳定，构建了高体积分数的沿晶界薄膜状分布的奥氏体，是断口形貌出现韧窝和撕裂棱等塑性行为的原因。

(2)窄带大电流的电脉冲细化晶粒尺寸、消减脆性组元以及构建塑性奥氏体相，有效增加高强钢焊接热影响区韧性。

(3)窄带大电流电脉冲的作用斑点窄，仅为亚毫米量级，具有局域韧化特点。