焊接热输入对超高强钢层间热影响区微观结构演变及断裂韧性的影响机制研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of heat input on microstructure evolution and fracture toughness of interlayer heat affected zone in ultra-high strength steel

本文针对超高强钢(UHSS)焊接中层间热影响区(IHAZ)韧性劣化问题，系统研究了不同焊接热输入(0.8 kJ/mm vs 1.8 kJ/mm)对微观结构演变和断裂韧性的影响。研究发现提高热输入可显著降低珠光体含量(7.2%→3.0%)并增大其片层间距(34.5μm→50.0μm)，通过优化晶体学特征(促进多Bain组取向和高角度晶界形成)使CTOD值从0.122mm提升至0.325mm。该研究为优化焊接工艺参数、提升UHSS焊接接头力学性能提供了重要理论依据。

　　

随着现代工程装备向大型化方向发展，减轻结构重量并提高安全性成为亟需解决的关键问题。在这一背景下，抗拉强度超过700兆帕的超高强钢（UHSS）因其优异的强度重量比，成为大型工程结构的理想选择。焊接作为结构制造中不可或缺的加工技术，其质量直接关系到整体结构的安全性与可靠性。其中，药芯焊丝电弧焊（FCAW）作为一种自动化焊接技术，以其高效率和低成本的优势被广泛应用。然而，超高强钢在焊接过程中面临着一个严峻挑战：焊接金属（WM），特别是层间热影响区（IHAZ）的力学性能，尤其是韧性，会出现显著下降。在多层多道焊工艺中，IHAZ会经历反复的热循环，导致初始微观结构发生不可逆的转变，形成链状的马氏体-奥氏体（M-A）组元等脆性相，严重损害韧性。因此，深入探究焊接热输入如何影响IHAZ的微观结构演变及其对断裂韧性的作用机制，对于优化焊接工艺、提升超高强钢焊接接头的综合性能具有至关重要的工程意义。本研究旨在系统揭示焊接热输入对超高强钢层间热影响区微观结构和断裂韧性的影响规律，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构形貌；通过电子背散射衍射（EBSD）进行晶体学分析，包括晶界分布、核平均误取向（KAM）以及Bain组和CP（Close-Packed，密排）组的变体选择统计；借助透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）分析微细结构和相组成；采用裂纹尖端张开位移（CTOD）测试在-10°C下评估焊接金属的断裂韧性；并利用图像分析软件统计珠光体体积分数和片层间距。实验样本来源于厚度21毫米的超高强钢板，采用V型坡口接头和E101药芯焊丝进行多道焊制备。

3.1. 微观结构特征

研究结果显示，焊接金属的微观结构主要由沉积金属和层间热影响区（IHAZ）组成。沉积金属以针状铁素体（AF）和贝氏体为主，而IHAZ由于后续焊道的回火效应，形成了链状的珠光体（P）组织。随着热输入从0.8 kJ/mm（LI）增加到1.8 kJ/mm（HI），珠光体链的间距从34.5 μm显著扩大至50.0 μm。TEM分析进一步证实，珠光体由Fe₃C渗碳体片层和铁素体以层状交替排列构成，并观察到HI样品中晶界处有碳化物析出。

3.2. 夹杂物分析

两种样品中的夹杂物均为近球形的Ti-Si-Mn-Al复合氧化物，尺寸主要集中在0.2-1 μm的亚微米级，是针状铁素体有效的形核核心。LI和HI样品的夹杂物密度分别为184 mm^-2和173 mm^-2，平均尺寸均为0.4 μm，表明热输入对夹杂物的特征影响不大。

3.3. EBSD分析及变体选择

EBSD分析表明，针状铁素体呈现多方向放射状生长，具有不同的晶体取向，形成了大量高角度晶界（HAGBs，误取向角>10°）。统计结果显示，LI样品的平均晶粒尺寸（1.3 μm）略细于HI样品（1.6 μm），但LI样品的低角度晶界比例更高，且KAM值（0.37°）高于HI（0.29°），表明LI样品内部应力集中更显著。晶体学变体选择分析发现，LI样品中Bain 1组变体占主导地位，变体分布不均匀；而HI样品中各Bain组和CP组变体分布更为均匀。珠光体通常以单一Bain组取向通过交感形核和协同生长形成，而相邻的交错生长的针状铁素体则呈现多Bain组特征，这促进了HAGBs的形成。

3.4. CTOD断裂韧性

CTOD测试结果表明，高热输入（HI）样品的断裂韧性（0.325 mm）显著优于低热输入（LI）样品（0.122 mm）。断口分析显示，LI样品的裂纹优先在珠光体-铁素体界面处萌生，这是由于两相之间塑性变形不协调导致的应力集中所致。而在HI样品中，裂纹扩展路径更为曲折，并观察到晶内裂纹导致晶粒破碎的现象。

4.1. 热输入对微观结构特征的影响

焊接参数是决定焊接金属最终微观结构的主导因素。针状铁素体的形核主要源于夹杂物周围形成的元素贫化区。本研究中高密度分布的Ti-Si-Mn-Al复合氧化物夹杂为针状铁素体的异质形核提供了有效点位。IHAZ中珠光体的形成归因于后续焊道热循环引发的非平衡相变。提高热输入促进了碳原子的扩散，导致碳优先以薄膜状和颗粒状碳化物形式在晶界析出，降低了基体中的碳浓度，从而减少了珠光体的形核驱动力，使其体积分数下降，片层间距增大。

4.2. 晶体学结构特征与CTOD断裂韧性的关系

断裂韧性的显著提升与IHAZ中珠光体体积分数的减少和片层间距的增大密切相关。针状铁素体的交错结构和HAGBs能有效阻碍裂纹扩展，而珠光体片层界面则易成为裂纹萌生和扩展的通道。晶体学分析表明，LI样品中珠光体形成时倾向于单一的Bain组取向，导致其与周围针状铁素体界面处存在显著的应力集中（表现为更高的KAM值），促进了界面剥离和微裂纹萌生。HI样品中更均匀的变体分布和更低的应力集中，以及珠光体含量的减少，共同贡献了其优异的断裂韧性。裂纹萌生行为示意图清晰表明，随着热输入增加，裂纹萌生位置从珠光体-针状铁素体界面和夹杂物-基体界面的双重机制，转向主要集中于夹杂物-基体界面。

本研究系统揭示了焊接热输入通过调控层间热影响区的微观结构演变，特别是珠光体含量及其晶体学特征，来影响超高强钢焊接接头断裂韧性的内在机制。提高热输入（至1.8 kJ/mm）虽然使晶粒略有粗化，但通过促进碳化物在晶界析出、降低基体碳浓度，显著减少了脆性珠光体的体积分数，并增大了其片层间距。更重要的是，高热输入条件下形成了变体分布更均匀的微观结构，减少了局部应力集中，提高了裂纹扩展的阻力，从而使CTOD断裂韧性值获得显著提升。该研究为通过优化焊接热输入参数来改善超高强钢焊接接头的力学性能，特别是抗脆断能力，提供了重要的理论指导和实验依据，对保障大型焊接结构的安全服役具有重要的实际意义。