工程科学学报 Chinese Journal of Engineering Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接AZ组织的影响 徐龙云杨健王睿之 Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heat- input welding XU Long-yun.YANG Jian.WANG Rui-zhi 引用本文： 徐龙云，杨健，王睿之.Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响[J.工程科学学报，2020,42(S):9-13.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.04.05.s10 XU Long-yun,YANG Jian,WANG Rui-zhi.Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heat-input welding[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):9-13.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.04.05.s10 在线阅读View onlines:htps/ldoi.org10.13374/.issn2095-9389.2020.04.05.s10 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报.2017,395：643htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.001 钛稀土复合处理对C-M钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C-Mn steel 工程科学学报.2017,396)：846 https:1doi.org/10.13374 j.issn2095-9389.2017.06.005 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AIN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,397)：1008htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.005 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.008 AI-Ca复合合金钢水脱氧机理的研究 Study on steel deoxidation with Al-Ca compound alloy 工程科学学报.2017,395)：702htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.008 富Nb复合碳氨化物对22Crl5Ni3.5 CuNbNI奥氏体钢焊接模拟热影响区组织和性能的影响 A simulation of the effect of Nb-rich carbonitride on the structure and properties of weld HAZ of 22Cr15Ni3.5CuNbN austenitic steel 工程科学学报.2019,41(7)：889htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.007
Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响 徐龙云 杨健 王睿之 Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heatinput welding XU Long-yun, YANG Jian, WANG Rui-zhi 引用本文: 徐龙云, 杨健, 王睿之. Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 9-13. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10 XU Long-yun, YANG Jian, WANG Rui-zhi. Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heat-input welding[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 9-13. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.04.05.s10 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报. 2017, 39(5): 643 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.001 钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C-Mn steel 工程科学学报. 2017, 39(6): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.005 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 Al-Ca复合合金钢水脱氧机理的研究 Study on steel deoxidation with Al-Ca compound alloy 工程科学学报. 2017, 39(5): 702 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.008 富Nb复合碳氮化物对22Cr15Ni3.5CuNbN奥氏体钢焊接模拟热影响区组织和性能的影响 A simulation of the effect of Nb-rich carbonitride on the structure and properties of weld HAZ of 22Cr15Ni3.5CuNbN austenitic steel 工程科学学报. 2019, 41(7): 889 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.007
工程科学学报.第42卷，增刊1：9-13.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:9-13,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10;http://cje.ustb.edu.cn Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响 徐龙云1,2)，杨健1,2)四，王睿之12 1)上海大学材料科学与工程学院.上海2004442)上海大学省部共建高品质特殊钢治金与制备国家重点实验室，上海200444 ☒通信作者，E-mail:yang_jian@tshu.edu.cn 摘要研究了夹杂物对Mg脱氧钢焊接热影响区(HAZ)组织及冲击韧性的影响.研究结果表明，MgO-MS复合夹杂物形 貌随着A1的添加发生显著变化.当AI质量分数为0.001%时.由中心单一MgO粒子与外围MS相组成：当A1质量分数为 0.020%时.其形貌为夹杂物中多个细小的MgO粒子嵌入MS相中.前者可诱发晶内针状铁素体(IAF)形核，而后者不具备 该能力，故HAZ中主要晶内组织分别为塑性IAF、脆性侧板条铁素体.因此，未添加AI钢的4O0kJcm大线能量焊接 HAZ韧性优于添加AI钢. 关键词Mg脱氧：夹杂物：A:大线能量焊接：热影响区：韧性 分类号TF76 Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heat-input welding XU Long-yun 2),YANG Jian2,WANG Rui-zhi2) 1)School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China 2)State Key Laboratory of Advanced Special Steel,Shanghai University,Shanghai 200444,China Corresponding author,E-mail:yang_jian@t.shu.edu.cn ABSTRACT The effects of inclusions on the microstructure and toughness of the heat-affected zone (HAZ)in steel plates with Mg deoxidation after high-heat-input welding were investigated in the present study.The results indicate that the morphologies of MgO-MnS complex inclusions in steel are changed obviously with the addition of Al.When containing 0.001%Al (mass fraction),the inclusions consist of a central single MgO particle and an outside MnS phase.When containing 0.020%Al,they are comprised of several small MgO particles entrapped by the MnS phase.Because the former inclusion can nucleate intragranular acicular ferrites(IAFs)and the latter is non-nucleant,the main intragranular microstructures in the HAZs are ductile IAFs and brittle ferrite side plates,respectively. Therefore,the HAZ toughness of the steel plate without Al addition after a high-heat-input welding of 400 kJ.cm is significantly better than that of the steel plate with Al addition. KEY WORDS Mg deoxidation;inclusions:Al:high-heat-input welding;heat-affected zone:toughness 炼钢领域已针对去除不利于最终产品性能的 从此，钢中弥散分布的微细夹杂物的功能化备受 夹杂物进行了大量研究工作-)Takamura与 关注-川目前，氧化物冶金技术已成为改善厚板 Mizoguchi于1990年在第六届国际钢铁大会首 大线能量焊接热影响区(Heat-affected zone,HAZ) 次提出了“氧化物冶金(Oxide metallurgy)”的概念 韧性的最有效途径2-1夹杂物可作为奥氏体晶 收稿日期：2020-04-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1960202)
Mg 脱氧夹杂物对大线能量焊接 HAZ 组织的影响 徐龙云1,2)，杨 健1,2) 苣，王睿之1,2) 1) 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444 2) 上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444 苣通信作者，E-mail：yang_jian@t.shu.edu.cn 摘 要 研究了夹杂物对 Mg 脱氧钢焊接热影响区（HAZ）组织及冲击韧性的影响. 研究结果表明，MgO–MnS 复合夹杂物形 貌随着 Al 的添加发生显著变化. 当 Al 质量分数为 0.001% 时，由中心单一 MgO 粒子与外围 MnS 相组成；当 Al 质量分数为 0.020% 时，其形貌为夹杂物中多个细小的 MgO 粒子嵌入 MnS 相中. 前者可诱发晶内针状铁素体（IAF）形核，而后者不具备 该能力，故 HAZ 中主要晶内组织分别为塑性 IAF、脆性侧板条铁素体. 因此，未添加 Al 钢的 400 kJ·cm−1 大线能量焊接 HAZ 韧性优于添加 Al 钢. 关键词 Mg 脱氧；夹杂物；Al；大线能量焊接；热影响区；韧性 分类号 TF76 Influence of inclusions with Mg deoxidation on the microstructure in the heat-affected zone of steel plates after high-heat-input welding XU Long-yun1,2) ，YANG Jian1,2) 苣 ，WANG Rui-zhi1,2) 1) School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 2) State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai University, Shanghai 200444, China 苣 Corresponding author, E-mail: yang_jian@t.shu.edu.cn ABSTRACT The effects of inclusions on the microstructure and toughness of the heat-affected zone (HAZ) in steel plates with Mg deoxidation after high-heat-input welding were investigated in the present study. The results indicate that the morphologies of MgO–MnS complex inclusions in steel are changed obviously with the addition of Al. When containing 0.001% Al (mass fraction), the inclusions consist of a central single MgO particle and an outside MnS phase. When containing 0.020% Al, they are comprised of several small MgO particles entrapped by the MnS phase. Because the former inclusion can nucleate intragranular acicular ferrites (IAFs) and the latter is non-nucleant, the main intragranular microstructures in the HAZs are ductile IAFs and brittle ferrite side plates, respectively. Therefore, the HAZ toughness of the steel plate without Al addition after a high-heat-input welding of 400 kJ·cm−1 is significantly better than that of the steel plate with Al addition. KEY WORDS Mg deoxidation；inclusions；Al；high-heat-input welding；heat-affected zone；toughness 炼钢领域已针对去除不利于最终产品性能的 夹 杂 物 进 行 了 大 量 研 究 工 作 [1−5] . Takamura 与 Mizoguchi[6] 于 1990 年在第六届国际钢铁大会首 次提出了“氧化物冶金（Oxide metallurgy）”的概念. 从此，钢中弥散分布的微细夹杂物的功能化备受 关注[7−11] . 目前，氧化物冶金技术已成为改善厚板 大线能量焊接热影响区（Heat-affected zone, HAZ） 韧性的最有效途径[12−15] . 夹杂物可作为奥氏体晶 收稿日期: 2020−04−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1960202） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：9−13，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 9−13, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10; http://cje.ustb.edu.cn
10 工程科学学报.第42卷，增刊1 粒内部针状铁素体的异相形核点，形成交叉互锁 MnS相组成 状的细小晶内针状铁素体(Intragranular acicular 2.2夹杂物统计分析 ferrite,IAF),从而提高厚板HAZ韧性夹杂物 3 Mg1Al和3Mg20AI钢中夹杂物自动统计分 特性，包括成分、尺寸和形貌等，在IAF形核中发 析的分析面积分别为38.8和31.6mm2.夹杂物个 挥重要作用-2刘目前，强脱氧剂，如Mg,已应用 数分别为3750和3003.3Mg1A1和3Mg20A1钢中 于开发先进的氧化物冶金技术2-1本文研究了 夹杂物数量密度分别为96.65和95.03mm2,平均 不同AI含量Mg脱氧钢中夹杂物对400kJcm1大 尺寸分别为3.47和2.03m.图2为两组钢样中夹 线能量焊接HA☑组织及冲击韧性的影响 杂物尺寸分布.3Mg1A1和3Mg20A1钢中尺寸在2~ 1实验方法 5um之间的夹杂物频率分别为72.29%和29.77% 相对而言，3Mg20A1钢中尺寸在1~2um之间的夹 通过50kg真空感应炉分别冶炼2组Mg脱氧 杂物频率高达63.73%.可见，3Mg20A1钢中夹杂物 钢样，编号3Mg1A1和3Mg20AL.表1为钢样主要 比3Mg1A1钢中夹杂物尺寸略小 化学成分.如表1所示，3MglA1和3Mg20A1中 2.3HAZ组织与韧性 A1质量分数分别为10×106和200×106，其他元素 通过对实验钢样400kJcm大线能量焊接 含量接近.随后浇注成120mm×180mm×240mm HAZ组织观察发现，在3Mg1A1和3Mg20A1钢 铸锭.每个铸锭经热轧成50mm厚钢板. HAZ组织中均可明显观察到呈网状分布的晶界铁 为了评价实验钢板HAZ韧性，采用Gleeble 素体(Grain boundary ferrite,GBF).然而，3 Mg1Al 3800热模拟试验机进行大线能量焊接热模拟实 的奥氏体晶粒内部组织明显不同于3Mg20Al.在 验，模拟50mm厚钢板400kJcm'埋弧焊.实验过 3 Mg1Al钢中，发达的IAF几乎占据整个奥氏体晶 程中，峰值温度为1400℃并保温3s.从1400冷却 内部分.不同于3Mg1AL,3Mg20A1晶内组织主要 至800℃、800冷却至500℃、500冷却至300℃ 是贯穿整个品粒的侧板条铁素体(Ferrite side plate,. 的冷却速率依次为3.41、0.78、0.17℃s.HAZ试 FSP). 样在-20℃进行夏比冲击试验.随后从平行于夏 图3为3Mg1A1和3Mg20A1钢样HAZ组织中 比冲击断口试样横截面的表面取HAZ试样.首 夹杂物形貌及扫描电镜面扫描图像.在3MglA1 先，试样经抛光后采用钢中夹杂物自动分析仪进 中，500倍视场下观察到尺寸约为2.55um的夹杂 行分析.然后，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液 物位于IAF占据的奥氏体晶粒内部，如图3(a)中 腐蚀HAZ试样并通过金相显微镜(OM)和扫描电 方框所标识.在5000倍视场下，如图3(b)所示，该 镜-能谱仪观察HAZ组织.本文研究主要关注等 夹杂物位于4个发射状铁素体的中心.可推测，这 效圆直径大于1m的夹杂物.对每个钢样中典型 4个针状铁素体板条直接由同一夹杂物诱发形核. 夹杂物进行面扫描以分析夹杂物内部元素分布. 该类夹杂物可视为IAF的有效形核核心)根据 2实验结果及讨论 图3(c)所示的能谱面分析结果可知，该夹杂物由 直径为1.76um的球形Mg0粒子与外围MnS相 2.1典型夹杂物形貌及成分 组成 图1为3MglA1和3Mg20Al钢中典型MgO-MnS 3Mg20A!钢HAZ组织扫描电镜观察形貌如 夹杂物的形貌和成分.面分析结果表明，3Mg1A1 图3(d)所示.可见，粗大的GBF包围平行的FSP, 钢中MgO-MnS夹杂物由直径约2.0um的单一 难以发现1AF.同时观察到尺寸约1.78m的晶内 MgO粒子和外围MnS相组成.而3Mg20A1钢中 夹杂物.在5000倍视场下，如图3(e)所示，该夹杂 MgO-MnS夹杂物形貌明显不同，由4个直径小 物位于铁素体基体中并无发射状铁素体.由于该 于1.0um的Mg0粒子和不规则的作为“基体”的 类型夹杂物周围缺少发射状铁素体，故视其为IAF 表1钢样化学成分（质量分数） Table 1 Measured chemical compositions of steel samples Steels C Si Mn P Ti Mg Al 0 N 3Mg1Al 0.082 0.22 1.56 0.006 0.005 0.011 0.0027 0.001 0.0011 0.0032 3Mg20Al 0.082 0.22 1.56 0.006 0.004 0.011 0.0027 0.020 0.0007 0.0032
粒内部针状铁素体的异相形核点，形成交叉互锁 状的细小晶内针状铁素体 （ Intragranular acicular ferrite, IAF），从而提高厚板 HAZ 韧性[16] . 夹杂物 特性，包括成分、尺寸和形貌等，在 IAF 形核中发 挥重要作用[17−21] . 目前，强脱氧剂，如 Mg，已应用 于开发先进的氧化物冶金技术[22−25] . 本文研究了 不同 Al 含量 Mg 脱氧钢中夹杂物对 400 kJ·cm−1 大 线能量焊接 HAZ 组织及冲击韧性的影响. 1 实验方法 通过 50 kg 真空感应炉分别冶炼 2 组 Mg 脱氧 钢样，编号 3Mg1Al 和 3Mg20Al. 表 1 为钢样主要 化学成分 . 如 表 1 所示 ， 3Mg1Al 和 3Mg20Al 中 Al 质量分数分别为 10×10‒6 和 200×10‒6，其他元素 含量接近. 随后浇注成 120 mm×180 mm×240 mm 铸锭. 每个铸锭经热轧成 50 mm 厚钢板. 为了评价实验钢板 HAZ 韧性 ，采用 Gleeble 3800 热模拟试验机进行大线能量焊接热模拟实 验，模拟 50 mm 厚钢板 400 kJ·cm−1 埋弧焊. 实验过 程中，峰值温度为 1400 ℃ 并保温 3 s. 从 1400 冷却 至 800 ℃ 、 800 冷却至 500 ℃ 、 500 冷却至 300 ℃ 的冷却速率依次为 3.41、0.78、0.17 ℃·s−1 . HAZ 试 样在−20 ℃ 进行夏比冲击试验. 随后从平行于夏 比冲击断口试样横截面的表面取 HAZ 试样. 首 先，试样经抛光后采用钢中夹杂物自动分析仪进 行分析. 然后，采用体积分数 4% 的硝酸酒精溶液 腐蚀 HAZ 试样并通过金相显微镜（OM）和扫描电 镜‒能谱仪观察 HAZ 组织. 本文研究主要关注等 效圆直径大于 1 μm 的夹杂物. 对每个钢样中典型 夹杂物进行面扫描以分析夹杂物内部元素分布. 2 实验结果及讨论 2.1 典型夹杂物形貌及成分 图1 为3Mg1Al 和3Mg20Al 钢中典型MgO‒MnS 夹杂物的形貌和成分. 面分析结果表明，3Mg1Al 钢中 MgO ‒MnS 夹杂物由直径约 2.0 μm 的单一 MgO 粒子和外围 MnS 相组成. 而 3Mg20Al 钢中 MgO‒MnS 夹杂物形貌明显不同，由 4 个直径小 于 1.0 μm 的 MgO 粒子和不规则的作为“基体”的 MnS 相组成. 2.2 夹杂物统计分析 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢中夹杂物自动统计分 析的分析面积分别为 38.8 和 31.6 mm2 ，夹杂物个 数分别为 3750 和 3003. 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢中 夹杂物数量密度分别为 96.65 和 95.03 mm‒2，平均 尺寸分别为 3.47 和 2.03 μm. 图 2 为两组钢样中夹 杂物尺寸分布. 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢中尺寸在 2～ 5 μm 之间的夹杂物频率分别为 72.29% 和 29.77%. 相对而言，3Mg20Al 钢中尺寸在 1～2 μm 之间的夹 杂物频率高达 63.73%. 可见，3Mg20Al 钢中夹杂物 比 3Mg1Al 钢中夹杂物尺寸略小. 2.3 HAZ 组织与韧性 通过对实验钢 样 400 kJ·cm−1 大线能量焊 接 HAZ 组 织 观 察 发 现 ， 在 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢 HAZ 组织中均可明显观察到呈网状分布的晶界铁 素体（Grain boundary ferrite, GBF） . 然而， 3Mg1Al 的奥氏体晶粒内部组织明显不同于 3Mg20Al. 在 3Mg1Al 钢中，发达的 IAF 几乎占据整个奥氏体晶 内部分. 不同于 3Mg1Al，3Mg20Al 晶内组织主要 是贯穿整个晶粒的侧板条铁素体（Ferrite side plate, FSP）. 图 3 为 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢样 HAZ 组织中 夹杂物形貌及扫描电镜面扫描图像. 在 3Mg1Al 中，500 倍视场下观察到尺寸约为 2.55 μm 的夹杂 物位于 IAF 占据的奥氏体晶粒内部，如图 3（a）中 方框所标识. 在 5000 倍视场下，如图 3（b）所示，该 夹杂物位于 4 个发射状铁素体的中心. 可推测，这 4 个针状铁素体板条直接由同一夹杂物诱发形核. 该类夹杂物可视为 IAF 的有效形核核心[19] . 根据 图 3（c）所示的能谱面分析结果可知，该夹杂物由 直径为 1.76 μm 的球形 MgO 粒子与外围 MnS 相 组成. 3Mg20Al 钢 HAZ 组织扫描电镜观察形貌如 图 3（d）所示. 可见，粗大的 GBF 包围平行的 FSP， 难以发现 IAF. 同时观察到尺寸约 1.78 μm 的晶内 夹杂物. 在 5000 倍视场下，如图 3（e）所示，该夹杂 物位于铁素体基体中并无发射状铁素体. 由于该 类型夹杂物周围缺少发射状铁素体，故视其为 IAF 表 1 钢样化学成分（质量分数） Table 1 Measured chemical compositions of steel samples % Steels C Si Mn P S Ti Mg Al O N 3Mg1Al 0.082 0.22 1.56 0.006 0.005 0.011 0.0027 0.001 0.0011 0.0032 3Mg20Al 0.082 0.22 1.56 0.006 0.004 0.011 0.0027 0.020 0.0007 0.0032 · 10 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1
徐龙云等：Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响 11 OKal Mg Kal 2 (a) Mg I um 1雪 S Kal Mn Kal MnS Mn Mgo OKal Mg Kal 2 (b) Mg m 25m 2.5m SKal Mn Kal Mn Mgo MnS 23m 25m 图1.典型MgO-MnS夹杂物形貌和成分.(a)3 Mg1Al:(b)3Mg20Al Fig.1 Morphologies and compositions of typical MgO-MnS inclusions:(a)3MglAl;(b)3Mg20Al 20 的非形核核心.如图3()所示的元素面分析结果 Z☑3 MglAl 表明，该夹杂物由2个直径在1um以下的细小 MgO粒子组成，分布在作为“基体”的MnS相中. 3Mg1A1和3Mg20A1钢样-20C平均夏比吸 10 收功分别为201和75J.可见，3Mg1AI的HAZ冲 击韧性较3Mg20A1要优异得多.根据惰性界面机 制，尺寸大于1.0um的夹杂物有利于诱发IAF形核例 0 Zhang等2提出夹杂物成为IAF形核核心的最佳 尺寸约为3m.本文研究中，如图3(a)~（c)所 □3Mg20Al 30 示，尺寸为2.55um的MgO-MnS复合夹杂物能作 为IAF的形核核心：然而，30Mg20A1钢中尺寸为 20 l.78um的Mg0-MnS复合夹杂物仅位于铁素体 基体中且不具备诱发针状铁素体形核的能力，如 10 图3(e)~(f)所示.尽管30 Mg1Al和30Mg20Al钢 中夹杂物尺寸差异并不大，但前者为IAF形核核 心而后者却不是.因此，本研究中夹杂物尺寸并不 12345678910 Inclusion size/μm 是夹杂物作为形核核心的决定性因素 图2钢中夹杂物尺寸分布 夹杂物的成分和形貌可能在诱发夹杂物形核 Fig.2 Size distribution of the inclusions in experimental steels 中起到关键性作用.如图3(c)所示，30Mg1AI中作
的非形核核心. 如图 3（f）所示的元素面分析结果 表明，该夹杂物由 2 个直径在 1 μm 以下的细小 MgO 粒子组成，分布在作为“基体”的 MnS 相中. 3Mg1Al 和 3Mg20Al 钢样−20 °C 平均夏比吸 收功分别为 201 和 75 J. 可见，3Mg1Al 的 HAZ 冲 击韧性较 3Mg20Al 要优异得多. 根据惰性界面机 制，尺寸大于 1.0 μm 的夹杂物有利于诱发 IAF 形核[19] . Zhang 等[21] 提出夹杂物成为 IAF 形核核心的最佳 尺寸约为 3 μm. 本文研究中，如图 3（ a）～（ c）所 示，尺寸为 2.55 μm 的 MgO‒MnS 复合夹杂物能作 为 IAF 的形核核心；然而，30Mg20Al 钢中尺寸为 1.78 μm 的 MgO‒MnS 复合夹杂物仅位于铁素体 基体中且不具备诱发针状铁素体形核的能力，如 图 3（e）～（f）所示. 尽管 30Mg1Al 和 30Mg20Al 钢 中夹杂物尺寸差异并不大，但前者为 IAF 形核核 心而后者却不是. 因此，本研究中夹杂物尺寸并不 是夹杂物作为形核核心的决定性因素. 夹杂物的成分和形貌可能在诱发夹杂物形核 中起到关键性作用. 如图 3（c）所示，30Mg1Al 中作 (a) O Kα1 MnS MgO 1 μm 1 μm 1 μm Mg Kα1_2 O Mg S Kα1 1 μm 1 μm Mn Kα1 S Mn (b) O Kα1 MnS MgO 1 μm 2.5 μm 2.5 μm Mg Kα1_2 O Mg S Kα1 2.5 μm 2.5 μm Mn Kα1 S Mn 图 1 典型 MgO‒MnS 夹杂物形貌和成分. （a）3Mg1Al；（b）3Mg20Al Fig.1 Morphologies and compositions of typical MgO–MnS inclusions: (a) 3Mg1Al; (b) 3Mg20Al 20 10 15 5 0 10 20 30 0 Frequency/ % 3Mg1Al 3Mg20Al Inclusion size/μm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 图 2 钢中夹杂物尺寸分布 Fig.2 Size distribution of the inclusions in experimental steels 徐龙云等： Mg 脱氧夹杂物对大线能量焊接 HAZ 组织的影响 · 11 ·
12 工程科学学报，第42卷，增刊1 (a) (b) GBF Nucleant 20μm IAF 2 um 0 Mg Kel 2 Mn Kal Mn (c) 1μm 1μm I um I um I um (d) FSP (e) Non-nucleant GBF 20μm 24m Mg Kal 2 Mn Kal Mg Mn () 1 um I um I um 1 um I um 图3HAZ组织中夹杂物形貌及扫描电镜面扫描图像.(a~c)3MglA:(d~f)3Mg20Al Fig.3 Morphologies and SEM mapping images of the inclusions in the HAZ microstructures for experimental steels:(a-c)3MglAl;(d-f)3Mg20Al 为形核核心的MgO-MnS复合夹杂物由中心MgO 该类型夹杂物却不具备，所以30Mg1A1中HAZ晶 和外围MnS组成；而30Mg20Al中的MgO-MnS 内组织为塑性的IAF,而30Mg20A1中的为脆性侧 复合夹杂物为多个细小的MgO粒子嵌入MnS,如 板条铁素体.故未添加Al的Mg脱氧钢HAZ韧性 图3(f)所示.30Mg20A1中这种复合夹杂物不能作 较添加A1的更加优异 为IAF形核核心，如图3(e)所示.30 Mg1Al中，由 于HAZ组织中的MgO-MnS复合夹杂物诱发形 参考文献 成发达的IAF,从而获得优异的400kJcm大线能 [1]Pervushin G V,Suito H.Effect of primary deoxidation products of 量焊接HAZ韧性.而30Mg20AI中缺乏诱发IAF Al2O3,ZrOz.Ce2O;and Mgo on TiN precipitation in 形核核心，无法抑制FSP的形成.因此，30Mg20Al Fe-10mass%Ni alloy./S/J /nt,2001,41(7):748 的HAZ韧性恶化. [2]Kimura S,Nakajima K,Mizoguchi S.Behavior of alumina- magnesia complex inclusions and magnesia inclusions on the 3结论 surface of molten low-carbon steels.Metall Mater Trans B,2001, 32(1):79 (1)未添加A1的30Mg1A1钢中夹杂物数量密 [3]Park S C,Jung I H,Oh K S,et al.Effect of Al on the evolution of 度为96.65mm2,与添加A1的30Mg20A1钢中的 non-metallic inclusions in the Mn-Si-Ti-Mg deoxidized steel 95.03mm2接近.而前者夹杂物平均尺寸为3.47m, during solidification:Experiments and thermodynamic calcu- 大于后者的2.03m. lations.ISU1m,2004,44(6:1016 (2)尽管30Mg1A1和30Mg20A1钢中主要氧硫 [4]Ohta H,Suito H.Characteristics of particle size distribution of 化物复合夹杂物成分均为MgO-MnS,但二者的 deoxidation products with Mg,Zr,Al,Ca,Si/Mn and Mg/Al in 形貌明显不同.前者由中心的单一MgO粒子与外 Fe-10mass%Ni alloy.IS/J /nt,2006,46(1):14 [5]Ohta H,Suito H.Effects of dissolved oxygen and size distribution 围MnS相组成，而后者为数个细小MgO粒子嵌 on particle coarsening of deoxidation product./S/J Int,2006, 入MnS相中 46(1):42 (3)由于30 Mg1Al中的MgO-MnS复合夹杂 [6]Takamura J,Mizoguchi S.Metallurgy of oxides in steels:I. 物能诱发晶内针状铁素体形核，而30Mg20A1中的 Roles of oxides in steels performance /The Sixth International
为形核核心的 MgO‒MnS 复合夹杂物由中心 MgO 和外围 MnS 组成 ；而 30Mg20Al 中的 MgO ‒MnS 复合夹杂物为多个细小的 MgO 粒子嵌入 MnS，如 图 3（f）所示. 30Mg20Al 中这种复合夹杂物不能作 为 IAF 形核核心，如图 3（e）所示. 30Mg1Al 中，由 于 HAZ 组织中的 MgO‒MnS 复合夹杂物诱发形 成发达的 IAF，从而获得优异的 400 kJ·cm−1 大线能 量焊接 HAZ 韧性. 而 30Mg20Al 中缺乏诱发 IAF 形核核心，无法抑制 FSP 的形成. 因此，30Mg20Al 的 HAZ 韧性恶化. 3 结论 （1）未添加 Al 的 30Mg1Al 钢中夹杂物数量密 度 为 96.65 mm−2，与添 加 Al 的 30Mg20Al 钢 中 的 95.03 mm−2 接近. 而前者夹杂物平均尺寸为 3.47 μm， 大于后者的 2.03 μm. （2）尽管 30Mg1Al 和 30Mg20Al 钢中主要氧硫 化物复合夹杂物成分均为 MgO‒MnS，但二者的 形貌明显不同. 前者由中心的单一 MgO 粒子与外 围 MnS 相组成，而后者为数个细小 MgO 粒子嵌 入 MnS 相中. （3）由于 30Mg1Al 中的 MgO‒MnS 复合夹杂 物能诱发晶内针状铁素体形核，而 30Mg20Al 中的 该类型夹杂物却不具备，所以 30Mg1Al 中 HAZ 晶 内组织为塑性的 IAF，而 30Mg20Al 中的为脆性侧 板条铁素体. 故未添加 Al 的 Mg 脱氧钢 HAZ 韧性 较添加 Al 的更加优异. 参 考 文 献 Pervushin G V, Suito H. Effect of primary deoxidation products of Al2O3 , ZrO2 , Ce2O3 and MgO on TiN precipitation in Fe−10mass%Ni alloy. ISIJ Int, 2001, 41（7）: 748 [1] Kimura S, Nakajima K, Mizoguchi S. Behavior of aluminamagnesia complex inclusions and magnesia inclusions on the surface of molten low-carbon steels. Metall Mater Trans B, 2001, 32（1）: 79 [2] Park S C, Jung I H, Oh K S, et al. Effect of Al on the evolution of non-metallic inclusions in the Mn−Si−Ti−Mg deoxidized steel during solidification: Experiments and thermodynamic calculations. ISIJ Int, 2004, 44（6）: 1016 [3] Ohta H, Suito H. Characteristics of particle size distribution of deoxidation products with Mg, Zr, Al, Ca, Si/Mn and Mg/Al in Fe−10mass%Ni alloy. ISIJ Int, 2006, 46（1）: 14 [4] Ohta H, Suito H. Effects of dissolved oxygen and size distribution on particle coarsening of deoxidation product. ISIJ Int, 2006, 46（1）: 42 [5] Takamura J, Mizoguchi S. Metallurgy of oxides in steels: Ⅰ. Roles of oxides in steels performance // The Sixth International [6] (a) (d) (e) 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm O O Kα1 Mn Kα1 S Mn (b) (c) MnS MgO 20 μm 2 μm Mg Kα1 2 IAF Nucleant 1 2 3 4 GBF FSP Mg S Kα1 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm O O Kα1 Mn Kα1 S Mn (f) MnS MgO 20 μm 2 μm Mg Kα1 2 Non-nucleant GBF Mg S Kα1 图 3 HAZ 组织中夹杂物形貌及扫描电镜面扫描图像. （a～c）3Mg1Al；（d～f）3Mg20Al Fig.3 Morphologies and SEM mapping images of the inclusions in the HAZ microstructures for experimental steels: (a−c) 3Mg1Al; (d−f) 3Mg20Al · 12 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1
徐龙云等：Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响 ·13 Iron and Steel Congress.Nagaya,1990:591 with Mg deoxidation.Stee/Res Int,2017,88(12):1700157 [7]Hu Z Y,Yang C W,Jiang M,et al.In situ observation of [15]Zhang Y H,Yang J,Xu L Y,et al.The effect of Ca content on the intragranular acicular ferrite nucleated on complex titanium- formation behavior of inclusions in the heat affected zone of thick containing inclusions in titanium deoxidized steel.Acta Metall Sin, high-strength low-alloy steel plates after large heat input weldings. 2011,47(8):971 Me1als,2019,9(12):1328 (胡志勇，杨成威，姜敏，等.T脱氧钢含T复合夹杂物诱导品内 [16]Sarma DS,Karasev A V,Jonsson P G.On the role of non-metallic 针状铁素体的原位观察.金属学报，2011,47(8)：971) inclusions in the nucleation of acicular ferrite in steels./SI Int, [8]Song MM,Song B.Hu C L,et al.Effect of Ti-Mg complex 2009,49(7):1063 deoxidation on the microstructure and impact properties of HAZ in [17]Lee JL,Pan Y T.Effect of sulfur content on the microstructure steel.Chin J Eng,2015,37(7):883 and toughness of simulated heat-affected zone in Ti-killed steels. (宋明明，宋波，胡春林，等.T-Mg复合脱氧对钢热影响区组织 Metall Trans A,1993,24(6):1399 和冲击性能的影响.工程科学学报，2015,37(7)：883) [18]Mabuchi H,Uemori R,Fujioka M.The role of Mn depletion in [9]Zheng W,Wu Z H,Li G Q,et al.Effects of Ti-Mg complex intra-granular ferrite transformation in the heat affected zone of deoxidation and sulfur content on the characteristics of inclusions welded joints with large heat input in structural steels./SI/Int, and the precipitation behavior of MnS.Chin J Eng,2015,37(3): 1996,36(11):1406 292 [19]Lee T K,Kim HJ,Kang B Y,et al.Effect of inclusion size on the (郑万，吴振华，李光强，等.Ti-Mg复合脱氧和硫含量对钢中夹 nucleation of acicular ferrite in welds.ISI/Int,2000,40(12):1260 杂物特征及MS析出行为的影响.工程科学学报，2015,37(3)片： [20]Kang Y B,Lee H G.Thermodynamic analysis of Mn-depleted 292) near Ti oxide inclusions for intragranular nucleation of ferrite in [10]Wan X L,Li G Q,Wu K M.In-situ observations of grain steel.SIJ Int,2010,50(4):501 refinement by TiN particles in the simulated coarse-grained heat- [21]Zhang C J,Gao L N,Zhu L G.Effect of inclusion size and type on affected zone of a high-strength low-alloy steel.Chin Eng,2016, the nucleation of acicular ferrite in high strength ship plate steel 38(3):371 SWlm,2018,58(5:965 (万响亮，李光强，吴开明.原位观察TN粒子对低合金高强度钢 [22]Xu L Y,Yang J,Wang R Z,et al.Effect of Mg content on the 模拟焊接热影响区粗品区品粒细化作用.工程科学学报，2016， microstructure and toughness of heat-affected zone of steel plate 38(3):371) after high heat input welding.Metall Mater Trans ,2016,47(7): [11]Xu L Y.Yang J.Effects of Mg content on characteristics of 3354 nanoscale TiN particles and toughness of heat-affected zones of [23]Xu L Y,Yang J,Wang R Z.et al.Effect of Mg addition on steel plates after high-heat-input welding.Metall Mater Trans 4. formation of intragranular acicular ferrite in heat-affected zone of 2020,51(9):4540 steel plate after high-heat-input welding.ron Steel Res,018. [12]Yang J,Xu L Y,Zhu K,et al.Improvement of HAZ toughness of 25(4):433 steel plate for high heat input welding by inclusion control with [24]Lou H N,Wang C,Wang B X,et al.Inclusion evolution behavior Mg deoxidation.Steel Res Int,2015,86(6):619 of Ti-Mg oxide metallurgy steel and its effect on a high heat input [13]Li X B,Min Y,Yu Z,et al.Effect of Mg addition on nucleation of welding HAZ.Metals,2018,8(7):534 intra-granular acicular ferrite in Al-killed low carbon steel./ron [25]Chai F,Yang C F,Hang S,et al.Effect of magnesium on inclusion Steel Res Int,.2016,23(5):415 formation in Ti-killed steels and microstructural evolution in [14]Xu L Y,Yang J,Wang R Z,et al.Effect of welding heat input on welding induced coarse-grained heat affected zone.J /ron Steel microstructure and toughness of heated-affected zone in steel plate Res Int,,2009,16(1):69
Iron and Steel Congress. Nagaya, 1990: 591 Hu Z Y, Yang C W, Jiang M, et al. In situ observation of intragranular acicular ferrite nucleated on complex titaniumcontaining inclusions in titanium deoxidized steel. Acta Metall Sin, 2011, 47（8）: 971 （胡志勇, 杨成威, 姜敏, 等. Ti脱氧钢含Ti复合夹杂物诱导晶内 针状铁素体的原位观察. 金属学报, 2011, 47（8）：971） [7] Song M M, Song B, Hu C L, et al. Effect of Ti ‒Mg complex deoxidation on the microstructure and impact properties of HAZ in steel. Chin J Eng, 2015, 37（7）: 883 （宋明明, 宋波, 胡春林, 等. Ti‒Mg复合脱氧对钢热影响区组织 和冲击性能的影响. 工程科学学报, 2015, 37（7）：883） [8] Zheng W, Wu Z H, Li G Q, et al. Effects of Ti ‒Mg complex deoxidation and sulfur content on the characteristics of inclusions and the precipitation behavior of MnS. Chin J Eng, 2015, 37（3）: 292 （郑万, 吴振华, 李光强, 等. Ti‒Mg复合脱氧和硫含量对钢中夹 杂物特征及MnS析出行为的影响. 工程科学学报, 2015, 37（3）： 292） [9] Wan X L, Li G Q, Wu K M. In-situ observations of grain refinement by TiN particles in the simulated coarse-grained heataffected zone of a high-strength low-alloy steel. Chin J Eng, 2016, 38（3）: 371 （万响亮, 李光强, 吴开明. 原位观察TiN粒子对低合金高强度钢 模拟焊接热影响区粗晶区晶粒细化作用. 工程科学学报, 2016, 38（3）：371） [10] Xu L Y, Yang J. Effects of Mg content on characteristics of nanoscale TiN particles and toughness of heat-affected zones of steel plates after high-heat-input welding. Metall Mater Trans A, 2020, 51（9）: 4540 [11] Yang J, Xu L Y, Zhu K, et al. Improvement of HAZ toughness of steel plate for high heat input welding by inclusion control with Mg deoxidation. Steel Res Int, 2015, 86（6）: 619 [12] Li X B, Min Y, Yu Z, et al. Effect of Mg addition on nucleation of intra-granular acicular ferrite in Al-killed low carbon steel. J Iron Steel Res Int, 2016, 23（5）: 415 [13] Xu L Y, Yang J, Wang R Z, et al. Effect of welding heat input on microstructure and toughness of heated-affected zone in steel plate [14] with Mg deoxidation. Steel Res Int, 2017, 88（12）: 1700157 Zhang Y H, Yang J, Xu L Y, et al. The effect of Ca content on the formation behavior of inclusions in the heat affected zone of thick high-strength low-alloy steel plates after large heat input weldings. Metals, 2019, 9（12）: 1328 [15] Sarma D S, Karasev A V, Jönsson P G. On the role of non-metallic inclusions in the nucleation of acicular ferrite in steels. ISIJ Int, 2009, 49（7）: 1063 [16] Lee J L, Pan Y T. Effect of sulfur content on the microstructure and toughness of simulated heat-affected zone in Ti-killed steels. Metall Trans A, 1993, 24（6）: 1399 [17] Mabuchi H, Uemori R, Fujioka M. The role of Mn depletion in intra-granular ferrite transformation in the heat affected zone of welded joints with large heat input in structural steels. ISIJ Int, 1996, 36（11）: 1406 [18] Lee T K, Kim H J, Kang B Y, et al. Effect of inclusion size on the nucleation of acicular ferrite in welds. ISIJ Int, 2000, 40（12）: 1260 [19] Kang Y B, Lee H G. Thermodynamic analysis of Mn-depleted near Ti oxide inclusions for intragranular nucleation of ferrite in steel. ISIJ Int, 2010, 50（4）: 501 [20] Zhang C J, Gao L N, Zhu L G. Effect of inclusion size and type on the nucleation of acicular ferrite in high strength ship plate steel. ISIJ Int, 2018, 58（5）: 965 [21] Xu L Y, Yang J, Wang R Z, et al. Effect of Mg content on the microstructure and toughness of heat-affected zone of steel plate after high heat input welding. Metall Mater Trans A, 2016, 47（7）: 3354 [22] Xu L Y, Yang J, Wang R Z, et al. Effect of Mg addition on formation of intragranular acicular ferrite in heat-affected zone of steel plate after high-heat-input welding. J Iron Steel Res Int, 2018, 25（4）: 433 [23] Lou H N, Wang C, Wang B X, et al. Inclusion evolution behavior of Ti‒Mg oxide metallurgy steel and its effect on a high heat input welding HAZ. Metals, 2018, 8（7）: 534 [24] Chai F, Yang C F, Hang S, et al. Effect of magnesium on inclusion 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 [25] 徐龙云等： Mg 脱氧夹杂物对大线能量焊接 HAZ 组织的影响 · 13 ·
