D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.07.011 第34卷第7期 北京科技大学学报 Vol.34 No.7 2012年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2012 焊接热循环参数对大线能量焊接用钢EH40热影响区 组织和性能的影响 李静四王华曲圣昱王佳骥付魁军及玉梅刘芳芳 鞍钢股份有限公司，鞍山114021 ☒通信作者，E-mail:516099594@163.com 摘要利用热模拟技术及光学显微镜、透射电镜研究了焊接热循环参数对大线能量焊接用船板钢热影响区组织和性能的 影响.发现模拟焊接热影响区组织主要由粒状贝氏体、铁素体和珠光体组成，且随着峰值温度和冷却时间的变化，热影响区的 组织发生较大的变化：热影响区的冲击韧性总体水平较高，均在200J以上，冲击韧性并不随着峰值温度和冷却时间的增加而 单调变化：热影响区MA岛的数量、尺寸、分布和形态影响热影响区的韧性. 关键词造船材料：钢板；焊接：热影响区：组织：韧性；热循环 分类号TG402:TG457.11 Effect of welding thermal cycle parameters on the microstructure and properties in the heat affected zone of steel EH40 for high heat input welding LI Jing☒，WANG Hua,QU Sheng-yu,WANG Jia-ji,FU Kui-jun,JⅡYu-mei,LIU Fang fang Angang Steel Company Limited,Anshan 114021,China X Corresponding author,E-mail:516099594@163.com ABSTRACT The effects of welding thermal cycle parameters on the microstructure and properties in the heat affected zone (HAZ)of hull structure steel for high heat input welding were studied by thermal simulation technique,optical microscopy and transmission electron microscopy (TEM).It is found that the microstructure of the simulated HAZ is mainly composed of granular bainite,ferrite and pearlite,but it varies markedly with the change of peak temperature and cooling time.The overall level of impact toughness of the simulated HAZ is higher than 200J,and the impact toughness does not monotonously change with the peak temperature and the cooling time increasing.The amount,size,distribution and shape of M-A constituents in the simulated HAZ are the main influencing factors on the impact toughness. KEY WORDS shipbuilding materials;plates;welding:heat affected zone;microstructure:toughness:thermal cycling 为了提高焊接效率，大线能量焊接技术已被广 温度梯度和组织梯度的影响，导致其组织形态变化 泛应用.传统的低合金高强钢(HSLA)在线能量大 比较复杂，而模拟焊接热循环使整个试样的均温区 于50kJ·cm焊接时，粗晶热影响区(CGHAZ)在焊 经受同样的热循环作用，可以用来模拟焊接热影响 接热循环过程中被加热到接近母材熔点的温度，造 区受不同焊接热循环影响的对应组织回.所以，本 成奥氏体晶粒严重长大，二次组织容易产生脆 文利用Gleeble38O0热模拟试验机对大线能量焊接 性口，从而使冲击韧性和焊接性能明显恶化。所以， 用钢EH40进行不同热循环参数的热模拟试验，研 在大线能量输入焊接条件下，为了保证焊接结构件 究大线能量焊接用钢模拟焊接粗晶热影响区的组织 使用的安全可靠性，国内外相继开展了对大线能量 和性能的变化规律. 焊接用钢的研究.由于熔合区在实际焊接接头中受 收稿日期：201105-22 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2006BAEO3A15)
第 34 卷 第 7 期 2012 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 7 Jul． 2012 焊接热循环参数对大线能量焊接用钢 EH40 热影响区 组织和性能的影响 李 静 王 华 曲圣昱 王佳骥 付魁军 及玉梅 刘芳芳 鞍钢股份有限公司，鞍山 114021 通信作者，E-mail: 516099594@ 163． com 摘 要 利用热模拟技术及光学显微镜、透射电镜研究了焊接热循环参数对大线能量焊接用船板钢热影响区组织和性能的 影响． 发现模拟焊接热影响区组织主要由粒状贝氏体、铁素体和珠光体组成，且随着峰值温度和冷却时间的变化，热影响区的 组织发生较大的变化; 热影响区的冲击韧性总体水平较高，均在 200 J 以上，冲击韧性并不随着峰值温度和冷却时间的增加而 单调变化; 热影响区 M-A 岛的数量、尺寸、分布和形态影响热影响区的韧性． 关键词 造船材料; 钢板; 焊接; 热影响区; 组织; 韧性; 热循环 分类号 TG402; TG457. 11 Effect of welding thermal cycle parameters on the microstructure and properties in the heat affected zone of steel EH40 for high heat input welding LI Jing ，WANG Hua，QU Sheng-yu，WANG Jia-ji，FU Kui-jun，JI Yu-mei，LIU Fang-fang Angang Steel Company Limited，Anshan 114021，China Corresponding author，E-mail: 516099594@ 163． com ABSTRACT The effects of welding thermal cycle parameters on the microstructure and properties in the heat affected zone ( HAZ) of hull structure steel for high heat input welding were studied by thermal simulation technique，optical microscopy and transmission electron microscopy ( TEM) ． It is found that the microstructure of the simulated HAZ is mainly composed of granular bainite，ferrite and pearlite，but it varies markedly with the change of peak temperature and cooling time． The overall level of impact toughness of the simulated HAZ is higher than 200 J，and the impact toughness does not monotonously change with the peak temperature and the cooling time increasing． The amount，size，distribution and shape of M-A constituents in the simulated HAZ are the main influencing factors on the impact toughness． KEY WORDS shipbuilding materials; plates; welding; heat affected zone; microstructure; toughness; thermal cycling 收稿日期: 2011--05--22 基金项目: 国家科技支撑计划资助项目( 2006BAE03A15) 为了提高焊接效率，大线能量焊接技术已被广 泛应用． 传统的低合金高强钢( HSLA) 在线能量大 于 50 kJ·cm － 1 焊接时，粗晶热影响区( CGHAZ) 在焊 接热循环过程中被加热到接近母材熔点的温度，造 成奥氏体晶粒严重长大，二次组织容易产生脆 性［1］，从而使冲击韧性和焊接性能明显恶化． 所以， 在大线能量输入焊接条件下，为了保证焊接结构件 使用的安全可靠性，国内外相继开展了对大线能量 焊接用钢的研究． 由于熔合区在实际焊接接头中受 温度梯度和组织梯度的影响，导致其组织形态变化 比较复杂，而模拟焊接热循环使整个试样的均温区 经受同样的热循环作用，可以用来模拟焊接热影响 区受不同焊接热循环影响的对应组织［2］． 所以，本 文利用 Gleeble 3800 热模拟试验机对大线能量焊接 用钢 EH40 进行不同热循环参数的热模拟试验，研 究大线能量焊接用钢模拟焊接粗晶热影响区的组织 和性能的变化规律． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.011
第7期 李静等：焊接热循环参数对大线能量焊接用钢EH40热影响区组织和性能的影响 ·789· (T)试验.峰值温度分别设定为1350、1150、950 1 材料及方法 和750℃，冷却时间(tgs)设定为100s.(2)不同冷 试验用钢为经船级社认证的大线能量焊接用钢 却时间试验.冷却时间分别设定为50、100、200和 EH40,钢板厚度为100mm,其化学成分及力学性能 300s,峰值温度设定为1350℃.对经历不同焊接热 分别见表1和表2 循环的试样先加工成10mm×10mm×55mm的冲 将EH40钢板加工成11mm×11mm×110mm 击试样，按照GB/T229一2007进行-40℃冲击性 热模拟试样.利用Gleeble38O0热模拟试验机进行 能检验，然后用光学显微镜及透射电子显微镜对热 不同热循环参数的热模拟试验：(1)不同峰值温度 模拟试样进行组织分析， 表1试验钢板化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the steel plate C Si Mn Nb,V,Ti Ca Pe 0.078 0.28 1.52 0.011 0.002 微量 0.36 0.17 Co =C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni +Cu)/15:P=C+Si/30+(Mn Cu +Cr)/20+Ni/60+Mo/15 +V/10+5B. 表2试验钢板力学性能 Table 2 Mechanical properties of the steel plate 屈服强度， 抗拉强度， 延伸率， 断面收缩率， -40℃冲击吸收功， 厚度方向断面 Rn/MPa R/MPa A/% Z19% Ky/ 收缩率，Z1% 470 615 24.5 81.5 353 55 2结果与分析 分布不均匀.从组织分析上可以得出，当峰值温度 1350℃以上时，组织明显粗化，而峰值温度小于 2.1焊接热循环参数对粗晶热影响区组织的影响 1150℃以下时，组织细小. 2.1.1峰值温度对粗晶热影响区组织的影响 2.1.2冷却时间对粗晶热影响区组织的影响 在实际焊接过程中，距离焊缝中心不同的区域 在最严酷的焊接条件下（峰值温度取1350℃）， 经历不同的热循环过程，其峰值温度也不同，而峰值 研究冷却时间g5（从800℃冷却到500℃的时间， 温度对组织的形态及其类型影响很大，因此研究了 焊接热循环参数)对粗晶热影响区组织的影响 不同峰值温度热循环后模拟粗晶热影响区的组织 图2给出不同冷却时间模拟焊接热影响区的组织 (如图1所示).由图1可以看出，当峰值温度 由图2可见，随着gs时间的延长，也即冷却变慢，焊 (T)为1350℃时，模拟焊接热影响区组织粗大， 接热循环后的组织由贝氏体向铁素体和珠光体演 冷却转变后的组织为贝氏体和多边形铁素体（见 化.当tgs时间为50s时，模拟焊接热影响区的组织 图1(a)).当峰值温度为1150℃时，组织为少量贝 为粒状贝氏体和少量准多边形铁素体（见 氏体和铁素体，与图1(a)相比，贝氏体含量明显减 图2(a),细小的粒状贝氏体具有更小的有效晶粒 少（见图1(b)).当峰值温度为950℃时，模拟焊接 尺寸，能有效地阻止裂纹的扩展可提高热影响区的 热影响区为细晶区，冷却转变后的组织为细小的多 韧性可.与ts时间为50s相比，当tss时间为100s 边形铁素体和珠光体，该区的组织具有明显的重结 时，模拟焊接热影响区的组织为粒状贝氏体和准多 晶特征，因为母材被加热到奥氏体化温度后快速冷 边形铁素体（见图2(b)).当tgs时间为200s时，模 却，从而得到细小的铁素体，形成重结晶区（见 拟焊接热影响区的组织为多边形铁素体和珠光体组 图1(c)).当峰值温度为750℃时，模拟焊接热影 织（见图2(c)).由此可见，随着tgs时间的增加，冷 响区为临界温度热影响区，即不完全重结晶区，冷却 却速度减慢造成晶粒长大不明显，晶界铁素体和铁 转变后的组织为块状铁素体和珠光体（见 素体板条的数量减少，取而代之的是尺寸较大的多 图1(d)),并且珠光体呈现带状分布，由于该区部 边形铁素体，组织也由贝氏体为主逐渐转变为以铁 分母材组织发生相变重结晶，且奥氏体晶粒细小，冷 素体为主.当ts5时间进一步增加到300s,铁素体组 却转变后得到部分细小的铁素体和珠光体，而未奥 织明显粗化，模拟焊接热影响区的组织主要为等轴 氏体化的铁素体则受热长大，所以该区晶粒大小和 状铁素体和少量珠光体组织（见图2(d))
第 7 期 李 静等: 焊接热循环参数对大线能量焊接用钢 EH40 热影响区组织和性能的影响 1 材料及方法 试验用钢为经船级社认证的大线能量焊接用钢 EH40，钢板厚度为 100 mm，其化学成分及力学性能 分别见表 1 和表 2． 将 EH40 钢板加工成 11 mm × 11 mm × 110 mm 热模拟试样． 利用 Gleeble3800 热模拟试验机进行 不同热循环参数的热模拟试验: ( 1) 不同峰值温度 ( Tmax ) 试验． 峰值温度分别设定为 1 350、1 150、950 和 750 ℃，冷却时间( t8 /5 ) 设定为 100 s． ( 2) 不同冷 却时间试验． 冷却时间分别设定为 50、100、200 和 300 s，峰值温度设定为 1 350 ℃ ． 对经历不同焊接热 循环的试样先加工成 10 mm × 10 mm × 55 mm 的冲 击试样，按照 GB /T 229—2007 进行 － 40 ℃ 冲击性 能检验，然后用光学显微镜及透射电子显微镜对热 模拟试样进行组织分析． 表 1 试验钢板化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the steel plate % C Si Mn S P Nb，V，Ti Ceq Pcm 0. 078 0. 28 1. 52 0. 011 0. 002 微量 0. 36 0. 17 注: Ceq = C + Mn /6 + ( Cr + Mo + V) /5 + ( Ni + Cu) /15; Pcm = C + Si /30 + ( Mn + Cu + Cr) /20 + Ni /60 + Mo /15 + V/10 + 5B． 表 2 试验钢板力学性能 Table 2 Mechanical properties of the steel plate 屈服强度， ReH /MPa 抗拉强度， Rm /MPa 延伸率， A /% 断面收缩率， Z/% !40 ℃冲击吸收功， KV2 /J 厚度方向断面 收缩率，Z /% 470 615 24. 5 81. 5 353 55 2 结果与分析 2. 1 焊接热循环参数对粗晶热影响区组织的影响 2. 1. 1 峰值温度对粗晶热影响区组织的影响 在实际焊接过程中，距离焊缝中心不同的区域 经历不同的热循环过程，其峰值温度也不同，而峰值 温度对组织的形态及其类型影响很大，因此研究了 不同峰值温度热循环后模拟粗晶热影响区的组织 ( 如 图 1 所 示) ． 由 图 1 可 以 看 出，当 峰 值 温 度 ( Tmax ) 为 1 350 ℃ 时，模拟焊接热影响区组织粗大， 冷却转变后的组织为贝氏体和多边形铁素体( 见 图 1( a) ) ． 当峰值温度为 1 150 ℃ 时，组织为少量贝 氏体和铁素体，与图 1( a) 相比，贝氏体含量明显减 少( 见图 1( b) ) ． 当峰值温度为 950 ℃ 时，模拟焊接 热影响区为细晶区，冷却转变后的组织为细小的多 边形铁素体和珠光体，该区的组织具有明显的重结 晶特征，因为母材被加热到奥氏体化温度后快速冷 却，从而得到细小的铁素体，形 成 重 结 晶 区 ( 见 图 1( c) ) ． 当峰值温度为 750 ℃ 时，模拟焊接热影 响区为临界温度热影响区，即不完全重结晶区，冷却 转变后的组织为块状铁素体和珠光体 ( 见 图 1( d) ) ，并且珠光体呈现带状分布，由于该区部 分母材组织发生相变重结晶，且奥氏体晶粒细小，冷 却转变后得到部分细小的铁素体和珠光体，而未奥 氏体化的铁素体则受热长大，所以该区晶粒大小和 分布不均匀． 从组织分析上可以得出，当峰值温度 1 350 ℃ 以上时，组织明显粗 化，而峰值温度小于 1 150 ℃以下时，组织细小． 2. 1. 2 冷却时间对粗晶热影响区组织的影响 在最严酷的焊接条件下( 峰值温度取1 350 ℃ ) ， 研究冷却时间 t8 /5 ( 从 800 ℃ 冷却到 500 ℃ 的时间， 焊接热循 环 参 数) 对粗晶热影响区组织的影响． 图 2给出不同冷却时间模拟焊接热影响区的组织． 由图 2 可见，随着 t8 /5时间的延长，也即冷却变慢，焊 接热循环后的组织由贝氏体向铁素体和珠光体演 化． 当 t8 /5时间为 50 s 时，模拟焊接热影响区的组织 为粒状贝氏体和少量准多边形铁素体 ( 见 图 2( a) ) ，细小的粒状贝氏体具有更小的有效晶粒 尺寸，能有效地阻止裂纹的扩展可提高热影响区的 韧性［3］． 与 t8 /5时间为 50 s 相比，当 t8 /5时间为 100 s 时，模拟焊接热影响区的组织为粒状贝氏体和准多 边形铁素体( 见图 2( b) ) ． 当 t8 /5时间为 200 s 时，模 拟焊接热影响区的组织为多边形铁素体和珠光体组 织( 见图 2( c) ) ． 由此可见，随着 t8 /5时间的增加，冷 却速度减慢造成晶粒长大不明显，晶界铁素体和铁 素体板条的数量减少，取而代之的是尺寸较大的多 边形铁素体，组织也由贝氏体为主逐渐转变为以铁 素体为主． 当 t8 /5时间进一步增加到 300 s，铁素体组 织明显粗化，模拟焊接热影响区的组织主要为等轴 状铁素体和少量珠光体组织( 见图 2( d) ) ． ·789·
·790· 北京科技大学学报 第34卷 20m 20 um 20m 20 um 图1不同峰值温度模拟焊接热影响区的组织.(a)Tm=1350℃：(b)T=1150℃：(c)Tm=950℃：(d)T=750℃ Fig.1 Microstructures of the simulated welding HAZ with different peak temperatures:(a)T=1350C:(b)T=1150C:(e)T=950 ℃：(d)T=750℃ 20m 20μ4m-4 图2不同冷却时间模拟焊接热影响区的组织.(a)g5=50s,粒状贝氏体：(b)85=100s,粒状贝氏体：(c)85=200s,多边形铁素体和 珠光体：(d)g5=300s,多边形铁素体和珠光体 Fig.2 Microstructures of the simulated welding HAZ with different cooling time:(a)tss =50s,granular bainite:(b)ts/s =100s,granular bain- ite:(c)fs/s =200s,quasi-polygonal ferrite and pearlite:(d)tss=300s,quasi-polygonal ferrite and pearlite
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 1 不同峰值温度模拟焊接热影响区的组织． ( a) Tmax = 1 350 ℃ ; ( b) Tmax = 1 150 ℃ ; ( c) Tmax = 950 ℃ ; ( d) Tmax = 750 ℃ Fig． 1 Microstructures of the simulated welding HAZ with different peak temperatures: ( a) Tmax = 1 350 ℃ ; ( b) Tmax = 1 150 ℃ ; ( c) Tmax = 950 ℃ ; ( d) Tmax = 750 ℃ 图 2 不同冷却时间模拟焊接热影响区的组织． ( a) t8 /5 = 50 s，粒状贝氏体; ( b) t8 /5 = 100 s，粒状贝氏体; ( c) t8 /5 = 200 s，多边形铁素体和 珠光体; ( d) t8 /5 = 300 s，多边形铁素体和珠光体 Fig． 2 Microstructures of the simulated welding HAZ with different cooling time: ( a) t8 /5 = 50 s，granular bainite; ( b) t8 /5 = 100 s，granular bainite; ( c) t8 /5 = 200 s，quasi-polygonal ferrite and pearlite; ( d) t8 /5 = 300 s，quasi-polygonal ferrite and pearlite ·790·
第7期 李静等：焊接热循环参数对大线能量焊接用钢EH40热影响区组织和性能的影响 ·791· 2.2焊接热循环参数对MA岛形貌和数量的影响 呈现长条状，这些M岛多分布于贝氏体板条之 己有研究表明，热影响区的韧性降低与粗大的 间（见图3(c)).从图4中可以看出，与50s相比， 先共析铁素体和脆硬相岛状M-A组元析出有关. 冷却时间为100s的试样中，粗晶区中MA岛的尺 粗晶区中铁素体基体是塑性相，而MA组元是脆性 寸增大，数量明显增多，并且多数呈现长条状.研 相，并且MA岛的尺寸、数量、分布和形态的变化影 究表明，当MA岛的尺寸较小时，且MA岛的长 响着粗晶热影响区的韧性.研究表明，在单位面 宽比适度（即长宽比趋近于1），均匀弥散分布，对 积上，MA岛尺寸越小、数量越少并且形态呈块状 模拟焊接热影响区的韧性影响较小，不会明显降 时，粗晶区的韧性越好 低热影响区的韧性.然而一旦MA岛的尺寸较大 采用Lepera着色腐蚀剂对模拟焊接热循环后 且长宽比远远大于1（长条状）时，即使MA组元 的组织进行着色腐蚀.腐蚀后，铁素体贝氏体基体 的含量不增加，也会造成MA岛有一维的尺寸明 为灰黑色，MA组元为白色因.在1350℃和 显增加.这样，当材料发生变形时，由于MA岛本 950℃峰值温度下，着色后显微组织及透射电镜下 身又不具有较大的塑性变形能力，MH岛与基体 MA组元的形貌见图3.冷却时间为50s和100s之间的界面上容易产生微空洞和微裂纹.如果是 时，着色后显微组织及透射电镜下M组元的形 长条状的MA岛，则微裂纹的尺寸就会增加，造成 貌见图4.当峰值温度为1350℃时，与950℃相 裂纹尖端较大的应力集中，从而降低材料的断裂 比，粗晶区中MA岛的数量较多，尺寸较大，多数 强度，造成解理断裂降低材料的韧性 a 20m 20 um0.5 um 图3不同峰值温度模拟焊接热影响区中M-1岛的形貌和透射电镜像.(a)Tm=1350℃：(b)T=950℃：(c)透射电镜像(Tm= 1350℃) Fig.3 Morphology and TEM image of M-A constituents morphology in the simulated welding HAZ with different peak temperatures:(a)T=1350 ℃：(b)Ts=950℃：(c)TEM image(T=1350℃) 20m 20m 0.5m 图4不同冷却时间模拟焊接热影响区中M-H岛的形貌和透射电镜像.(a)s5=50s:(b)g5=100s:(c)透射电镜像(g5=100s) Fig.4 Morphology and TEM image of M-constituents in the simulated welding HAZ with different cooling time:(a)s/s=50s:(b)ss=100s: (c)TEM image (ts/s =100s) 2.3焊接热循环参数对模拟焊接热影响区韧性的 越严重，热影响区韧性也就越低.图5为不同焊接 影响 热循环参数下模拟焊接热影响区韧性测试结果.从 模拟焊接热影响区的韧性与峰值温度和冷却时 冲击韧性的检验结果来看，模拟焊接热影响区的冲 间密切相关.传统观点认为，焊接峰值温度越高、冷 击韧性总体水平较高，不论在峰值温度为1350℃ 却时间越长（即线能量越大），热影响区晶粒粗大化 (图5a),还是在冷却时间为300s(图5b)时，冲击韧
第 7 期 李 静等: 焊接热循环参数对大线能量焊接用钢 EH40 热影响区组织和性能的影响 2. 2 焊接热循环参数对 M-A 岛形貌和数量的影响 已有研究表明，热影响区的韧性降低与粗大的 先共析铁素体和脆硬相岛状 M-A 组元析出有关［4］． 粗晶区中铁素体基体是塑性相，而 M-A 组元是脆性 相，并且 M-A 岛的尺寸、数量、分布和形态的变化影 响着粗晶热影响区的韧性． 研究表明［5］，在单位面 积上，M-A 岛尺寸越小、数量越少并且形态呈块状 时，粗晶区的韧性越好． 采用 Lepera 着色腐蚀剂对模拟焊接热循环后 的组织进行着色腐蚀． 腐蚀后，铁素体贝氏体基体 为灰 黑 色，M-A 组 元 为 白 色［6］． 在 1 350 ℃ 和 950 ℃ 峰值温度下，着色后显微组织及透射电镜下 M-A 组元的形貌见图 3． 冷却时间为 50 s 和 100 s 时，着色后显微组织及透射电镜下 M-A 组元的形 貌见图 4． 当峰值温度为 1 350 ℃ 时，与 950 ℃ 相 比，粗晶区中 M-A 岛的数量较多，尺寸较大，多数 呈现长条状，这些 M-A 岛多分布于贝氏体板条之 间( 见图 3( c) ) ． 从图 4 中可以看出，与 50 s 相比， 冷却时间为 100 s 的试样中，粗晶区中 M-A 岛的尺 寸增大，数量明显增多，并且多数呈现长条状． 研 究表明，当 M-A 岛的尺寸较小时，且 M-A 岛的长 宽比适度( 即长宽比趋近于 1) ，均匀弥散分布，对 模拟焊接热影响区的韧性影响较小，不会明显降 低热影响区的韧性． 然而一旦 M-A 岛的尺寸较大 且长宽比远远大于 1 ( 长条状) 时，即使 M-A 组元 的含量不增加，也会造成 M-A 岛有一维的尺寸明 显增加． 这样，当材料发生变形时，由于 M-A 岛本 身又不具有较大的塑性变形能力，M-A 岛与基体 之间的界面上容易产生微空洞和微裂纹． 如果是 长条状的 M-A 岛，则微裂纹的尺寸就会增加，造成 裂纹尖端较大的应力集中，从而降低材料的断裂 强度，造成解理断裂降低材料的韧性． 图 3 不同峰值温度模拟焊接热影响区中 M-A 岛的形貌和透射电镜像． ( a) Tmax = 1 350 ℃ ; ( b) Tmax = 950 ℃ ; ( c) 透射电镜像( Tmax = 1 350 ℃ ) Fig． 3 Morphology and TEM image of M-A constituents morphology in the simulated welding HAZ with different peak temperatures: ( a) Tmax = 1350 ℃ ; ( b) Tmax = 950 ℃ ; ( c) TEM image ( Tmax = 1 350 ℃ ) 图 4 不同冷却时间模拟焊接热影响区中 M-A 岛的形貌和透射电镜像． ( a) t8 /5 = 50 s; ( b) t8 /5 = 100 s; ( c) 透射电镜像( t8 /5 = 100 s) Fig． 4 Morphology and TEM image of M-A constituents in the simulated welding HAZ with different cooling time: ( a) t8 /5 = 50 s; ( b) t8 /5 = 100 s; ( c) TEM image ( t8 /5 = 100 s) 2. 3 焊接热循环参数对模拟焊接热影响区韧性的 影响 模拟焊接热影响区的韧性与峰值温度和冷却时 间密切相关． 传统观点认为，焊接峰值温度越高、冷 却时间越长( 即线能量越大) ，热影响区晶粒粗大化 越严重，热影响区韧性也就越低． 图 5 为不同焊接 热循环参数下模拟焊接热影响区韧性测试结果． 从 冲击韧性的检验结果来看，模拟焊接热影响区的冲 击韧性总体水平较高，不论在峰值温度为 1 350 ℃ ( 图 5a) ，还是在冷却时间为 300 s( 图 5b) 时，冲击韧 ·791·
·792· 北京科技大学学报 第34卷 性均在200J以上，完全满足钢板的使用要求.同时 时晶粒尺寸变小，在950℃时达到最细，冲击韧性优 也可以看出，模拟焊接热影响区的韧性不是随着峰 于1350℃时.当冷却时间从50s增加到100s时， 值温度和冷却时间单调变化.这主要是因为焊接热 由于冷速降低，组织由板条状组织向粒状组织过渡. 影响区韧性是组织的反映.影响韧性的组织因素有 同时从图4((a)和(b))来看，M-A岛的数量明显增 两个：组织类型和晶粒尺寸.根据焊接传热学的基 加，形状也从块状向长条状转化，尺寸明显增加，造 本理论，随峰值温度和焊接线能量的增加，晶粒长大 成韧性必然下降.当gs时间增加到200s时，铁素 倾向增大，韧性则呈下降趋势.同时，焊接热影响区 体量进一步增多，贝氏体量几乎消失，热影响区韧性 也会发生一系列组织类型的转变.随着峰值温度的 具有增加的趋势.随着5时间进一步的增加，由于 降低，组织结构从贝氏体为主变为以铁素体为主，此 铁素体组织形态变化不大，因此韧性几乎不变 350 (a) 350 -50 T=1350℃ 300 300 250 250 ■ 200 200 导 150 150 100 100L 1350 1150 950 750 0 50100150200250300350 T/℃ lus/s 图5不同峰值温度()及不同冷却时间(b)下模拟焊接热影响区的韧性 Fig.5 Impact toughness of the simulated welding HAZ with different peak temperatures (a)and different cooling time (b) 2]Hu C S,Gu Y X.Effect of thermal cycle peak temperature on 3 结论 microstructure and properties of heat affected zone of HQ100 steel. (1)大线能量焊接用船板焊接热影响区的组织 Heat Treat Met,1999 (11)11 (胡传顺，顾玉熹.热循环峰值温度对HQ100钢热影响区组 类型为粒状贝氏体、多边形和等轴铁素体及珠光体， 织和性能的影响.金属热处理，1999(11)：11) 在铁素体的基体上存在MA岛.随着焊接热影响 3] Wang X M,Yang S W,He X L,et al.Study onimpact toughness 区冷却时间的变化，热影响区组织由粒状贝氏体向 of HAZ in ultraow carbon bainitic steel.J fron Steel Res,2000, 铁素体珠光体组织过渡 34(1):47 (2)微观组织MA岛的尺寸、数量、分布和形 (王学敏，杨善武，贺信莱，等.超低碳贝氏体钢焊接热影响 区冲击韧性的研究.钢铁研究学报，2000,34(1)：47) 态的变化影响着模拟焊接热影响区的韧性.当峰值 [4] Bonnevie E,Ferriere G,Ikhlef A,et al.Morphological aspects of 温度降低时，MA岛的数量减少，尺寸减小，由长条 martensite-austenite constituents in intercritical and coarse grain 状转变成块状：当冷却时间增加时，尺寸细小的块状 heat affected zones of structural steels.Mater Sci Eng A,2004, MA岛数量增多，尺寸增大使韧性下降 385(1/2):352 (3)经过大线能量模拟焊接热影响区的冲击试 [5]Zhao L,Zhang X D,Chen W Z.Toughness of heat-affected zone of 800 MPa grade low alloy steel.Acta Metall Sin,2005,41(4): 验结果表明：由于峰值温度或冷却时间的变化，导致 392 最终组织变化，冲击功会随之变化，但整体冲击韧性 (赵琳，张旭东，陈武柱.8O0MPa级低合金钢焊接热影响区 很好，-40℃冲击功均在200J以上. 韧性的研究.金属学报，2005,41(4)：392) 6] Tian D W,Qian B N,Chen X F,et al.The comparison of etching 参考文献 method for MA constituent by using image analyzer.Phys Test [1]Xu ZZ.The Welding for New Alloying Steels.Beijing:Mechanical Chem Anal Part A Phys Test,1994,30(1):28 Industry Press,2005 (田德蔚，钱百年，陈晓风，等.用图像仪测定M一A组元的 (许祖泽.新型微合金钢的焊接.北京：机械工业出版社， 腐蚀方法的比较研究.理化检验：物理分册，1994,30(1)： 2005) 28)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 性均在 200 J 以上，完全满足钢板的使用要求． 同时 也可以看出，模拟焊接热影响区的韧性不是随着峰 值温度和冷却时间单调变化． 这主要是因为焊接热 影响区韧性是组织的反映． 影响韧性的组织因素有 两个: 组织类型和晶粒尺寸． 根据焊接传热学的基 本理论，随峰值温度和焊接线能量的增加，晶粒长大 倾向增大，韧性则呈下降趋势． 同时，焊接热影响区 也会发生一系列组织类型的转变． 随着峰值温度的 降低，组织结构从贝氏体为主变为以铁素体为主，此 时晶粒尺寸变小，在 950 ℃时达到最细，冲击韧性优 于 1 350 ℃ 时． 当冷却时间从 50 s 增加到 100 s 时， 由于冷速降低，组织由板条状组织向粒状组织过渡． 同时从图 4( ( a) 和( b) ) 来看，M-A 岛的数量明显增 加，形状也从块状向长条状转化，尺寸明显增加，造 成韧性必然下降． 当 t8 /5时间增加到 200 s 时，铁素 体量进一步增多，贝氏体量几乎消失，热影响区韧性 具有增加的趋势． 随着 t8 /5时间进一步的增加，由于 铁素体组织形态变化不大，因此韧性几乎不变． 图 5 不同峰值温度( a) 及不同冷却时间( b) 下模拟焊接热影响区的韧性 Fig． 5 Impact toughness of the simulated welding HAZ with different peak temperatures ( a) and different cooling time ( b) 3 结论 ( 1) 大线能量焊接用船板焊接热影响区的组织 类型为粒状贝氏体、多边形和等轴铁素体及珠光体， 在铁素体的基体上存在 M-A 岛． 随着焊接热影响 区冷却时间的变化，热影响区组织由粒状贝氏体向 铁素体珠光体组织过渡． ( 2) 微观组织 M-A 岛的尺寸、数量、分布和形 态的变化影响着模拟焊接热影响区的韧性． 当峰值 温度降低时，M-A 岛的数量减少，尺寸减小，由长条 状转变成块状; 当冷却时间增加时，尺寸细小的块状 M-A 岛数量增多，尺寸增大使韧性下降． ( 3) 经过大线能量模拟焊接热影响区的冲击试 验结果表明: 由于峰值温度或冷却时间的变化，导致 最终组织变化，冲击功会随之变化，但整体冲击韧性 很好，－ 40 ℃冲击功均在 200 J 以上． 参 考 文 献 ［1］ Xu Z Z． The Welding for New Alloying Steels． Beijing: Mechanical Industry Press，2005 ( 许祖泽． 新型微合 金 钢 的 焊 接． 北 京: 机械工业出版社， 2005) ［2］ Hu C S，Gu Y X． Effect of thermal cycle peak temperature on microstructure and properties of heat affected zone of HQ100 steel． Heat Treat Met，1999( 11) : 11 ( 胡传顺，顾玉熹． 热循环峰值温度对 HQ100 钢热影响区组 织和性能的影响． 金属热处理，1999( 11) : 11) ［3］ Wang X M，Yang S W，He X L，et al． Study onimpact toughness of HAZ in ultra-low carbon bainitic steel． J Iron Steel Res，2000， 34( 1) : 47 ( 王学敏，杨善武，贺信莱，等． 超低碳贝氏体钢焊接热影响 区冲击韧性的研究． 钢铁研究学报，2000，34( 1) : 47) ［4］ Bonnevie E，Ferrière G，Ikhlef A，et al． Morphological aspects of martensite-austenite constituents in intercritical and coarse grain heat affected zones of structural steels． Mater Sci Eng A，2004， 385( 1 /2) : 352 ［5］ Zhao L，Zhang X D，Chen W Z． Toughness of heat-affected zone of 800 MPa grade low alloy steel． Acta Metall Sin，2005，41( 4) : 392 ( 赵琳，张旭东，陈武柱． 800 MPa 级低合金钢焊接热影响区 韧性的研究． 金属学报，2005，41( 4) : 392) ［6］ Tian D W，Qian B N，Chen X F，et al． The comparison of etching method for M-A constituent by using image analyzer． Phys Test Chem Anal Part A Phys Test，1994，30( 1) : 28 ( 田德蔚，钱百年，陈晓风，等． 用图像仪测定 M － A 组元的 腐蚀方法的比较研究． 理化检验: 物理分册，1994，30 ( 1) : 28) ·792·
