低Mn条件下Ni含量对熔敷金属低温韧性的影响

熊琛琛+施玉清+汤剑+杨恒闯+陈冰泉

摘 要 设计了熔敷金属中Mn为0.6%，Ni含量分别为0.8%、1.1%、1.7%的三组焊条，探究在低Mn条件下不同Ni含量对熔敷金属低温韧性的影响。通过冲击试验、硬度试验、断口分析和金相观察研究了各组焊条熔敷金属的低温冲击韧性、硬度、断口及金相组织。研究表明：在熔敷金属Mn0.6%条件下：随Ni量增高，冲击功下降，含Ni1.7%的焊条熔敷金属在-40℃至-50℃之间发生脆性转变；Ni含量≤1.1%时，焊缝金属显微硬度变化不大，Ni含量达1.7%时，焊缝金属显微硬度下降；熔敷金属中Ni为0.8%、1.1%、1.7%时，其金相组织分别为先共析铁素体、针状铁素体、等轴铁素体+少量珠光体。

关键词 熔敷金属 低温韧性 Mn含量 Ni含量

中图分类号：TG422.5 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.020

The Effects of Ni Content on Low Temperature Toughness of Deposited

Metal under the Condition of Low Mn-content

XIONG Chenchen[1]， SHI Yuqing[2]， TANG Jian[1]， YANG Hengchuang[3]， CHEN Bingquan[1]

（[1] Wuhan Huaxia University of Technology， School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan， Hubei 430223；

[2] National Optical Products Inspection Services Center， Wuhan， Hubei 430223；

[3] Wuhan Temo Welding Consumables Co.， Ltd， Wuhan， Hubei 430084）

Abstract This work designs three groups of electrode whose deposited metal`s Mn-content are 0.6%， and Ni-content are 0.8%， 1.1%， 1.7% respectively in order to study the effects of different Ni-content on low temperature toughness of deposited metal. We study the low temperature impact work， hardness， fracture surfaces appearance and metallographic structures using means of impact testing， hardness testing， fracture surface analysis and metallographic observation. Our study shows that， under the condition of 0.6% Mn-content in the deposited metal， impact energy decreases as Ni-content increases. When Ni-content reaches 1.7% in the deposited metal， brittle transition of deposited metal occurs within temperature range -40 ℃ to -50 ℃； When the Ni-content in deposited metal is no more than 1.1%， the microhardness of weld metal has no obvious change， when the Ni-content reaches 1.7%， the microhardness of weld metal decreases； When the Ni-content in deposited metal are 0.8%， 1.1%， 1.7%，metallographic structures of these deposited metal are pro-eutectoid ferrite， acicular ferrite， and equiaxed ferrite + a small amount of pearlite respectively.

Keywords Deposited metal； Low temperature toughness； Mn-content； Ni-content

Mn和Ni是低合金高強钢中的重要元素，Mn、Ni对钢的组织和性能的影响已有大量研究，Mn、Ni对焊缝性能的影响也有许多的研究。但是焊缝中不同比例的Mn、Ni共同作用对焊缝低温韧性影响的研究虽有，但结论不一。[1]为此有必要进行更深一步的研究。

本文将通过力学性能试验、断口分析和金相观察研究熔敷金属中Mn0.6%（对应焊条药皮中Mn含量为3%）、Ni含量不同、熔敷金属强度在600～700MPa之间的三组焊条熔敷金属的性能，得到在规定强度范围内、熔敷金属中Mn含量为0.6%时Ni含量的变化对熔敷金属低温韧性的影响规律。

1试样准备

1.1 焊条制作

设计了编号为1、2、3的三组焊条，焊芯为 4mm的H08A。药皮中Mn含量3%，Ni含量分别为3.3%、5.0%、6.7%， 3组焊条的药皮配方如表1所示。焊后经光谱分析，1、2、3号焊条熔敷金属中的Mn为0.6%左右，Ni含量分别为0.8%、1.1%、1.7%。

1.2 冲击试样和金相试样制备

每组焊条焊一块试板，用于切割冲击试样。试板由两块300€？50€？0mm的Q235钢板对接而成，焊缝间隙为16mm，焊缝间隙下垫一块300€？00€？mm的Q235垫板。

焊接试板的电流为160～170A， 电弧电压为22～23V，焊接速度为20mm/min，参照GBT 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》和GBT 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》采用V型缺口的标准冲击试样。冲击试样缺口轴线垂直于焊缝轴线，冲击试样的缺口位于焊缝中央。每块试板切取21个冲击试样。冲击试样取样部位如图1所示。

切取整个焊缝截面制取金相试样，每块试板切取一个。金相试样尺寸20€？5€？0.5mm。

2 熔敷金属冲击试验

试验设备为JBS-300B型数显冲击试验机和DWC-60型冲击试验低温槽。每组试样将分别在0℃、-10℃、-20℃、-30℃、 -40℃、-50℃、-60℃共7种温度下进行冲击试验，每个温度下冲击三个试样后取平均冲击功。熔敷金属中Mn0.6%，Ni分别为0.8%、1.1%、1.7时冲击功数值如表2，冲击功随温度的变化曲线见图2。

从表2和图2可以看出，熔敷金属中Ni0.8%和1.1%试样（第1、2组）的冲击功随温度的下降缓慢下降，变化曲线平稳；没有发现冲击功的突变。而Ni1.7%的试样（第3组）在-50℃附近；冲击吸收功有一个明显的下降。比较三条冲击曲线可知，在Mn0.6%条件下，随含Ni量增高，冲击功下降。

取冲击功最接近該温度下平均冲击功的试样断口进行观察。随着冲击温度降低，试样断口的塑性变形逐渐减小。第1、2组试样冲击断口的宏观塑性变形量随温度下降减小的幅度比较均匀，没有突变，直到-60℃还有一定的塑性变形。第3组试样在不低于-40℃时断口的塑性变形趋势和前两组相同，在-40℃时还有较明显的塑性变形，但在-50℃时断口的塑性变形量明显变小，断口变得平齐，呈正方形（见图 3 ）。

用S570型扫面电镜对3组试样断口启裂点进行观察。启裂点位于靠近缺口根部的断口中央。[2]观察发现，第1组（Ni0.8%）试样-50℃冲断断口的启裂点形貌为大而深的韧窝，第2组（Ni1.1%）主要为浅而小的韧窝。第3组（Ni1.7%）则以解理和准解理为主（见图 4 ），根据上述观察同样可以得出“在熔敷金属含Mn量0.6%条件下，随含Ni量增高，冲击功下降”的结论。根据冲击功数值并结合图3和图4可以初步断定，第3组试样在-40℃和-50℃之间发生了脆性转变。

3 熔敷金属金相分析

冲击韧性与成分和组织有关。将已切割下的焊缝截面试样分别制成金相试样，用4%硝酸酒精进行腐蚀，用TK-C9201EC金相显微镜观察。观察得到的焊缝中部（即熔敷金属）金相组织如图5。

已知Ni是扩大奥氏体区的元素。熔敷金属中含Ni量为0.8%的1号试样由于熔敷金属中含Ni量少，焊缝组织主要为先共析铁素体，先共析铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。Ni含量为1.1%的2号试样焊缝中先共析铁素体的比例减少，主要为针状铁素体，由于针状铁素体组织为连锁结构，能很好地阻止裂纹的扩展，故具有很好韧性。[3]含Ni量1.7%的三号试样焊缝组织为等轴铁素体+少量珠光体，可能由此导致韧性下降。

4 焊缝硬度测试

为了得出Mn、Ni含量对焊缝硬度的影响，评估不同Mn、Ni含量焊条的冷裂倾向，用HV-1000B维氏显微硬度计测试焊缝和熔合线硬度。在每个试样的熔合线上和焊缝中各选取6个点，测出硬度后取平均值。测得熔敷金属中含Mn0.6%，含Ni分别为0.8%、1.1%、1.7%的焊条焊缝的平均显微硬度分别为HV162.5、HV163.8和HV146.9，熔合线的显微硬度分别为HV173.1、HV164.1和HV187.7。1号、2号试样焊缝的显微硬度比较接近，Ni含量高的3号试样焊缝硬度相对有所下降。三者熔合线硬度均不高，焊接时的冷裂倾向很小。

5 结论

在熔敷金属含Mn量0.6%条件下：

（1）随含Ni量增高，冲击功下降，韧脆性转变温度升高。熔敷金属含Ni量0.8%和1.1%的试样在本试验条件下没有韧脆性转变温度。含Ni量1.7%试样的韧脆性转变温度则在-40℃和-50℃之间。

（2）含Ni量在0.8%时，焊缝组织主要是粗大的先共析铁素体。含Ni量1.1%时，焊缝组织为细小的针状铁素体，含Ni量1.7%时，焊缝组织主要为等轴铁素体+少量珠光体。

（3）Ni含量≤1.1%时，焊缝金属显微硬度变化不大。随着药皮中Ni含量进一步升高（1.7%），焊缝金属显微硬度下降。

参考文献

[1] 张海兵，童莉葛，李娜等.焊缝性能影响因素的研究进展[J].材料导报A，2011.25（10）：114-117.

[2] 杜精卫，陈冰泉，汤剑等.一种新型气保护药芯焊丝低温韧性的研究[J].热加工工艺，2014.43（7）：217-219.

[3] 王恒辉，万响亮，李光等.低合金高强度钢焊缝针状铁素体联锁组织与性能[J].材料热处理学报，2014.35（12）：114-120.