G18NiMoCr3－6低合金高強度鑄鋼經調質處理后具有較高的強度、良好的塑性和韌性,可用于生產軌道交通中的關鍵零部件。但合金鋼的砂型鑄造易受鑄件尺寸、壁厚、原材料、氣候、操作方法等因素的制約,鑄件經常出現縮松、砂眼、氣孔、夾雜等鑄造缺陷。對于鑄件表面較大的缺陷,在熱處理前可對其進行補焊。為了嚴格控制G18NiMoCr3－6鋼缺陷的補焊質量,必須進行焊接工藝評定,以驗證焊接及焊后熱處理工藝的正確性[1]。某單位制備了焊評試驗用焊接接頭,其母材材料為G18NiMoCr3－6鑄鋼,焊材選用CHE857CrNi低合金高強鋼焊條,采用焊條電弧焊焊接,焊后接頭的宏觀形貌如圖1所示。對焊后接頭整體進行調質熱處理,其工藝為：900 ℃,3 h,油冷＋560 ℃,3 h,油冷。在對焊接接頭進行力學性能測試過程中,發現試樣的低溫(－40 ℃)沖擊性能不合格。筆者采用一系列理化檢驗方法查明了G18NiMoCr3－6鑄鋼焊接接頭低溫沖擊性能不合格的原因,以避免該類問題再次發生。 

圖  1  G18NiMoCr3－6鑄鋼焊接接頭的宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   力學性能測試

在圖1所示位置的焊接接頭上取力學性能測試試樣,依據GB/T 2651—2008 《焊接接頭拉伸試驗方法》對試樣進行拉伸試驗,其中沖擊試樣為夏比V型缺口,缺口位于焊縫金屬上,缺口面平行于接頭。依據GB/T 2650—2022 《金屬材料焊縫破壞性試驗 沖擊試驗》對試樣進行低溫沖擊試驗,結果如表1所示。由表1可知：焊接接頭的拉伸性能滿足標準要求,試樣的低溫沖擊吸收能量的平均值僅為8.8 J,遠低于技術要求(≥27 J)。 

1.2   宏觀觀察

沖擊試樣斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口齊平,呈銀白色結晶狀,可見放射狀條紋,無纖維區和剪切唇,僅存在放射區,為宏觀脆性斷裂；斷口A區放射紋較細膩,B區放射紋粗糙。試樣在擺錘沖擊力的作用下,缺口側(A區)受拉應力,不開口側(B區)受壓應力,當裂紋進入壓應力區時,壓縮變形對裂紋起到了阻滯作用,使裂紋擴展速率變慢[2－3]。 

圖  2  沖擊試樣斷口的宏觀形貌

1.3   化學成分分析

在焊接接頭的垂直于焊縫處取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表2所示,可見焊縫金屬的化學成分滿足焊材產品標準對熔敷金屬的要求。 

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

沖擊試樣斷口的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：裂紋源區呈沿晶斷裂特征,斷口晶粒大小與淬火加熱時的奧氏體晶粒大小相當；裂紋擴展區均呈“冰糖塊狀”的沿晶斷裂形貌,存在沿晶二次裂紋和少量準解理花樣；斷口晶面上存在大量析出物,其中包括較大顆粒析出物和較小顆粒的析出物薄殼,還有夾雜物及夾雜物脫落后留下的顯微孔洞。 

圖  3  沖擊試樣斷口的SEM形貌

對斷口晶面上的較大顆粒析出物和準解理區域的金屬基體進行能譜分析,結果如圖4和表3所示。由圖4和表3可知：析出物主要含有Fe、C等元素,其中C元素質量分數為15.92%,Fe元素質量分數為83.42%,Si、Mn、Cr、Ni等元素含量較少；金屬基體的C元素含量遠低于析出物,Si、Mn、Cr、Ni等元素含量均高于析出物,可以推斷析出物主要為Fe3C。 

圖  4  斷口晶面析出物與金屬基體的能譜分析位置及譜圖

將斷口處焊縫金屬磨拋后,觀察夾雜物的SEM形貌,并對夾雜物進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知：夾雜物呈球狀,主要含有O、Al、Mn等元素,夾雜物為球狀Al、Mn氧化物。 

圖  5  夾雜物的SEM形貌及能譜分析結果

1.5   金相檢驗

對焊縫金屬拋光面進行金相檢驗,結果如圖6所示。由圖6可知：焊縫金屬中含有大量球狀夾雜物；焊縫金屬的顯微組織為回火索氏體,晶界清晰,可觀察到條狀析出物和球狀夾雜物沿晶界分布。 

圖  6  焊縫金屬的金相檢驗結果

1.6   回火工藝試驗

采用相同材料、相同焊接工藝制備回火試驗用接頭,接頭整體經900 ℃淬火后,垂直于焊縫將其切割成7塊,用不同溫度回火,保溫3 h,油冷。分別對不同回火溫度下的焊縫金屬及母材的沖擊性能和布氏硬度進行測試,結果如圖7所示。由圖7可知：在640～660 ℃回火溫度下,焊縫金屬及母材的沖擊吸收能量不小于27 J；在同一回火溫度下,母材的硬度均低于焊縫金屬。為保證焊接接頭的強度滿足要求,將母材硬度近似換算成抗拉強度,結果如表4所示,可見在600～650 ℃回火溫度下,母材的抗拉強度滿足標準要求。 

圖  7  不同回火溫度下焊縫金屬及母材的沖擊性能和硬度測試結果

2.   綜合分析

根據上述理化檢驗結果可知：焊接接頭的拉伸性能滿足標準要求,焊縫金屬的化學成分滿足焊材產品標準要求。焊縫金屬的顯微組織為調質后的正常回火索氏體,但在晶界分布有大量球狀夾雜物,促進了晶界的弱化[4]。在560 ℃回火溫度下,沖擊試樣斷口呈沿晶斷裂特征,在焊縫金屬斷裂晶面上沿原奧氏體晶界析出了大量Fe3C薄殼,降低了晶界的結合力,使材料的韌－脆轉變溫度升高,導致焊接接頭沖擊試樣在－40 ℃的環境下發生脆斷,斷裂性質為典型的高溫回火脆性斷裂[5]。 

高溫回火脆性又稱可逆回火脆性,在640～660 ℃回火溫度下,焊接接頭的沖擊吸收能量為37.2～53.6 J,滿足技術要求。說明在640～660 ℃回火可以避開回火脆性溫度,提高材料的韌性,這也是第二類回火脆性的典型特征。 

3.   結論及建議

G18NiMoCr3－6鑄鋼焊接接頭低溫沖擊性能不合格的原因為：焊縫金屬在560 ℃回火時產生了高溫回火脆性,沿原奧氏體晶界析出了大量Fe3C薄殼,弱化了晶界結合力,同時沿晶界分布的球狀夾雜物降低了材料的低溫沖擊性能。 

建議重新制定回火工藝參數,避開高溫回火脆性溫度,在640 ℃回火可以使焊接接頭的拉伸性能和低溫沖擊性能同時滿足標準要求。 

文章來源——材料與測試網