工程科学学报，第37卷，第7期：883888,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:883-888,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.009:http://journals.ustb.edu.cn Ti一Mg复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 宋明明2，宋波12》区，胡春林》，辛文彬2》，宋高阳12》 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂，马鞍山243011 ☒通信作者，E-mail:songbo@metall.usth.edu.cn 摘要利用Gleeble--1500热模拟试验机进行焊接热模拟实验，研究16Mn钢经微Ti和Ti-Mg处理后焊接热影响区组织及 冲击性能的变化，并利用扫描电镜和能谱分析法观察和分析实验钢的夹杂与冲击断口形貌.T和T一Mg复合处理试样的热 影响区显微组织分别主要是晶界块状铁素体+晶界侧板条铁素体和晶内针状铁素体+晶界块状铁素体。经T处理后钢中夹 杂物主要为5um左右的TiO,+MnS复合夹杂，经Ti-Mg复合脱氧后钢中夹杂物主要为2um左右Ti-Mg0+MnS组成的复 合夹杂，且后者明显细化了钢中夹杂物尺寸.TMg复合脱氧试样中存在大量细小夹杂颗粒，一方面可钉扎裂纹，另一方面诱 导形成了使大量针状铁素体，大焊接热输入条件下T一Mg复合脱氧试样热影响区冲击韧性明显强于单独T处理的试样. 关键词碳锰钢：脱氧：热影响区；显微组织：冲击性能：针状铁素体：热模拟 分类号TG142.1 Effect of Ti-Mg complex deoxidation on the microstructure and impact properties of HAZ in steel SONG Ming-ming'),SONG Bo,HU Chun-in,XIN Wen-bin',SONG Gao-yang') 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)No.3 Steelmaking Rolling Plant of Maanshan Iron Steel Company Limited,Maanshan 243011,China Corresponding author,E-mail:songbo@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The effects of micro Ti and Ti-Mg on the microstructure and impact properties of welding heat affected zones (HAZ) in 16Mn steel were studied by welding thermal simulation on a Gleeble-1500 hot simulator.The composition of inclusions and the Charpy impact fracture morphologies of the test steels were analyzed by scanning electron microscopy with energy dispersive spectrome- try.The microstructures of HAZ in the Ti and Ti-Mg treated steels are mainly grain boundary allotriomorphic ferrite (GBF)+ferrite side plate (FSP)and GBF intragranular acicular ferrite (IAF),respectively.Inclusions in the HAZ of the Ti-treated steel are TiO,MnS with the size of about 5 um,while inclusions in the HAZ of the Ti-Mg treated steel are Ti-Mg-0 MnS with the size of about 2um.The particle size of the latter tested steel is smaller than that of the former one significantly.The HAZ of the Ti-Mg-trea- ted steel has a lot of fine particles which pin cracks and induce the formation of a large number of IAF,leading to that the impact prop- erties of the Ti-Mg-treated steel is better than those of the Ti-treated steel after experiencing large heat input welding. KEY WORDS carbon manganese steel:deoxidation:heat affected zone:microstructure:impact properties:acicular ferrite:ther- mal simulation 氧化物治金技术·习被广泛应用在焊接和管线领域.随着焊接工艺与制造技术朝着高效、快速和低 收稿日期：2014-06-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274269)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-SD-12010A,FRF-SD-12010B)
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 883--888，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 883--888，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn Ti--Mg 复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 宋明明1，2) ，宋 波1，2) ，胡春林3) ，辛文彬1，2) ，宋高阳1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂，马鞍山 243011 通信作者，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 利用 Gleeble--1500 热模拟试验机进行焊接热模拟实验，研究 16Mn 钢经微 Ti 和 Ti--Mg 处理后焊接热影响区组织及 冲击性能的变化，并利用扫描电镜和能谱分析法观察和分析实验钢的夹杂与冲击断口形貌． Ti 和 Ti--Mg 复合处理试样的热 影响区显微组织分别主要是晶界块状铁素体 + 晶界侧板条铁素体和晶内针状铁素体 + 晶界块状铁素体． 经 Ti 处理后钢中夹 杂物主要为 5 μm 左右的 TiOx + MnS 复合夹杂，经 Ti--Mg 复合脱氧后钢中夹杂物主要为 2 μm 左右 Ti--Mg--O + MnS 组成的复 合夹杂，且后者明显细化了钢中夹杂物尺寸． Ti--Mg 复合脱氧试样中存在大量细小夹杂颗粒，一方面可钉扎裂纹，另一方面诱 导形成了使大量针状铁素体，大焊接热输入条件下 Ti--Mg 复合脱氧试样热影响区冲击韧性明显强于单独 Ti 处理的试样． 关键词 碳锰钢; 脱氧; 热影响区; 显微组织; 冲击性能; 针状铁素体; 热模拟 分类号 TG142. 1 Effect of Ti--Mg complex deoxidation on the microstructure and impact properties of HAZ in steel SONG Ming-ming1，2) ，SONG Bo1，2) ，HU Chun-lin3) ，XIN Wen-bin1，2) ，SONG Gao-yang1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) No． 3 Steelmaking ＆ Ｒolling Plant of Maanshan Iron ＆ Steel Company Limited，Maanshan 243011，China Corresponding author，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The effects of micro Ti and Ti--Mg on the microstructure and impact properties of welding heat affected zones ( HAZ) in 16Mn steel were studied by welding thermal simulation on a Gleeble--1500 hot simulator． The composition of inclusions and the Charpy impact fracture morphologies of the test steels were analyzed by scanning electron microscopy with energy dispersive spectrometry． The microstructures of HAZ in the Ti and Ti--Mg treated steels are mainly grain boundary allotriomorphic ferrite ( GBF) + ferrite side plate ( FSP) and GBF + intragranular acicular ferrite ( IAF) ，respectively． Inclusions in the HAZ of the Ti-treated steel are TiOx + MnS with the size of about 5 μm，while inclusions in the HAZ of the Ti--Mg treated steel are Ti--Mg--O + MnS with the size of about 2 μm． The particle size of the latter tested steel is smaller than that of the former one significantly． The HAZ of the Ti--Mg-treated steel has a lot of fine particles which pin cracks and induce the formation of a large number of IAF，leading to that the impact properties of the Ti--Mg-treated steel is better than those of the Ti-treated steel after experiencing large heat input welding． KEY WOＲDS carbon manganese steel; deoxidation; heat affected zone; microstructure; impact properties; acicular ferrite; thermal simulation 收稿日期: 2014--06--15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274269) ; 中央高校基本科研业务费资助项目( FＲF--SD--12--010A，FＲF--SD--12--010B) 氧化物冶金技术［1 － 3］被广泛应用在焊接和管线 领域． 随着焊接工艺与制造技术朝着高效、快速和低
·884· 工程科学学报，第37卷，第7期 成本方向发展，发展大线能量焊接用钢已经引起了 变化. 世界上的广泛关注0.传统的T夹杂物治金技术， 1 实验方法 在大线能量焊接中由于焊接过程峰值温度过高会出 现Ti(C,N)重溶5刀，减弱了含Ti夹杂钉扎奥氏体 将20kg16Mn钢在真空感应炉中熔化均匀后，分 晶界和诱导晶内铁素体(intragranular ferrite,IGF)特 别加入Ti和复合Ti-Mg脱氧处理，保温5min后浇铸 别是晶内针状铁素体(intragranular acicular ferrite, 到钢锭模中冷却至室温，之后将钢锭加热到1200℃开 IAF)的形核效果圆.Mg脱氧产物非常细小DW,这 锻，900℃终锻，得到直径20mm的圆棒.实验钢成分 些细小的夹杂弥散地分布在钢中，并且它们的性质 见表1，其中C和S采用常规的高频感应炉燃烧后红 非常稳定，即使在钢液温度下也能以固态形式存在， 外吸收法测定(GB/T20123一2006)，全氧含量(T.0) 有文献报道Mg脱氧产物能有效抑制奥氏体晶粒的 采用脉冲加热惰气熔融一红外线吸收法测定(GB/T 长大2-.Ti-Mg复合使用，理论上能够满足大线 11261一2006)，N含量采用惰性气体熔融热导法测定 能量焊接过程既要抑制奥氏体晶粒长大的要求，又 (GBT20124-2006),Mg、Si、Mn、P、Ti和A1含量采用 要发挥含T夹杂诱导晶内铁素体形核的能力， ICP-AES法测定.1为16Mn未加合金处理对比样， 本文研究了Ti单独处理和Ti-Mg复合处理钢大线能 2为Ti处理16Mn试样，3为T雪-Mg复合处理16Mn 量焊接热循环后热影响区组织和常温冲击性能的 试样. 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the test steel 试样编号 Si Mn P Al T Mg T.0 1# 0.15 0.34 1.31 0.010 0.015 0.001 0 0.0031 0.0023 2# 0.15 0.34 1.33 0.008 0.016 00I 0.017 0 0.0024 0.0019 3# 0.15 0.38 1.30 0.008 0.014 0.001 0.011 0.002 0.0021 0.0020 将三组试样加工成10.5mm×10.5mm×70mm的 接热影响区的微观组织形貌.空白试样钢焊接热影响 热模拟试样，在Gleeble--l500热模拟机上进行焊接热 区组织由大量的块状铁素体和大量侧板条铁素体组 影响区热循环模拟试验，模拟焊接线能量为100kJ· 成，晶内可以看到非常少的针状铁素体，见图1(a):Ti cm,峰值温度1=1350℃，根据雷卡林二维导热模 脱氧试样钢焊接热影响区组织也由晶界块状铁素体和 型制定相关的热模拟工艺参数，峰值温度停留时间设 部分侧板条铁素体组成，晶内针状铁素体量比空白样 为1s,加热段速度设为300℃s,相关模拟参数见表2. 多，见图1(b):T-Mg复合脱氧钢试样焊接热影响区 的组织形貌，见图1(c),晶界块状铁素体量比2有所 表2模拟热影响区焊接热循环参数 Table 2 Simulated HAZ thermal cycle parameters 减少，晶内主要由针状铁素体组成.从晶界块状铁素 体构成晶粒形貌可以看出，经1O0kJ·cm焊接热循环 焊接线能量E/ 高温停留时间H/s 以后单独Ti脱氧钢晶粒比Ti-Mg复合脱氧晶粒要粗 (kJ.cm-1) >900℃ >1100℃ 大，2和3侧板条铁素体比1有明显的减少 100 139 65 204 2.2各试样的冲击性能 经过焊接热模拟的试样取10mm×10mm×55mm 当焊接热输入为100kJ·cm时，各试样的夏比冲 击功见表3.从表中可以看出，经过焊接模拟热循环后 制成V形缺口冲击试样，在JB300B型摆锤式冲击试 三组试样的冲击韧性与母材相比均有一定的降低，特 验机上进行冲击试验，利用JSM6480LV型电子扫描 别是1空白试样冲击韧性下降明显，从199.3降到 显微镜观察冲击试样断口.取中l0mm×l0mm圆柱试 58.9J,降幅达70.4%.Ti处理试样冲击功也明显下 样，清洗、打磨和抛光后，用4%硝酸乙醇溶液侵蚀，在 降，从253.6J降至154.0J,降幅达39.3%：但Ti-Mg XZ6型光学显微镜下观察试样显微组织，用带有能 复合脱氧试样冲击功降低不多，从295.6J降到了 谱的JSM-6480LV型电子扫描显微镜分析钢中夹杂物 264.7J,降幅仅为10.5%.这表明Ti-Mg复合处理比 的尺寸和成分 单独T处理能更好地改善实验钢热影响区的冲击 2实验结果 韧性 3 2.1各试样的显微组织 实验结果分析 图1为焊接热输入为100kJ·cm时三组试样焊 钢的组织、夹杂物大小、种类等因素对钢的冲击断
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 成本方向发展，发展大线能量焊接用钢已经引起了 世界上的广泛关注［4］． 传统的 Ti 夹杂物冶金技术， 在大线能量焊接中由于焊接过程峰值温度过高会出 现 Ti( C，N) 重溶［5 － 7］，减弱了含 Ti 夹杂钉扎奥氏体 晶界和诱导晶内铁素体( intragranular ferrite，IGF) 特 别是 晶 内 针 状 铁 素 体 ( intragranular acicular ferrite， IAF) 的形核效果［8］． Mg 脱氧产物非常细小［9 － 11］，这 些细小的夹杂弥散地分布在钢中，并且它们的性质 非常稳定，即使在钢液温度下也能以固态形式存在， 有文献报道 Mg 脱氧产物能有效抑制奥氏体晶粒的 长大［12 － 14］． Ti--Mg 复合使用，理论上能够满 足 大 线 能量焊接过程既要抑制奥氏体晶粒长大的要求，又 要发挥含 Ti 夹杂诱导晶内铁素体形核的能力［11，15］． 本文研究了 Ti 单独处理和 Ti--Mg 复合处理钢大线能 量焊接热 循 环 后 热 影 响 区 组 织 和 常 温 冲 击 性 能 的 变化． 1 实验方法 将 20 kg 16Mn 钢在真空感应炉中熔化均匀后，分 别加入 Ti 和复合 Ti--Mg 脱氧处理，保温 5 min 后浇铸 到钢锭模中冷却至室温，之后将钢锭加热到 1200 ℃ 开 锻，900 ℃终锻，得到直径 20 mm 的圆棒． 实验钢成分 见表 1，其中 C 和 S 采用常规的高频感应炉燃烧后红 外吸收法测定( GB / T 20123—2006) ，全氧含量( T． O) 采用脉冲加 热 惰 气 熔 融--红 外 线 吸 收 法 测 定( GB / T 11261—2006) ，N 含量采用惰性气体熔融热导法测定 ( GBT 20124—2006) ，Mg、Si、Mn、P、Ti 和 Al 含量采用 ICP--AES 法测定． 1# 为 16Mn 未加合金处理对比样， 2# 为Ti 处理 16Mn 试样，3# 为 Ti--Mg 复合处理 16Mn 试样． 表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the test steel % 试样编号 C Si Mn S P Al Ti Mg T． O N 1# 0. 15 0. 34 1. 31 0. 010 0. 015 0. 001 0 0 0. 0031 0. 0023 2# 0. 15 0. 34 1. 33 0. 008 0. 016 0. 001 0. 017 0 0. 0024 0. 0019 3# 0. 15 0. 38 1. 30 0. 008 0. 014 0. 001 0. 011 0. 002 0. 0021 0. 0020 将三组试样加工成 10. 5 mm × 10. 5 mm × 70 mm 的 热模拟试样，在 Gleeble--1500 热模拟机上进行焊接热 影响区热循环模拟试验，模拟焊接线能量为 100 kJ· cm － 1，峰值温度 tmax = 1350 ℃，根据雷卡林二维导热模 型制定相关的热模拟工艺参数，峰值温度停留时间设 为1 s，加热段速度设为300 ℃·s － 1，相关模拟参数见表2． 表 2 模拟热影响区焊接热循环参数 Table 2 Simulated HAZ thermal cycle parameters 焊接线能量 E/ ( kJ·cm － 1 ) 高温停留时间 tH / s ＞ 900 ℃ ＞ 1100 ℃ t8 /5 / s 100 139 65 204 经过焊接热模拟的试样取 10 mm × 10 mm × 55 mm 制成 V 形缺口冲击试样，在 JB300B 型摆锤式冲击试 验机上进行冲击试验，利用 JSM--6480LV 型电子扫描 显微镜观察冲击试样断口． 取 10 mm × 10 mm 圆柱试 样，清洗、打磨和抛光后，用 4% 硝酸乙醇溶液侵蚀，在 XJZ--6 型光学显微镜下观察试样显微组织，用带有能 谱的 JSM--6480LV 型电子扫描显微镜分析钢中夹杂物 的尺寸和成分． 2 实验结果 2. 1 各试样的显微组织 图 1 为焊接热输入为 100 kJ·cm － 1时三组试样焊 接热影响区的微观组织形貌． 空白试样钢焊接热影响 区组织由大量的块状铁素体和大量侧板条铁素体组 成，晶内可以看到非常少的针状铁素体，见图 1( a) ; Ti 脱氧试样钢焊接热影响区组织也由晶界块状铁素体和 部分侧板条铁素体组成，晶内针状铁素体量比空白样 多，见图 1( b) ; Ti--Mg 复合脱氧钢试样焊接热影响区 的组织形貌，见图 1( c) ，晶界块状铁素体量比 2# 有所 减少，晶内主要由针状铁素体组成． 从晶界块状铁素 体构成晶粒形貌可以看出，经 100 kJ·cm － 1焊接热循环 以后单独 Ti 脱氧钢晶粒比 Ti--Mg 复合脱氧晶粒要粗 大，2# 和 3# 侧板条铁素体比 1# 有明显的减少． 2. 2 各试样的冲击性能 当焊接热输入为 100 kJ·cm － 1时，各试样的夏比冲 击功见表 3． 从表中可以看出，经过焊接模拟热循环后 三组试样的冲击韧性与母材相比均有一定的降低，特 别是 1# 空白试样冲击韧性下降明显，从 199. 3 J 降到 58. 9 J，降幅达 70. 4% ． Ti 处理试样冲击功也明显下 降，从 253. 6 J 降至 154. 0 J，降幅达 39. 3% ; 但 Ti--Mg 复合脱 氧 试 样 冲 击 功 降 低 不 多，从 295. 6 J 降 到 了 264. 7 J，降幅仅为 10. 5% ． 这表明 Ti--Mg 复合处理比 单独 Ti 处理能更好地改善实验钢热影响区的冲击 韧性． 3 实验结果分析 钢的组织、夹杂物大小、种类等因素对钢的冲击断 · 488 ·
宋明明等：T-Mg复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 885 (a b 50μ 图1三组试样热影响区组织形貌.(a)1:(b)2:(c)3 Fig.1 HAZ microstructures of samples:(a)1*;(b)2*:(c)3 表3不同焊接热输入试样的冲击功 细化，夹杂物尺寸处于1~2m范围的夹杂物比例明 Table 3 Impact energy of samples with different welding heat input 显增多.一方面可能是由于T一Mg复合处理过程中 焊接线能量/ 1常温冲 2*常温冲 3*常温冲 Mg有较强的脱硫、脱氧和变质夹杂物的作用，Mg与 (kJ.cm-1) 击功小 击功小 击功小 S、0的亲和力比较强，导致在TiMg复合处理钢中，容 母材 199.3 253.6 295.6 易出现Ti-Mg0和Mn-MgS的复合夹杂物：另一方 100 58.9 154.0 264.7 面由于Mg气泡弥散分布于钢中，较大的夹杂物随着 气包上浮去除，钢中细小的夹杂物比例增大 裂机制有很大的影响，严重影响着钢的冲击韧性.为 3.2实验钢断口形貌 了分析T和T-Mg处理钢的冲击韧性差异，利用能谱 夏比冲击断口包括脆性断裂区和韧性断裂区.图 和扫描电镜方法对实验钢中夹杂物的成分和形貌以及 3和图4分别为模拟焊接热循环后各夏比冲击试样断 冲击断口形貌进行系统的分析. 口脆性解理区和韧窝区形貌.从图3中可以看出断口 3.1钢中夹杂物 图2(a)~(c)为不同脱氧方式下实验钢中主要夹 脆性区形貌在微观上都表现为河流状解理断裂.T一 Mg复合处理试样解理单元尺寸较小，见图3(c):Ti处 杂物的形貌和组成.未经任何处理的1试样中夹杂物 主要为MnS,夹杂物的尺寸在5um左右，见图2(a): 理试样中解理单元的大小普遍大于Ti-Mg复合处理 试样，见图3(b).解理裂纹在不同组织中传播或遇到 经Ti处理后，钢中夹杂物主要为Ti0.+MnS组成的复 夹杂及穿过晶界会影响解理裂纹的扩展方向.组织越 合夹杂物，尺寸较大，在2m左右，见图2(b):经Ti- 细小混乱，夹杂物越小越弥散且晶粒越细小，解理裂纹 Mg复合脱氧后钢中夹杂物主要为Ti-Mg一O+Mg一 传播过程中方向不停地发生偏转，解理面越小，解理裂 MnS组成的复合夹杂物，夹杂物尺寸较小，一般在2 纹在传播过程中受到的阻力就越大，冲击韧性就越好， m左右，见图2(c).可见，实验钢经Ti单独及Ti-Mg 冲击功越高：反之，试样的冲击韧性就越差，冲击功 复合脱氧后，钢中夹杂物由MnS变为(TiO.、Ti一Mg一 越低 O)+Mg-Mn-S型的复合夹杂物.从图2(d)可以发 当焊接热输入为100kJ·cm时，由于热影响区峰 现，Ti一Mg复合处理可以使钢中夹杂物尺寸得到明显 值温度较高，在冷却过程中1试样热影响区形成大量
宋明明等: Ti--Mg 复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 图 1 三组试样热影响区组织形貌． ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# Fig． 1 HAZ microstructures of samples: ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# 表 3 不同焊接热输入试样的冲击功 Table 3 Impact energy of samples with different welding heat input 焊接线能量/ ( kJ·cm － 1 ) 1# 常温冲 击功/ J 2# 常温冲 击功/ J 3# 常温冲 击功/ J 母材 199. 3 253. 6 295. 6 100 58. 9 154. 0 264. 7 裂机制有很大的影响，严重影响着钢的冲击韧性． 为 了分析 Ti 和 Ti--Mg 处理钢的冲击韧性差异，利用能谱 和扫描电镜方法对实验钢中夹杂物的成分和形貌以及 冲击断口形貌进行系统的分析． 3. 1 钢中夹杂物 图 2( a) ～ ( c) 为不同脱氧方式下实验钢中主要夹 杂物的形貌和组成． 未经任何处理的 1# 试样中夹杂物 主要为 MnS，夹杂物的尺寸在 5 μm 左右，见图 2( a) ; 经 Ti 处理后，钢中夹杂物主要为 TiOx + MnS 组成的复 合夹杂物，尺寸较大，在 2 μm 左右，见图 2( b) ; 经 Ti-- Mg 复合 脱 氧 后 钢 中 夹 杂 物 主 要 为 Ti--Mg--O + Mg-- Mn--S组成的复合夹杂物，夹杂物尺寸较小，一般在 2 μm 左右，见图 2( c) ． 可见，实验钢经 Ti 单独及 Ti--Mg 复合脱氧后，钢中夹杂物由 MnS 变为( TiOx、Ti--Mg-- O) + Mg--Mn--S 型的复合夹杂物． 从图 2 ( d) 可以发 现，Ti--Mg 复合处理可以使钢中夹杂物尺寸得到明显 细化，夹杂物尺寸处于 1 ～ 2 μm 范围的夹杂物比例明 显增多． 一方面可能是由于 Ti--Mg 复合处理过程中 Mg 有较强的脱硫、脱氧和变质夹杂物的作用，Mg 与 S、O 的亲和力比较强，导致在 Ti--Mg 复合处理钢中，容 易出现 Ti--Mg--O 和 Mn--Mg--S 的复合夹杂物; 另一方 面由于 Mg 气泡弥散分布于钢中，较大的夹杂物随着 气包上浮去除，钢中细小的夹杂物比例增大． 3. 2 实验钢断口形貌 夏比冲击断口包括脆性断裂区和韧性断裂区． 图 3 和图 4 分别为模拟焊接热循环后各夏比冲击试样断 口脆性解理区和韧窝区形貌． 从图 3 中可以看出断口 脆性区形貌在微观上都表现为河流状解理断裂． Ti-- Mg 复合处理试样解理单元尺寸较小，见图 3( c) ; Ti 处 理试样中解理单元的大小普遍大于 Ti--Mg 复合处理 试样，见图 3( b) ． 解理裂纹在不同组织中传播或遇到 夹杂及穿过晶界会影响解理裂纹的扩展方向． 组织越 细小混乱，夹杂物越小越弥散且晶粒越细小，解理裂纹 传播过程中方向不停地发生偏转，解理面越小，解理裂 纹在传播过程中受到的阻力就越大，冲击韧性就越好， 冲击功越高; 反之，试样的冲击韧性就越差，冲 击 功 越低． 当焊接热输入为 100 kJ·cm － 1时，由于热影响区峰 值温度较高，在冷却过程中 1# 试样热影响区形成大量 · 588 ·
·886· 工程科学学报，第37卷，第7期 02 能 810 a (b) 2 um 81500 --1 500 Tr Mn Fe --2 6 能量AV 61550065005500150 1-223 34 (e) 400 nm 夹杂物尺寸范/m 图2钢中夹杂物的形貌与组成.(a)1:(b)2:(c)3:(d)夹杂物尺寸分布 Fig.2 Morphology and composition of inclusions in the steels:(a)1;(b)2;(c)3:(d)inclusion size distribution b 50m 50 am 58 50m 图3各实验钢脆性解理区断口形貌.(a)1“:(b)2:(c)3# Fig.3 Morphology of cleavage cracks in samples:(a)1*;(b)2*;(c)3* 的晶界侧板条组织，且1中细小夹杂颗粒比例相对较 区相比1有一定量的晶内针状铁素体生成，冲击韧性 低，所以韧性与母材相比下降明显.Tⅱ处理钢热影响 有所提高：而T-Mg复合处理试样中细小夹杂比例相
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 图 2 钢中夹杂物的形貌与组成． ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# ; ( d) 夹杂物尺寸分布 Fig． 2 Morphology and composition of inclusions in the steels: ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# ; ( d) inclusion size distribution 图 3 各实验钢脆性解理区断口形貌． ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# Fig． 3 Morphology of cleavage cracks in samples: ( a) 1# ; ( b) 2# ; ( c) 3# 的晶界侧板条组织，且 1# 中细小夹杂颗粒比例相对较 低，所以韧性与母材相比下降明显． Ti 处理钢热影响 区相比 1# 有一定量的晶内针状铁素体生成，冲击韧性 有所提高; 而 Ti--Mg 复合处理试样中细小夹杂比例相 · 688 ·
宋明明等：T-Mg复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 887 对较大，且晶界铁素体勾勒出的晶粒尺寸明显小于T T-Mg复合处理3试样在韧性断裂区域中也有大量的 处理试样，可以看出-Mg复合处理夹杂存在较好的 韧窝，且较Ti处理试样中韧窝尺寸较小，见图4(b) 钉扎晶界作用，再加上大量的针状铁素体生成，使得 此外，图4(b)中矩形框局部放大可以看出3Ti-Mg处 T-Mg复合处理试样热影响区中裂纹扩展路径被充分 理钢中存在大量的细小的夹杂.根据图2(d)可知Ti 地延长，能较好地保持热影响区的冲击韧性 处理试样韧窝中夹杂数量应低于T一Mg处理钢，冲击 从图4(a)中可以看出：Ti处理2“试样韧性断裂区 断裂过程中这些弥散分布的大量细小夹杂在韧窝形成 域中有大量的韧窝，在韧窝中包裹着细小的夹杂物： 和发展过程中起到了很大的钉轧作用 (a) 20m 10m 图4各实验钢韧性断裂区断口形貌.(a)2*:(b)3# Fig.4 Dimples of the treated samples:(a)2*;(b)3* 3.3冲击断裂机理分析 4结论 三炉实验钢除T和Mg元素以外，其他化学成分 基本相同.1钢为大量的晶界块状铁素体和晶界侧板 本文利用Gleeblel500热模拟试验机进行模拟焊 条组织，其中存在尺寸5m左右的以硫化锰、氧化铝、 接热循环试验，研究了焊接热输入为100kJ·cm时Ti 铝酸钙等为主的夹杂物.2钢T处理后促使钢中晶界 单独处理和Ti-Mg复合处理对16Mn钢热影响区组织 块状铁素体和晶界侧板条组织的减少，铁素体向晶内 及冲击性能的影响 针状铁素体转变，使得组织变得细小，延长裂纹扩展路 (1)焊接热输入为100kJcm时，Ti处理试样热 径.3钢T-Mg复合处理后晶界块状铁素体进一步细 影响区显微组织主要是晶界块状铁素体+晶界侧板条 化且晶界侧板条组织消失，晶内有大量的针状铁素体， 铁素体，T一Mg复合处理样热影响区显微组织主要由 组织进一步变得细小，裂纹扩展路径进一步延长，裂纹 晶内针状铁素体+晶界块状铁素体组成，热影响区组 扩展被有效减缓：同时，3钢中Ti与N、0等元素及Mg 织得到明显细化 与钢中0、AI、S、S等有很强的亲和力，形成大量细小 (2)经Ti处理后钢中夹杂物主要为Ti0,+MnS 均匀分布的夹杂物钉轧裂纹，在断裂过程中，裂纹在 组成的复合夹杂物，尺寸较大，在5μm左右：经Ti-Mg 3钢中能够稳定扩展，形成均匀的韧窝，基本消除了 复合脱氧后钢中夹杂物主要为Ti-Mg0+MnS组成 大颗粒夹杂和块状组织引起的断裂失稳和孔洞现象 的复合夹杂物，尺寸较小，一般在2m左右.从夹杂 的出现，断裂过程中裂纹形成和扩展的机制发生了 物尺寸分布上看T一Mg复合处理可以使钢中夹杂物 改变. 尺寸得到明显细化
宋明明等: Ti--Mg 复合脱氧对钢热影响区组织和冲击性能的影响 对较大，且晶界铁素体勾勒出的晶粒尺寸明显小于 Ti 处理试样，可以看出 Ti--Mg 复合处理夹杂存在较好的 钉扎晶界作用，再加上大量的针状铁素体生成，使得 Ti--Mg 复合处理试样热影响区中裂纹扩展路径被充分 地延长，能较好地保持热影响区的冲击韧性． 从图 4( a) 中可以看出: Ti 处理 2# 试样韧性断裂区 域中有大量的韧窝，在韧窝中包裹着细小的夹杂物; Ti--Mg 复合处理 3# 试样在韧性断裂区域中也有大量的 韧窝，且较 Ti 处理试样中韧窝尺寸较小，见图 4( b) ． 此外，图4( b) 中矩形框局部放大可以看出3# Ti--Mg 处 理钢中存在大量的细小的夹杂． 根据图 2( d) 可知 Ti 处理试样韧窝中夹杂数量应低于 Ti--Mg 处理钢，冲击 断裂过程中这些弥散分布的大量细小夹杂在韧窝形成 和发展过程中起到了很大的钉轧作用． 图 4 各实验钢韧性断裂区断口形貌． ( a) 2# ; ( b) 3# Fig． 4 Dimples of the treated samples: ( a) 2# ; ( b) 3# 3. 3 冲击断裂机理分析 三炉实验钢除 Ti 和 Mg 元素以外，其他化学成分 基本相同． 1# 钢为大量的晶界块状铁素体和晶界侧板 条组织，其中存在尺寸 5 μm 左右的以硫化锰、氧化铝、 铝酸钙等为主的夹杂物． 2# 钢 Ti 处理后促使钢中晶界 块状铁素体和晶界侧板条组织的减少，铁素体向晶内 针状铁素体转变，使得组织变得细小，延长裂纹扩展路 径． 3# 钢 Ti--Mg 复合处理后晶界块状铁素体进一步细 化且晶界侧板条组织消失，晶内有大量的针状铁素体， 组织进一步变得细小，裂纹扩展路径进一步延长，裂纹 扩展被有效减缓; 同时，3# 钢中 Ti 与 N、O 等元素及 Mg 与钢中 O、Al、S、Si 等有很强的亲和力，形成大量细小 均匀分布的夹杂物钉轧裂纹，在断裂过程中，裂纹在 3# 钢中能够稳定扩展，形成均匀的韧窝，基本消除了 大颗粒夹杂和块状组织引起的断裂失稳和孔洞现象 的出现，断裂过程中裂纹形成和扩展的机制发生了 改变． 4 结论 本文利用 Gleeble1500 热模拟试验机进行模拟焊 接热循环试验，研究了焊接热输入为 100 kJ·cm － 1时 Ti 单独处理和 Ti--Mg 复合处理对 16Mn 钢热影响区组织 及冲击性能的影响． ( 1) 焊接热输入为 100 kJ·cm － 1时，Ti 处理试样热 影响区显微组织主要是晶界块状铁素体 + 晶界侧板条 铁素体，Ti--Mg 复合处理样热影响区显微组织主要由 晶内针状铁素体 + 晶界块状铁素体组成，热影响区组 织得到明显细化． ( 2) 经 Ti 处理后钢中夹杂物主要为 TiOx + MnS 组成的复合夹杂物，尺寸较大，在 5 μm 左右; 经 Ti--Mg 复合脱氧后钢中夹杂物主要为 Ti--Mg--O + MnS 组成 的复合夹杂物，尺寸较小，一般在 2 μm 左右． 从夹杂 物尺寸分布上看 Ti--Mg 复合处理可以使钢中夹杂物 尺寸得到明显细化． · 788 ·
·888· 工程科学学报，第37卷，第7期 (3)T-Mg复合处理夹杂存在较好地钉扎晶界和 ] Medina S F,Chapa M,Valles P,et al.Influence of Ti and N 裂纹扩展作用，且钉扎效果较T处理更好 contents on austenite grain control and precipitate size in structura steels.IS0Imt,1999,39(9):930 (4)从冲击试验结果可以发现，T一Mg复合脱氧 [8]Wan X L,Wei R,Wu K M.Effect of acicular ferrite formation on 试样中由于同时存在大量细小粒子钉扎晶界和裂纹， grain refinement in the coarse-grained region of heat-affected zone 同时有大量夹杂物形核针状铁素体组成，在大线能量 Mater Charact,2010,61 (7):726 热输入条件下，Ti-Mg复合使用比单独使用能更好 ] Chang C H,Jung I H,Pak S C,et al.Effect of Mg on the evolu- 保证热影响区冲击性能与母材接近. tion of nonmetallie inclusions in Mn-Si-Ti deoxidized steel during solidification:experiments and thermodynamic calculations.Iron- 参考文献 making Steelmaking,2005,32 (3):251 Takamura J,Mizoguchi S.Roles of oxides in steel performance// [10]Kim H S,Chang H,Lee H G.Evolution of inclusions and re- sultant microstructural change with Mg addition in Mn/Si/Ti de- Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress.Na- oxidized steels.Scripta Mater,2005,53(11):1253 goya,1990:591 2]Babu SS,David S A.Inclusion formation and microstructure evo- [11]Chai F,Yang C F,Su H,et al.Effect of magnesium on inclu- lution in low alloy steel welds.IS/J Int,2002,42(12):1344 sions formation in Ti-killed steels and microstructural evolution in B]Ogibayashi S.The features of oxides in Ti-eoxidized steel//Pro- welding induced coarse grained heat affected zone.I Iron Steel Res Int,2009,16(1):69 ceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress.Nago- 12] Karasev A V,Suito H.Effect of particle size distribution on aus- ya,1990:612 4]Furuhara T,Shinyoshi T,Miyamoto C,et al.Multiphase crystal- tenite grain growth in Fe.05 mass%C alloy deoxidized with lography in the nucleation of intragranular ferrite on MnS +V(C, Mn-Si,Ti,Mg,Zr and Ce.IS/J Int,2006,46(5):718 N)complex precipitate in austenite.IS/J Int,2003,43 (12): [13]Takata R,Yang J,Kuwabara M.Characteristics of inclusions 2028 generated during Al-Mg complex deoxidation of molten steel. [5]Liu ZZ.Shang Y S.Recent progress in oxide metallurgy technol- 1SJ1m,2007,47(10):1379 ogy and its application.Steelmaking,2007,23(4):1 [14]Hu Z Y,Yang G W,Jiang M,et al.Effect of trace Mg-deoxidi- (刘中柱，桑原守.氧化物治金技术的最新进展及其实践.炼 zing time on the characteristics of inclusions in Ti-deoxidized 钢，2007,23(4)：1) steel.J Univ Sci Technol Beijing,2012,34(10):1123 [6]Pu Y,Hu B F,Yin FZ,et al.Nucleation of intragranular ferrite (胡志勇，杨光维，姜敏，等.微镁脱氧时间对钛脱氧钢夹杂 at oxide particles in low carbon steel.J Unie Sci Technol Beijing, 物特征的影响.北京科技大学学报，2012,34(10)：1123) 2006,28(4):357 [15]Kim B,Uhm S,Lee C,et al.Effects of inclusions and micro- (卜勇，胡本芙，尹法章，等.低碳钢中以氧化物为核心针状 structures on impact energy of high heat-input submerged-arc- 铁素体的形成.北京科技大学学报，2006,28(4)：357) weld metals.J Eng Mater Technol,2005,127(2):204
工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 ( 3) Ti--Mg 复合处理夹杂存在较好地钉扎晶界和 裂纹扩展作用，且钉扎效果较 Ti 处理更好． ( 4) 从冲击试验结果可以发现，Ti--Mg 复合脱氧 试样中由于同时存在大量细小粒子钉扎晶界和裂纹， 同时有大量夹杂物形核针状铁素体组成，在大线能量 热输入条件下，Ti--Mg 复合使用比单独使用 Ti 能更好 保证热影响区冲击性能与母材接近． 参 考 文 献 ［1］ Takamura J，Mizoguchi S． Ｒoles of oxides in steel performance / / Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress． Nagoya，1990: 591 ［2］ Babu S S，David S A． Inclusion formation and microstructure evolution in low alloy steel welds． ISIJ Int，2002，42( 12) : 1344 ［3］ Ogibayashi S． The features of oxides in Ti-deoxidized steel / / Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress． Nagoya，1990: 612 ［4］ Furuhara T，Shinyoshi T，Miyamoto G，et al． Multiphase crystallography in the nucleation of intragranular ferrite on MnS + V( C， N) complex precipitate in austenite． ISIJ Int，2003，43 ( 12) : 2028 ［5］ Liu Z Z，Shang Y S． Ｒecent progress in oxide metallurgy technology and its application． Steelmaking，2007，23( 4) : 1 ( 刘中柱，桑原守． 氧化物冶金技术的最新进展及其实践． 炼 钢，2007，23( 4) : 1) ［6］ Pu Y，Hu B F，Yin F Z，et al． Nucleation of intragranular ferrite at oxide particles in low carbon steel． J Univ Sci Technol Beijing， 2006，28( 4) : 357 ( 卜勇，胡本芙，尹法章，等． 低碳钢中以氧化物为核心针状 铁素体的形成． 北京科技大学学报，2006，28( 4) : 357) ［7］ Medina S F，Chapa M，Valles P，et al． Influence of Ti and N contents on austenite grain control and precipitate size in structural steels． ISIJ Int，1999，39( 9) : 930 ［8］ Wan X L，Wei Ｒ，Wu K M． Effect of acicular ferrite formation on grain refinement in the coarse-grained region of heat-affected zone． Mater Charact，2010，61( 7) : 726 ［9］ Chang C H，Jung I H，Pak S C，et al． Effect of Mg on the evolution of nonmetallic inclusions in Mn--Si--Ti deoxidized steel during solidification: experiments and thermodynamic calculations． Ironmaking Steelmaking，2005，32( 3) : 251 ［10］ Kim H S，Chang H，Lee H G． Evolution of inclusions and resultant microstructural change with Mg addition in Mn / Si /Ti deoxidized steels． Scripta Mater，2005，53( 11) : 1253 ［11］ Chai F，Yang C F，Su H，et al． Effect of magnesium on inclusions formation in Ti-killed steels and microstructural evolution in welding induced coarse grained heat affected zone． J Iron Steel Ｒes Int，2009，16( 1) : 69 ［12］ Karasev A V，Suito H． Effect of particle size distribution on austenite grain growth in Fe--0． 05 mass% C alloy deoxidized with Mn--Si，Ti，Mg，Zr and Ce． ISIJ Int，2006，46( 5) : 718 ［13］ Takata Ｒ，Yang J，Kuwabara M． Characteristics of inclusions generated during Al--Mg complex deoxidation of molten steel． ISIJ Int，2007，47( 10) : 1379 ［14］ Hu Z Y，Yang G W，Jiang M，et al． Effect of trace Mg-deoxidizing time on the characteristics of inclusions in Ti-deoxidized steel． J Univ Sci Technol Beijing，2012，34( 10) : 1123 ( 胡志勇，杨光维，姜敏，等． 微镁脱氧时间对钛脱氧钢夹杂 物特征的影响． 北京科技大学学报，2012，34( 10) : 1123) ［15］ Kim B，Uhm S，Lee C，et al． Effects of inclusions and microstructures on impact energy of high heat-input submerged-arcweld metals． J Eng Mater Technol，2005，127( 2) : 204 · 888 ·