D0I:10.13374/i.issm1001t63.2010.02.008 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Feb 2010 微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的 影响 舒玮王学敏唐永鹏贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了一种微合金钢中夹杂物与模拟焊接热影响区微观组织以及低温冲击韧性的关系·结果发现：实验钢夹杂物以 类球状T0s-Ab0,MS型复合夹杂为主，分布较为均匀且尺寸小于3m:在相变冷却时间较短(Ts方=40s)时，试样微观组 织以针状铁素体和沿晶铁素体为主，板条贝氏体束较少，原奥氏体晶粒尺寸在50'左右，低温冲击性能优良：随着相变冷却 时间的延长(Ts6=6080s,原奥氏体晶粒尺寸也随之增大，相变温度的提高和相变区域的变宽使得位于原奥氏体晶界附近 的夹杂物对晶界处多边形铁素体的诱导促进作用更加明显，沿晶铁素体长大剧烈，一定程度上消耗了晶内针状铁素体对组织 的分割细化作用，使得低温冲击韧性有所降低。 关键词微合金钢：氧化物夹杂：晶内针状铁素体：焊接热影响区(HAZ) 分类号TG142.1 Influence of ox ide inchusions on the m icrostructure and properties of welheat- affected zones in a m icroalloyed steel SHU Wei WANG Xuem n TANG Yong peng HE X n-lai School ofMaterials Science and Engneering University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT The relationship beteen inchsions and the m icmostructure of the smulated wel-heataffected zone (HAZ)in a m icmo- alloyed steel as well as bw-temperature mpact toughness was nvestigated The results show that inchusions in the steel are mainly TiOgAbOs MnS these camplex inclusions are well distributed and their size is less than 3/m.The m icmostnucture ofHAZ consists of acicular ferrite intergranular ferrite and small amount of lath bainite while the cooling tie during phase omation is short(Ts=40 s).the prior austenite grain size is about 50m and the samples have good impact toughness under this weling themal smulation condition The size of prior austenite grains inereases with the increase of transfomation cooling tie (Ts6=60 and 80 s).the in- crease of transfomation temperture and the broadening of the transfomation region make the prmotion effect on polygonal ferrite in- duced by inclusions in the vicinity of the grain boundaries become more obviously the ntergranular ferrite grows up rapily the refine- ment effect of intragranular acicular ferrite is lowered to some extent and the low-temperature mpact toughness is decreased K EY W ORDS m icmalloyed steel oxide inclusions intragranular acicular ferrites wel-heataffected zone (HAZ) 氧化物（特别是氧化钛）作为一种能够有效促 的可焊性.然而，TD作为AF的有效形核核心是 进钢中晶内针状铁素体(AF)形核的非金属夹杂 要具备一定条件的，夹杂物的种类、尺寸和密度都影 物，近年来被各国学者普遍研究-).TD,在钢中 响着AF的形成[).此外，原奥氏体晶粒尺寸也是 被硫化物附着后，在焊接热循环中成为晶内针状铁 影响晶内针状铁素体形核的重要因素，前人的研究 素体的非均匀形核核心，从而进一步细化热影响区 发现，由于晶界面积的增多，小尺寸的奥氏体晶粒反 (HAZ)的微观组织，提高HAZ区的韧性，改善钢材 而有助于晶界铁素体形成，只有原奥氏体晶粒在适 收稿日期：2009-08-10 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。2008AA03Z501) 作者简介：舒玮(1982男，博士研究生；贺信莱(1938)男，教授，博士生导师，Email hex@mater ustb ed加m
第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的 影响 舒 玮 王学敏 唐永鹏 贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 摘 要 研究了一种微合金钢中夹杂物与模拟焊接热影响区微观组织以及低温冲击韧性的关系．结果发现：实验钢夹杂物以 类球状 Ｔｉ2Ｏ3--Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ型复合夹杂为主分布较为均匀且尺寸小于 3μｍ；在相变冷却时间较短 （Ｔ8／5 ＝40ｓ）时试样微观组 织以针状铁素体和沿晶铁素体为主板条贝氏体束较少原奥氏体晶粒尺寸在 50μｍ左右低温冲击性能优良；随着相变冷却 时间的延长 （Ｔ8／5＝6080ｓ）原奥氏体晶粒尺寸也随之增大相变温度的提高和相变区域的变宽使得位于原奥氏体晶界附近 的夹杂物对晶界处多边形铁素体的诱导促进作用更加明显沿晶铁素体长大剧烈一定程度上消耗了晶内针状铁素体对组织 的分割细化作用使得低温冲击韧性有所降低． 关键词 微合金钢；氧化物夹杂；晶内针状铁素体；焊接热影响区 （ＨＡＺ） 分类号 ＴＧ142∙1 Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｘｉｄｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗｅｌｄ-ｈｅａｔ- ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｓｉｎａｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄｓｔｅｅｌ ＳＨＵＷｅｉＷＡＮＧＸｕｅ-ｍｉｎＴＡＮＧＹｏｎｇ-ｐｅｎｇＨＥＸｉｎ-ｌａｉ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｅｌｄ-ｈｅａｔ-ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＨＡＺ） ｉｎａｍｉｃｒｏ- ａｌｌｏｙｅｄｓｔｅｅｌａｓｗｅｌｌａｓｌｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌａｒｅｍａｉｎｌｙ Ｔｉ2Ｏ3-Ａｌ2Ｏ3-ＭｎＳｔｈｅｓｅｃｏｍｐｌｅｘｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｒｅｗｅｌｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｎｄｔｈｅｉｒｓｉｚｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ3μｍ．ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨＡＺｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆ ａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅａｎｄｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆｌａｔｈｂａｉｎｉｔｅｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｔｉｍｅｄｕｒｉｎｇｐｈａｓｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｈｏｒｔ（Ｔ8／5＝40 ｓ）ｔｈｅｐｒｉｏｒａｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎｓｉｚｅｉｓａｂｏｕｔ50μｍａｎｄｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｈａｖｅｇｏｏｄｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｕｎｄｅｒｔｈｉｓｗｅｌｄｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｐｒｉｏｒａｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｏｌｉｎｇｔｉｍｅ（Ｔ8／5 ＝60ａｎｄ80ｓ）ｔｈｅｉｎ- ｃｒｅａｓｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｂｒｏａｄｅｎｉｎｇｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｍａｋｅｔｈｅｐｒｏｍｏｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｎｐｏｌｙｇｏｎａｌｆｅｒｒｉｔｅｉｎ- ｄｕｃｅｄｂｙｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙｏｆｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｔｈｅｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｇｒｏｗｓｕｐｒａｐｉｄｌｙｔｈｅｒｅｆｉｎｅ- ｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｒａｇｒａｎｕｌａｒａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｉｓｌｏｗｅｒｅｄｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｌｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄｓｔｅｅｌ；ｏｘｉｄｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ；ｉｎｔｒａｇｒａｎｕｌａｒａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅ；ｗｅｌｄ-ｈｅａｔ-ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＨＡＺ） 收稿日期：2009--08--10 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目 （Ｎｏ．2008ＡＡ03Ｚ501） 作者简介：舒 玮 （1982— ）男博士研究生；贺信莱 （1938— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｈｅｘｌ＠ｍａｔｅｒ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 氧化物 （特别是氧化钛 ）作为一种能够有效促 进钢中晶内针状铁素体 （ＩＡＦ）形核的非金属夹杂 物近年来被各国学者普遍研究 ［1--3］．ＴｉＯｘ 在钢中 被硫化物附着后在焊接热循环中成为晶内针状铁 素体的非均匀形核核心从而进一步细化热影响区 （ＨＡＺ）的微观组织提高 ＨＡＺ区的韧性改善钢材 的可焊性．然而ＴｉＯｘ作为 ＩＡＦ的有效形核核心是 要具备一定条件的夹杂物的种类、尺寸和密度都影 响着 ＩＡＦ的形成 ［4］．此外原奥氏体晶粒尺寸也是 影响晶内针状铁素体形核的重要因素．前人的研究 发现由于晶界面积的增多小尺寸的奥氏体晶粒反 而有助于晶界铁素体形成只有原奥氏体晶粒在适 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．02．008
192 北京科技大学学报 第32卷 当的尺寸条件下才能有利于AF生成[].通过非 物的形态、尺寸、分布和种类.热模拟试样在G leeb le 金属夹杂诱导AF来分割细化微观组织的方法使得 1500试验机上进行焊接热模拟实验，试样预热温度 钢材能够经受大线能量焊接，但随着输入线能量的 为100℃，加热速率为500℃·s,峰值温度为1350 不断增加，HAZ区晶内组织长大粗化，成为其低温 ℃，保温1s在相变冷却时间T36分别为4060和80 韧性下降的主要原因6-) s的条件下冷却至室温。中8mm×15mm热模拟试样 本文对一种微合金钢进行了夹杂物和焊接热模 分别用%的硝酸乙醇溶液和饱和苦味酸溶液侵 拟后的组织观察，从夹杂物的分布、密度和原奥氏体 蚀后，对夹杂物和显微组织以及原奥氏体晶粒进行 晶粒尺寸方面对实验钢低温冲击韧性的差异进行解 观察分析.5mmX10mm×55mm试样加工成夏比V 释，同时研究了随相变冷却时间的延长，模拟HAZ 形缺口冲击试样后，在N500仪器化冲击试验机上 区冲击韧性降低的现象，并对其进行了讨论分析. 测试各热模拟条件下试样在一20℃环境下的半厚 1实验材料及方法 度冲击性能 微合金实验钢的主要化学成分如表1所示， 2实验结果 2.1轧板夹杂物特征 表1实验钢化学成分（质量分数） Tabl I Chen ical camposition of experinent steels % 实验钢轧板夹杂物形貌和能谱分析如图1所 示，在实验钢中发现了大量类球状复合型夹杂 C Si Mn Al 0.050.100.261.260.014 0.0014 物，分布较为均匀，没有出现聚集现象，从能谱分 0.015 析中可以看到，这些夹杂物由TD.~AbO3-MnS 实验钢在10kg真空感应炉中进行冶炼，加入了 组成，核心部位为TD、和AbO3的集合体，周围 少量的TiV:铸坯经轧制成8mm厚的轧板后，切取 包裹MS为了较准确地统计夹杂物的尺寸分布 并加工出5mm×5mm10mm的金相试样和 状况，对每个试样选择100个视场进行显微观 中8mm×15mm、5mm×10mm×55mm的热模拟试 察，其统计结果如图2所示，实验钢大部分夹杂 样.金相试样经过磨抛后在O bmpus BX5lM型光学 物尺寸在3“m以下，对钢材性能有害的大尺寸 显微镜和E0L一6301F场发射扫描电镜下观察夹杂 夹杂物很少 h Mn 0 Fe Fe T A Mn Mn 0wu少 0 10 um 能量V 图1实验钢夹杂物显微照片(a)及能谱分析(b) Fg 1 Micmographs (a)and EDX spectnm (b)of nclsions n the experinental steel 2.2试样模拟焊接热影响区的冲击韧性 的原奥氏体晶界已经完全被晶界铁素体和多边形铁 图3所示即为实验钢经过三种不同焊接热模拟 素体所覆盖：利用沿晶铁素体所勾勒出的原奥氏体 条件后在一20℃时的半厚度冲击韧性曲线.从实验 轮廓对不同条件下试样的原奥氏体晶粒尺寸进行了 结果可知：当T86=40s时，试样半厚度冲击功最高， 测量统计，其柱状图如图5所示，试样在三种焊接 达到了76.6随着T6的延长，冲击功明显降低，当 热模拟条件下原奥氏体晶粒大小相差不大，尺寸为 T6=80s时，冲击功已经降到了55.4J 50~70m相变冷却时间越长，原奥氏体晶粒尺寸 2.3模拟焊接热影响区的组织特征 越大，当Ts=40s时，试样晶内组织以针状铁素体 试样在不同Ts相变冷却时间下的热模拟区的 和板条贝氏体为主；当Ts5=60s时，晶内的板条贝 组织照片如图4所示，从图中可以看到微观组织中 氏体和针状铁素体变得粗大，沿晶铁素体面积明
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 当的尺寸条件下才能有利于 ＩＡＦ生成 ［4--5］．通过非 金属夹杂诱导 ＩＡＦ来分割细化微观组织的方法使得 钢材能够经受大线能量焊接但随着输入线能量的 不断增加ＨＡＺ区晶内组织长大粗化成为其低温 韧性下降的主要原因 ［6--7］． 本文对一种微合金钢进行了夹杂物和焊接热模 拟后的组织观察从夹杂物的分布、密度和原奥氏体 晶粒尺寸方面对实验钢低温冲击韧性的差异进行解 释同时研究了随相变冷却时间的延长模拟 ＨＡＺ 区冲击韧性降低的现象并对其进行了讨论分析． 1 实验材料及方法 微合金实验钢的主要化学成分如表 1所示． 表 1 实验钢化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｅｅｌｓ ％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ａｌ 0∙05～0∙10 0∙26 1∙26 0∙014 0∙015 0∙0014 实验钢在10ｋｇ真空感应炉中进行冶炼加入了 少量的 Ｔｉ、Ｖ；铸坯经轧制成 8ｍｍ厚的轧板后切取 并加工出 5ｍｍ ×5ｍｍ ×10ｍｍ 的金相试样和 ●8ｍｍ×15ｍｍ、5ｍｍ×10ｍｍ×55ｍｍ的热模拟试 样．金相试样经过磨抛后在 ＯｌｙｍｐｕｓＢＸ51Ｍ型光学 显微镜和 ＪＥＯＬ--6301Ｆ场发射扫描电镜下观察夹杂 物的形态、尺寸、分布和种类．热模拟试样在 Ｇｌｅｅｂｌｅ 1500试验机上进行焊接热模拟实验试样预热温度 为 100℃加热速率为 500℃·ｓ —1峰值温度为 1350 ℃保温1ｓ在相变冷却时间 Ｔ8／5分别为4060和80 ｓ的条件下冷却至室温．●8ｍｍ×15ｍｍ热模拟试样 分别用 3％的硝酸--乙醇溶液和饱和苦味酸溶液侵 蚀后对夹杂物和显微组织以及原奥氏体晶粒进行 观察分析．5ｍｍ×10ｍｍ×55ｍｍ试样加工成夏比 Ｖ 形缺口冲击试样后在 ＮＩ500仪器化冲击试验机上 测试各热模拟条件下试样在 —20℃环境下的半厚 度冲击性能． 2 实验结果 2∙1 轧板夹杂物特征 实验钢轧板夹杂物形貌和能谱分析如图 1所 示．在实验钢中发现了大量类球状复合型夹杂 物分布较为均匀没有出现聚集现象．从能谱分 析中可以看到这些夹杂物由 ＴｉＯｘ--Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ 组成核心部位为 ＴｉＯｘ和 Ａｌ2Ｏ3 的集合体周围 包裹 ＭｎＳ．为了较准确地统计夹杂物的尺寸分布 状况对每个试样选择 100个视场进行显微观 察其统计结果如图 2所示．实验钢大部分夹杂 物尺寸在 3μｍ以下对钢材性能有害的大尺寸 夹杂物很少． 图 1 实验钢夹杂物显微照片 （ａ）及能谱分析 （ｂ） Ｆｉｇ．1 Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ（ａ） ａｎｄＥＤＸｓｐｅｃｔｒｕｍ （ｂ） ｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌ 2∙2 试样模拟焊接热影响区的冲击韧性 图 3所示即为实验钢经过三种不同焊接热模拟 条件后在 —20℃时的半厚度冲击韧性曲线．从实验 结果可知：当 Ｔ8／5＝40ｓ时试样半厚度冲击功最高 达到了 76∙6Ｊ；随着 Ｔ8／5的延长冲击功明显降低当 Ｔ8／5＝80ｓ时冲击功已经降到了 55∙4Ｊ． 2∙3 模拟焊接热影响区的组织特征 试样在不同 Ｔ8／5相变冷却时间下的热模拟区的 组织照片如图 4所示．从图中可以看到微观组织中 的原奥氏体晶界已经完全被晶界铁素体和多边形铁 素体所覆盖；利用沿晶铁素体所勾勒出的原奥氏体 轮廓对不同条件下试样的原奥氏体晶粒尺寸进行了 测量统计其柱状图如图 5所示．试样在三种焊接 热模拟条件下原奥氏体晶粒大小相差不大尺寸为 50～70μｍ相变冷却时间越长原奥氏体晶粒尺寸 越大．当 Ｔ8／5＝40ｓ时试样晶内组织以针状铁素体 和板条贝氏体为主；当 Ｔ8／5 ＝60ｓ时晶内的板条贝 氏体和针状铁素体变得粗大沿晶铁素体面积明 ·192·
第2期 舒玮等：微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的影响 .193 250 80r 200 70 150 100 40 50 60 70 80 T 图3焊接热模拟试样一20℃环境下的半厚度冲击值曲线 Fig 3 Half thickness impact vahe curve of weling hemal smul 1.0-1 1.52.0 2.0-2.5 25-3.09 tion samples at-20℃ 夹杂物尺寸范围1m 显大于T6=40s时的组织：当T3方延长到80s时， 图2实验钢夹杂物统计分布 试样中针状铁素体依然存在，晶内组织更加粗大，沿 Fg 2 Statistical distribution of inchusions in the experinental steel 晶铁素体面积与Ts6=60s时相比又进一步扩大， a (b) 4 204m 图4实验钢焊接热模拟区的微观组织，(a)Ts5=40÷(b)Ts=60÷(c)T8方=80s Fig 4 M icmostnucture of the weHtheataffected zone n the experimnental steel (a)Ts6=40s (b)Ts6=60s (c)Ts6=80s 3讨论 核的针状铁素体在不同T3焊接热模拟条件下都能 被观察到，可见只要钢中出现这类夹杂物，就能促使 3.1实验钢夹杂物对焊接热循环后组织、性能的影 晶内针状铁素体形成，氧化物夹杂对HAZ区性能 响 的促进作用主要有两方面，一方面是因为这些小尺 通过以上实验结果可以看到，实验钢夹杂物不 寸的复合夹杂物在焊接热循环升温过程中能够有效 仅在种类、尺寸方面影响着焊接热循环后的微观组 地阻碍奥氏体晶粒的长大；另一方面，由夹杂物诱导 织，而且其密度对HAZ区的组织也有重要影响.实 形成的晶内针状铁素体分割细化了这些长大程度不 验钢中观察到的夹杂物尺寸大部分在3m以下，以 高的奥氏体晶粒，微观组织被进一步细化.，实验钢 TD.-Ab03MnS型类球状复合夹杂物存在，这类复 在三种焊接热模拟条件下的原奥氏体的晶粒尺寸都 合夹杂物与以往文献[8-10]中提到的TD.MnS夹 比较小（小于80m),晶粒并没有过分长大，再加上 杂类似，都在焊接热循环中促进了晶内针状铁素体 诱导形核的晶内针状铁素体的分割作用，使得在 的形核长大，由TD,-AkO3MnS复合夹杂诱导形 一20℃的冲击韧性实验中，实验钢的半厚度冲击功
第 2期 舒 玮等： 微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的影响 图 2 实验钢夹杂物统计分布 Ｆｉｇ．2 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌ 图 3 焊接热模拟试样 —20℃环境下的半厚度冲击值曲线 Ｆｉｇ．3 Ｈａｌｆ-ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｍｐａｃｔｖａｌｕｅｃｕｒｖｅｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａ- ｔｉｏｎｓａｍｐｌｅｓａｔ—20℃ 显大于 Ｔ8／5＝40ｓ时的组织；当 Ｔ8／5延长到 80ｓ时 试样中针状铁素体依然存在晶内组织更加粗大沿 晶铁素体面积与 Ｔ8／5＝60ｓ时相比又进一步扩大． 图 4 实验钢焊接热模拟区的微观组织．（ａ） Ｔ8／5＝40ｓ；（ｂ） Ｔ8／5＝60ｓ；（ｃ） Ｔ8／5＝80ｓ Ｆｉｇ．4 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄ-ｈｅａｔ-ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌ：（ａ） Ｔ8／5＝40ｓ；（ｂ） Ｔ8／5＝60ｓ；（ｃ） Ｔ8／5＝80ｓ 3 讨论 3∙1 实验钢夹杂物对焊接热循环后组织、性能的影 响 通过以上实验结果可以看到实验钢夹杂物不 仅在种类、尺寸方面影响着焊接热循环后的微观组 织而且其密度对 ＨＡＺ区的组织也有重要影响．实 验钢中观察到的夹杂物尺寸大部分在 3μｍ以下以 ＴｉＯｘ--Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ型类球状复合夹杂物存在这类复 合夹杂物与以往文献 ［8--10］中提到的 ＴｉＯｘ--ＭｎＳ夹 杂类似都在焊接热循环中促进了晶内针状铁素体 的形核长大．由 ＴｉＯｘ--Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ复合夹杂诱导形 核的针状铁素体在不同 Ｔ8／5焊接热模拟条件下都能 被观察到可见只要钢中出现这类夹杂物就能促使 晶内针状铁素体形成．氧化物夹杂对 ＨＡＺ区性能 的促进作用主要有两方面一方面是因为这些小尺 寸的复合夹杂物在焊接热循环升温过程中能够有效 地阻碍奥氏体晶粒的长大；另一方面由夹杂物诱导 形成的晶内针状铁素体分割细化了这些长大程度不 高的奥氏体晶粒微观组织被进一步细化．实验钢 在三种焊接热模拟条件下的原奥氏体的晶粒尺寸都 比较小 （小于 80μｍ）晶粒并没有过分长大再加上 诱导形核的晶内针状铁素体的分割作用使得在 —20℃的冲击韧性实验中实验钢的半厚度冲击功 ·193·
194. 北京科技大学学报 第32卷 80r 都达到了较高水平. 3,2焊接热循环条件以及夹杂物分布状况对组织、 性能的影响 60 通过冲击功曲线还发现，实验钢的冲击值随着 T的延长呈下降趋势，从微观组织上看，当相变冷 却速率较快时（即T35=40s),实验钢中沿晶铁素体 30r 虽然已经完全覆盖了原奥氏体晶界，但面积并不大； 随着相变冷却速率变慢（即T6=60s80s),实验钢 的沿晶铁素体（特别是多边形铁素体）的面积迅速 增大，大面积的沿晶铁素体在低温下对冲击韧性的 40 60 80 T 损害非常大，这就造成实验钢的冲击功随着T36的 图5不同焊接热模拟条件下原奥氏体晶粒尺寸 延长而逐渐降低，即沿晶铁素体对韧性的损害逐步 Fig 5 Prior austenite crystal size in differentweling themal siula- 抵消晶内针状铁素体有利于冲击韧性的作用 tion conditions 从图6中可以看出，位于晶粒内部的TD,- a b 50μm 100um 10 um 24 Mn Mn Mn Fe Mn Mn 6 2 345 345 6 8 能量keV 能量ke 图6实验钢夹杂物位置与微观组织的关系(T36=40)(a)夹杂物位于原奥氏体晶粒内；(b)夹杂物位于原奥氏体晶界附近 Fig 6 Relationsh ip beteen the position of inchusions and the m icmstructure of the experinental steel (Ts6=40 s):(a)the inclusion locates insie the prior austenite gran (b)the inchsion locales near the prior austenite gman boundary
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 不同焊接热模拟条件下原奥氏体晶粒尺寸 Ｆｉｇ．5 Ｐｒｉｏｒａｕｓｔｅｎｉｔｅｃｒｙｓｔａｌｓｉｚｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅｌｄｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａ- ｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 图 6 实验钢夹杂物位置与微观组织的关系 （Ｔ8／5＝40ｓ）．（ａ） 夹杂物位于原奥氏体晶粒内；（ｂ） 夹杂物位于原奥氏体晶界附近 Ｆｉｇ．6 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｅｅｌ（Ｔ8／5＝40ｓ）：（ａ） ｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｌｏｃａｔｅｓｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅｐｒｉｏｒａｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎ；（ｂ） ｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｌｏｃａｔｅｓｎｅａｒｔｈｅｐｒｉｏｒａｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙ 都达到了较高水平． 3∙2 焊接热循环条件以及夹杂物分布状况对组织、 性能的影响 通过冲击功曲线还发现实验钢的冲击值随着 Ｔ8／5的延长呈下降趋势．从微观组织上看当相变冷 却速率较快时 （即 Ｔ8／5＝40ｓ）实验钢中沿晶铁素体 虽然已经完全覆盖了原奥氏体晶界但面积并不大； 随着相变冷却速率变慢 （即 Ｔ8／5＝60ｓ、80ｓ）实验钢 的沿晶铁素体 （特别是多边形铁素体 ）的面积迅速 增大．大面积的沿晶铁素体在低温下对冲击韧性的 损害非常大这就造成实验钢的冲击功随着 Ｔ8／5的 延长而逐渐降低即沿晶铁素体对韧性的损害逐步 抵消晶内针状铁素体有利于冲击韧性的作用． 从图 6中可以看出位于晶粒内部的 ＴｉＯｘ-- ·194·
第2期 舒玮等：微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的影响 .195. AbO,MS型复合夹杂物有效地促进了晶内针状铁 工程学院王新华教授及其课题组的大力支持，冶炼 素体的形核，而原奥氏体晶界附近的复合夹杂物对 了实验所用实验钢，在此表示感潮 周围的多边形铁素体的形成长大也起到了促进作 参考文献 用.由此可见，在钢中夹杂物均匀分布的情况下，实 [I]Hamma H.Ohkita S Matsuda S et al mpmvement of HAZ 验钢较大的夹杂物密度(250mm)意味着夹杂物 toughness in HSLA steelby intrducing finely dispersed TiOxide 位于晶界附近的概率较大，随着相变冷却时间的延 WcHy1987,66(10):301 长（即冷却速率降低），一方面，铁素体相变点升高， [2]Shin JH.Cho Y W,Chung S H.et al Nuckeation of intragranu 相变区域变宽，形核的沿晶铁素体（包括晶界铁素 lar ferrite at T203 particle in bw cadbon steel Acta Mater 1999 体和多边形铁素体)能够继续长大，实验钢中出现 47(9):2751 [3]Yamaoto K.Haseqawa T Takamum J Effect of born on ntma 了沿晶铁素体面积增大的趋势；另一方面，晶界附近 granulr ferrite fomation n Tioxile bearing steels I Int 的复合夹杂物诱导了更多的晶界多边形铁素体形 199636(1):80 核，并且大大增大了这些多边形铁素体的长大速度， [4]AlHajeriK F.Garcia C I Hua M J et al Particle-stimulated 这就使得沿晶铁素体面积剧增，对实验钢的低温性 nueleation of ferrite in heavy steel sections BI Int 2006.46 (8):1233 能损害加大，冲击韧性逐渐降低， [5]Batbam F J K rauk lis P.Easterling K E Fomation of acicular 4结论 ferrite at oxide particles in steels Mater Sei Technol 1989 5 (11).1057 (1)实验钢中尺寸在3m以下的TD.Ab03- [6]Chai F Yang C F.Zhang Y Q.et al Effect of Al and Ti trar ment on m icmostructure of coarse gman HAZ in HSLA steel Iron MS型复合夹杂物能够有效地诱导焊接热模拟区晶 Steel2007.42(9):76 内针状铁素体形核，通过对原奥氏体晶粒的进一步 (柴蜂，杨才福，张永权，等.A1T处理对低合金钢焊接粗晶 分割细化，使组织的低温冲击韧性在经过较长的焊 区组织的影响.钢铁，2007,42(9)：76) 接热模拟冷却时间后依然较高，达到国家标准要求， [7]Chen Y T.Ding Q F.Lu W Z et al M icmstructure and pmoper (2)小尺寸的TD,-Ak0gMnS型复合夹杂物 ties in the smulation heat affected zone of the large heat mput weling steel HeatTmatMet 2005.30(9):19 能够抑制奥氏体晶粒在焊接热循环中的长大程度， (陈颜堂，丁庆丰，刘惟忠，等·大线能量焊接用钢模拟热影响 经过T36=40,60和80s三种热模拟条件后，将原奥 区的组织与性能.金属热处理，2005,30(9)：19) 氏体晶粒尺寸控制在了80m以下， [8]Kojia A.K iyose A.Uemori R.Super high HAZ toughness tech- (3)复合夹杂物的密度越大，诱导形核的晶内 nobgy with fine m icrostmcture iparled by fine particles Nippon 针状铁素体越多，对冲击性能的贡献越明显；但位于 Steel Tech Rep 2004.90.2 [9]Byun JS Shin JH.Cho Y W,etal Non metallic inchision and 原奥氏体晶界附近的复合夹杂物对于晶界多边形铁 intragranular nucleation of ferrite in Tikilled CMn steel Acta 素体的形核长大也具有诱导作用，当相变冷却时间 Marr200351(6):1593 较长（即冷却速率较慢）时，能够大大增大多边形铁 [10]Pu Y.Hu B F.Yn FZ et al Nuclation of intragranular ferrite 素体的长大速度，从而对低温下组织的冲击性能造 at oxide particles n low catbon steel JUniv SciTechnolBeijing 成不利影响 200628(4):357 (卜勇，胡本芙，尹法章，等，低碳钢中以氧化物为核心针状 致谢本论文得到了北京科技大学冶金与生态 铁素体的形成.北京科技大学学报，2006,28(4).357)
第 2期 舒 玮等： 微合金钢中氧化物夹杂对焊接热影响区组织、性能的影响 Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ型复合夹杂物有效地促进了晶内针状铁 素体的形核而原奥氏体晶界附近的复合夹杂物对 周围的多边形铁素体的形成长大也起到了促进作 用．由此可见在钢中夹杂物均匀分布的情况下实 验钢较大的夹杂物密度 （250ｍｍ —2 ）意味着夹杂物 位于晶界附近的概率较大．随着相变冷却时间的延 长 （即冷却速率降低 ）一方面铁素体相变点升高 相变区域变宽形核的沿晶铁素体 （包括晶界铁素 体和多边形铁素体 ）能够继续长大实验钢中出现 了沿晶铁素体面积增大的趋势；另一方面晶界附近 的复合夹杂物诱导了更多的晶界多边形铁素体形 核并且大大增大了这些多边形铁素体的长大速度 这就使得沿晶铁素体面积剧增对实验钢的低温性 能损害加大冲击韧性逐渐降低． 4 结论 （1）实验钢中尺寸在3μｍ以下的 ＴｉＯｘ--Ａｌ2Ｏ3-- ＭｎＳ型复合夹杂物能够有效地诱导焊接热模拟区晶 内针状铁素体形核通过对原奥氏体晶粒的进一步 分割细化使组织的低温冲击韧性在经过较长的焊 接热模拟冷却时间后依然较高达到国家标准要求． （2） 小尺寸的 ＴｉＯｘ--Ａｌ2Ｏ3--ＭｎＳ型复合夹杂物 能够抑制奥氏体晶粒在焊接热循环中的长大程度 经过 Ｔ8／5＝4060和 80ｓ三种热模拟条件后将原奥 氏体晶粒尺寸控制在了 80μｍ以下． （3） 复合夹杂物的密度越大诱导形核的晶内 针状铁素体越多对冲击性能的贡献越明显；但位于 原奥氏体晶界附近的复合夹杂物对于晶界多边形铁 素体的形核长大也具有诱导作用当相变冷却时间 较长 （即冷却速率较慢 ）时能够大大增大多边形铁 素体的长大速度从而对低温下组织的冲击性能造 成不利影响． 致谢 本论文得到了北京科技大学冶金与生态 工程学院王新华教授及其课题组的大力支持冶炼 了实验所用实验钢在此表示感谢！ 参 考 文 献 ［1］ ＨｏｍｍａＨＯｈｋｉｔａＳＭａｔｓｕｄａＳｅｔａｌ．ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＨＡＺ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｉｎＨＳＬＡｓｔｅｅｌｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｆｉｎｅｌｙｄｉｓｐｅｒｓｅｄＴｉ-Ｏｘｉｄｅ． ＷｅｌｄＪ198766（10）：301 ［2］ ＳｈｉｍＪＨＣｈｏＹＷＣｈｕｎｑＳＨｅｔａｌ．Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｒａｇｒａｎｕ- ｌａｒｆｅｒｒｉｔｅａｔＴｉ2Ｏ3ｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ．ＡｃｔａＭａｔｅｒ1999 47（9）：2751 ［3］ ＹａｍａｍｏｔｏＫＨａｓｅｑａｗａＴＴａｋａｍｕｒａＪ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｂｏｒｏｎｏｎｉｎｔｒａ- ｇｒａｎｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＴｉ-ｏｘｉｄｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌｓ．ＩＳＩＪＩｎｔ 199636（1）：80 ［4］ ＡｌＨａｊｅｒｉＫＦＧａｒｃｉａＣＩＨｕａＭ Ｊｅｔａｌ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ-ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆｆｅｒｒｉｔｅｉｎｈｅａｖｙｓｔｅｅｌｓｅｃｔｉｏｎｓ．ＩＳＩＪＩｎｔ200646 （8）：1233 ［5］ ＢａｒｂａｒｏＦＪＫｒａｕｋｌｉｓＰＥａｓｔｅｒｌｉｎｇＫＥ．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅａｔｏｘｉｄｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｓｔｅｅｌｓ．ＭａｔｅｒＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ19895 （11）：1057 ［6］ ＣｈａｉＦＹａｎｇＣＦＺｈａｎｇＹＱｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＡｌａｎｄＴｉｔｒｅａｔ- ｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏａｒｓｅ-ｇｒａｉｎＨＡＺｉｎＨＳＬＡｓｔｅｅｌ．Ｉｒｏｎ Ｓｔｅｅｌ200742（9）：76 （柴峰杨才福张永权等．Ａｌ、Ｔｉ处理对低合金钢焊接粗晶 区组织的影响．钢铁200742（9）：76） ［7］ ＣｈｅｎＹＴＤｉｎｇＱＦＬｉｕＷ Ｚｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒ- ｔｉｅｓｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｈｅａｔｉｎｐｕｔ ｗｅｌｄｉｎｇｓｔｅｅｌ．ＨｅａｔＴｒｅａｔＭｅｔ200530（9）：19 （陈颜堂丁庆丰刘惟忠等．大线能量焊接用钢模拟热影响 区的组织与性能．金属热处理200530（9）：19） ［8］ ＫｏｊｉｍａＡＫｉｙｏｓｅＡＵｅｍｏｒｉＲ．ＳｕｐｅｒｈｉｇｈＨＡＺｔｏｕｇｈｎｅｓｓｔｅｃｈ- ｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｆｉｎｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｍｐａｒｔｅｄｂｙｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｎｉｐｐｏｎ ＳｔｅｅｌＴｅｃｈＲｅｐ200490：2 ［9］ ＢｙｕｎＪＳＳｈｉｍＪＨＣｈｏＹＷｅｔａｌ．Ｎｏｎ-ｍｅｔａｌｌｉｃｉｎｃｌｕｓｉｏｎａｎｄ ｉｎｔｒａｇｒａｎｕｌａｒｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆｆｅｒｒｉｔｅｉｎＴｉ-ｋｉｌｌｅｄＣ-Ｍｎｓｔｅｅｌ．Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒ200351（6）：1593 ［10］ ＰｕＹＨｕＢＦＹｉｎＦＺｅｔａｌ．Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｒａｇｒａｎｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅ ａｔｏｘｉｄｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ．ＪＵｎｉｖＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢｅｉｊｉｎｇ 200628（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200628（4）：357） ·195·
