Q1030焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理.pdf_大学文库

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.12.006 第33卷第12期北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 Q1030焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理肖荣亭”于浩)☒周平2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)莱芜钢铁集团有限公司，莱芜271104 区通信作者，E-mail:yhzhmr@126.com 摘要研究了Q1030钢在不同加热温度下的奥氏体晶粒长大现象.在一定温度范围内加热时，Q1030钢的部分奥氏体晶粒异常长大而出现混晶现象.分析了位于不同位置的析出相粒子对阻碍奥氏体晶粒长大的作用，用热力学方法计算不同加热温度下析出相粒子的大小和体积分数，并得出了析出相粒子钉扎阻力随加热温度的变化关系.结果表明，在一定温度范围内钉扎阻力迅速减小，导致部分晶粒异常长大，产生混品现象关键词高强钢：加热温度：晶粒生长；析出相；钉扎力分类号TG142.41 Abnormal grain growth mechanism of austenite in high-strength welded steel Q1030 A0 Rong-ting》,YU Hao》☒，ZHOU Ping2 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Laiwu Iron Steel Group Co.Ld.,Laiwu 271104,China Corresponding author,E-mail:yhzhmr@126.com ABSTRACT Austenite grain growth phenomena of Q1030 steel at different heating temperatures were studied.In a certain heating temperature range,parts of austenite grains in Q1030 steel grow abnormally,leading to mixed grain phenomena.The inhibition effect of precipitated phase particles at different locations on grain growth was analyzed.The size and volume fraction of the particles at different heating temperatures were calculated by thermodynamic methods,and then the relationship between the pinning force of the particles and heating temperature was discussed.The result shows that the pinning force of the particles reduces sharply in a certain temperature range,resulting in the abnormal growth of partial austenite grains and producing the mixed grain phenomena. KEY WORDS high strength steel:heating temperature;grain growth:precipitates;pinning force Q1030工程机械用焊接高强钢采用低碳、微合大行为，并阐述了析出相粒子对混晶现象产生的作金化设计，使钢在保证较高强度的同时，具有较好的用机理. 焊接性能.钢中的Nb、V等微合金元素可以与C、N 形成一系列的析出相粒子，在加热过程中这些 1实验材料与方法析出相粒子通过“钉扎”晶界的方式阻碍晶粒长大，实验材料为在实验室治炼和轧制的Q1030钢，起到明显的细化晶粒效果.晶粒的细化可以同时提其化学成分如表1所示. 高钢的强度和塑性；但部分含有Nb、V等微合金元在板坯上取12mm×12mm×10mm的方形试素的钢在一定温度范围内加热保温时，会出现部分样，采用箱式电阻炉加热保温，加热温度分别为晶粒异常长大的混晶现象，对钢的性能造成不 950、1000、1050、1100、1150和1200℃，保温时间为利影响.目前对这种微合金元素钢中晶粒异常长大 30min.保温到预定时间后，立即淬水，以保留原始现象的产生机理尚无系统性研究，本文通过实验方奥氏体晶界.淬水后对试样进行预磨、抛光，然后用法观察了不同加热温度下Q1030的奥氏体晶粒长饱和苦味酸，十二烷基苯磺酸钠和盐酸按一定比例收稿日期：201103-一18

第 33 卷第 12 期 2011 年 12 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 Q1030 焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理肖荣亭1) 于浩1) 周平2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 莱芜钢铁集团有限公司，莱芜 271104 通信作者，E-mail: yhzhmr@ 126． com 摘要研究了 Q1030 钢在不同加热温度下的奥氏体晶粒长大现象．在一定温度范围内加热时，Q1030 钢的部分奥氏体晶粒异常长大而出现混晶现象．分析了位于不同位置的析出相粒子对阻碍奥氏体晶粒长大的作用，用热力学方法计算不同加热温度下析出相粒子的大小和体积分数，并得出了析出相粒子钉扎阻力随加热温度的变化关系．结果表明，在一定温度范围内钉扎阻力迅速减小，导致部分晶粒异常长大，产生混晶现象．关键词高强钢; 加热温度; 晶粒生长; 析出相; 钉扎力分类号 TG142. 41 Abnormal grain growth mechanism of austenite in high-strength welded steel Q1030 XIAO Rong-ting1) ，YU Hao 1) ，ZHOU Ping2) 1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Laiwu Iron ＆ Steel Group Co． Ltd．，Laiwu 271104，China Corresponding author，E-mail: yhzhmr@ 126． com ABSTRACT Austenite grain growth phenomena of Q1030 steel at different heating temperatures were studied． In a certain heating temperature range，parts of austenite grains in Q1030 steel grow abnormally，leading to mixed grain phenomena． The inhibition effect of precipitated phase particles at different locations on grain growth was analyzed． The size and volume fraction of the particles at different heating temperatures were calculated by thermodynamic methods，and then the relationship between the pinning force of the particles and heating temperature was discussed． The result shows that the pinning force of the particles reduces sharply in a certain temperature range，resulting in the abnormal growth of partial austenite grains and producing the mixed grain phenomena． KEY WORDS high strength steel; heating temperature; grain growth; precipitates; pinning force 收稿日期: 2011--03--18 Q1030 工程机械用焊接高强钢采用低碳、微合金化设计，使钢在保证较高强度的同时，具有较好的焊接性能．钢中的 Nb、V 等微合金元素可以与 C、N 形成一系列的析出相粒子［1--2］，在加热过程中这些析出相粒子通过“钉扎”晶界的方式阻碍晶粒长大，起到明显的细化晶粒效果．晶粒的细化可以同时提高钢的强度和塑性; 但部分含有 Nb、V 等微合金元素的钢在一定温度范围内加热保温时，会出现部分晶粒异常长大的混晶现象［3--4］，对钢的性能造成不利影响．目前对这种微合金元素钢中晶粒异常长大现象的产生机理尚无系统性研究，本文通过实验方法观察了不同加热温度下 Q1030 的奥氏体晶粒长大行为，并阐述了析出相粒子对混晶现象产生的作用机理． 1 实验材料与方法实验材料为在实验室冶炼和轧制的 Q1030 钢，其化学成分如表 1 所示．在板坯上取 12 mm × 12 mm × 10 mm 的方形试样，采用箱式电阻炉加热保温，加热温度分别为 950、1000、1050、1100、1150 和 1200 ℃，保温时间为 30 min．保温到预定时间后，立即淬水，以保留原始奥氏体晶界．淬水后对试样进行预磨、抛光，然后用饱和苦味酸，十二烷基苯磺酸钠和盐酸按一定比例 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.006

第12期肖荣亭等：Q1030焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理 ·1459· 表1实验钢的主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steel % C Si Mn Cu B Al Cr,Ni,Mo,Nb,V 0.16-0.18 0.3-0.5 1.05~1.3 0.38-0.42 0.0012-0.020 0.02-0.04 1.25 配好的溶液浸蚀，用光学显微镜观察原始奥氏体晶均匀，平均尺寸约为17um;加热温度升高至1050℃ 粒形貌，采用截线法测定奥氏体晶粒平均尺寸，所测时，晶粒平均尺寸增加至约20um;加热温度为定的晶粒数不少于200个 1100℃时，晶粒平均尺寸约为40μm,但此时晶粒尺寸均匀性严重下降，部分晶粒异常长大，出现了混晶 2 实验结果和分析现象：加热温度升高至1150℃时，晶粒集体长大，平均 2.1加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响尺寸约为60m.由此可见，随着加热温度的升高，晶不同加热温度下，奥氏体晶粒尺寸变化情况如粒长大速度增加的越来越快；当加热温度升高至某一图1所示.加热温度为950℃时，奥氏体晶粒细小而温度范围内时，部分晶粒异常长大，产生混晶现象。 20μm 20m 20m 图1不同加热温度下保温0.5h的原始奥氏体组织.(a)950℃：(b)1050℃：(c)1100℃：(d)1150℃ Fig.1 Austenite grains of the steel heated at different temperatures for0.5h:(a)950℃：(b)1050℃；(c）1100℃：(d)1150℃ 2.2析出相粒子对奥氏体晶粒的钉扎作用式(1)中假设析出相粒子均位于两晶粒交界钢发生奥氏体转变后，晶粒在降低界面自由能处，如图2(a)所示的a类位置.实际上，有些析的驱动力作用下长大，但同时位于晶界的析出相粒出相粒子会位于多个晶粒的结点处，如图2(a)所示子通过对晶界的钉扎作用，阻碍晶界迁移，从而降低的B类位置，位于这种特殊位置的析出相粒子会产晶粒长大速度，析出相粒子数量越多，半径越小，钉生更大的钉扎效果，阻碍奥氏体晶粒长大的作用也扎作用越强.Zener首先提出了析出相粒子对奥氏更加明显.晶粒尺寸越小，析出相粒子数量越多，位体晶粒长大的钉扎阻力计算公式同：于结点处的析出相粒子就越多，如图2(b)因所示 f兴4 (1) Brechet和Militzer提出了描述这种结点数量的参数N,并修正了Zener的钉扎阻力计算公式如下：式中，k。K,为几何常数，y为界面能，r为析出相粒当n<N时子半径，f为析出相粒子的体积分数，F2为钉轧阻力 F=(尺)KakD

第 12 期肖荣亭等: Q1030 焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理表 1 实验钢的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of experimental steel % C Si Mn Cu B Al Cr，Ni，Mo，Nb，V 0. 16 ～ 0. 18 0. 3 ～ 0. 5 1. 05 ～ 1. 3 0. 38 ～ 0. 42 0. 001 2 ～ 0. 020 0. 02 ～ 0. 04 1. 25 配好的溶液浸蚀，用光学显微镜观察原始奥氏体晶粒形貌，采用截线法测定奥氏体晶粒平均尺寸，所测定的晶粒数不少于 200 个． 2 实验结果和分析 2. 1 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响不同加热温度下，奥氏体晶粒尺寸变化情况如图 1 所示．加热温度为950 ℃时，奥氏体晶粒细小而均匀，平均尺寸约为 17 μm; 加热温度升高至 1 050 ℃ 时，晶粒平均尺寸增加至约 20 μm; 加热温度为 1 100 ℃时，晶粒平均尺寸约为 40 μm，但此时晶粒尺寸均匀性严重下降，部分晶粒异常长大，出现了混晶现象; 加热温度升高至 1 150 ℃时，晶粒集体长大，平均尺寸约为 60 μm．由此可见，随着加热温度的升高，晶粒长大速度增加的越来越快; 当加热温度升高至某一温度范围内时，部分晶粒异常长大，产生混晶现象．图 1 不同加热温度下保温 0. 5 h 的原始奥氏体组织 . ( a) 950 ℃ ; ( b) 1 050 ℃ ; ( c) 1 100 ℃ ; ( d) 1 150 ℃ Fig． 1 Austenite grains of the steel heated at different temperatures for 0. 5 h: ( a) 950 ℃ ; ( b) 1 050 ℃ ; ( c) 1 100 ℃ ; ( d) 1 150 ℃ 2. 2 析出相粒子对奥氏体晶粒的钉扎作用钢发生奥氏体转变后，晶粒在降低界面自由能的驱动力作用下长大，但同时位于晶界的析出相粒子通过对晶界的钉扎作用，阻碍晶界迁移，从而降低晶粒长大速度，析出相粒子数量越多，半径越小，钉扎作用越强． Zener 首先提出了析出相粒子对奥氏体晶粒长大的钉扎阻力计算公式［5］: FZ = 2ks KV ·γf r ( 1) 式中，ks、KV为几何常数，γ 为界面能，r 为析出相粒子半径，f 为析出相粒子的体积分数，FZ 为钉轧阻力．式( 1) 中假设析出相粒子均位于两晶粒交界处，如图 2( a) ［6］所示的 α 类位置．实际上，有些析出相粒子会位于多个晶粒的结点处，如图 2( a) 所示的 β 类位置，位于这种特殊位置的析出相粒子会产生更大的钉扎效果，阻碍奥氏体晶粒长大的作用也更加明显．晶粒尺寸越小，析出相粒子数量越多，位于结点处的析出相粒子就越多，如图 2( b) ［6］所示． Bréchet 和 Militzer ［7］提出了描述这种结点数量的参数 N* ，并修正了 Zener 的钉扎阻力计算公式如下: 当 n ＜ N* 时 FP = ( n N* ) K0 ( α0 ksγr) 1 KAD2 ; ·1459·

·1460 北京科技大学学报第33卷当n>W时 K (4) Fk+(n)(2kyr) KD2 (2) N'=KD' 可以看出：析出相粒子的体积分数越大，半径越小，n 式中，K。、K和a均为将析出相粒子近似为球形时值越大；奥氏体晶粒尺寸越大，N值越小.n值越的几何常数，D为奥氏体晶粒尺寸，n为析出相粒子大，N值越小，析出相粒子位于晶粒结点处的概率数量.n和N的计算公式为团：就越大 f n= (3) a 0 图2析出相粒子钉扎位置示意图因 Fig.2 Pinning position of precipitated phase particles 2.3析出相粒子的体积分数与尺寸将实验钢中锰元素的质量分数代入式(5)，得到由于实验钢中N含量较少，且含有一定量的B, NbC在实验钢中的溶度积公式：因此析出物主要为NbC.HSLA钢中，大多数合金元 lgNb][C]=2.476-7157/T (6) 素均对Nb在奥氏体中的溶解行为有一定影响，但由沉淀析出元素的质量必须满足其在第二相中的理 Mn对Nb固溶的Wagner相互作用参数较大且实验想化学配比可以得到：钢中Mn的含量较高，主要考虑Mn对Nb固溶行为的影响，因此NbC的溶度积公式如下网： (0.03-Nb])/(0.17-[C])=7.74 (7) lgNb][C]=3.555-8800/T+(13961T- 联立式(6)和式(7)，可以得到温度为T时Nb元素 0.899)Mn] (5) 的固溶量Nb],如表2所示表2不同加热温度下Nb元素的固溶量 Table 2 Solid solution content of Nb at different heating temperatures 温度/K 1223 1273 1323 1373 1423 1473 Nh]/% 0.00253 0.00429 0.00697 0.01094 0.01661 0.02447 由表2可以看出，Nb元素的固溶量随加热温度 mgm-3;A、Ac分别为元素Nb和C的相对原子质的升高而增大.在一定温度下，Nb固溶于铁基体的量.将表2中的数据代入式(8)，得到不同加热温度量为Nb],则NbC相中的量为Nb-Nb],由此可下NbC析出相的体积分数，如表3所示以计算出在该温度下平衡析出的NbC相在钢中所表3不同加热温度下NbC析出相的体积分数占的体积分数∫为图： Table 3 Volume fraction of NbC at different heating temperatures f=(Nb [Nb]+C-[C])100d= 温度/K122312731323137314231473 (b-Nb])4+Ae4. 体积分数10-43.132.932.622.171.530.63 (8) ANh 100dNic Lifshitz和Slyozov最早研究并确立了析出相粒式中：de、dvc分别为铁基体和NbC析出相的密度，子的长大动力学，描述析出粒子长大的方程为0：

北京科技大学学报第 33 卷当 n ＞ N* 时 FP = K0α0 ksγr KAD2 + ( n － N* ) ( 2ksγr 2 ) ( 2) 式中，K0、KA和 α0均为将析出相粒子近似为球形时的几何常数，D 为奥氏体晶粒尺寸，n 为析出相粒子数量． n 和 N* 的计算公式为［7］: n = f KVr 3 ( 3) N* = K0 KVD3 ( 4) 可以看出: 析出相粒子的体积分数越大，半径越小，n 值越大; 奥氏体晶粒尺寸越大，N* 值越小． n 值越大，N* 值越小，析出相粒子位于晶粒结点处的概率就越大．图 2 析出相粒子钉扎位置示意图［6］ Fig． 2 Pinning position of precipitated phase particles 2. 3 析出相粒子的体积分数与尺寸由于实验钢中 N 含量较少，且含有一定量的 B，因此析出物主要为 NbC． HSLA 钢中，大多数合金元素均对 Nb 在奥氏体中的溶解行为有一定影响，但 Mn 对 Nb 固溶的 Wagner 相互作用参数较大且实验钢中 Mn 的含量较高，主要考虑 Mn 对 Nb 固溶行为的影响，因此 NbC 的溶度积公式如下［8］: lg ［Nb］［C］= 3. 555 － 8 800 /T + ( 1 396 /T － 0. 899) ［Mn］ ( 5) 将实验钢中锰元素的质量分数代入式( 5) ，得到 NbC 在实验钢中的溶度积公式: lg ［Nb］［C］= 2. 476 － 7 157 /T ( 6) 由沉淀析出元素的质量必须满足其在第二相中的理想化学配比可以得到: ( 0. 03 －［Nb］) /( 0. 17 －［C］) = 7. 74 ( 7) 联立式( 6) 和式( 7) ，可以得到温度为 T 时 Nb 元素的固溶量［Nb］，如表 2 所示．表 2 不同加热温度下 Nb 元素的固溶量 Table 2 Solid solution content of Nb at different heating temperatures 温度/K 1 223 1 273 1 323 1 373 1 423 1 473 ［Nb］/% 0. 002 53 0. 004 29 0. 006 97 0. 010 94 0. 016 61 0. 024 47 由表 2 可以看出，Nb 元素的固溶量随加热温度的升高而增大．在一定温度下，Nb 固溶于铁基体的量为［Nb］，则 NbC 相中的量为 Nb －［Nb］，由此可以计算出在该温度下平衡析出的 NbC 相在钢中所占的体积分数 f 为［8］: f = ( Nb －［Nb］+ C －［C］) dFe 100dNbC = ( Nb －［Nb］) ANb + AC ANb dFe 100dNbC ( 8) 式中: dFe、dNbC分别为铁基体和 NbC 析出相的密度， mg·m － 3 ; ANb、AC分别为元素 Nb 和 C 的相对原子质量．将表 2 中的数据代入式( 8) ，得到不同加热温度下 NbC 析出相的体积分数，如表 3 所示．表 3 不同加热温度下 NbC 析出相的体积分数 Table 3 Volume fraction of NbC at different heating temperatures 温度/K 1 223 1 273 1 323 1 373 1 423 1 473 体积分数/10 － 4 3. 13 2. 93 2. 62 2. 17 1. 53 0. 63 Lifshitz 和 Slyozov 最早研究并确立了析出相粒子的长大动力学，描述析出粒子长大的方程为［9--10］: ·1460·

第 12 期肖荣亭等: Q1030 焊接高强钢的奥氏体晶粒异常长大机理 r 3 － r 3 0 = 8γVm Cm Dm 9RT t ( 9) 式中: r 为长大后析出相粒子半径，cm; r0为初始的析出相粒子半径，cm; γ 为界面能 ( 800 × 10 － 7 J· cm － 1 ) ; Vm为摩尔体积( VNbC = 13. 75 cm2 ·mol － 1 ) ; Dm 为固溶原子在基体中的扩散系数，cm2 ·s － 1 ; Cm为在基体中的固溶量; R 为摩尔气体常数( 8. 314 J·mol － 1 · K － 1 ) ; T 为固溶温度，K; t 为粗化时间，s．假设初始粒子半径 r0 = 10 － 6 cm，将表 2 中的数据代入式( 9) ，得到不同温度下保温 30 min 时，长大后的析出相粒子半径如表 4 所示．表 4 不同加热温度下保温 30 min 时的析出相粒子半径 Table 4 Particle radius of the steel heated at different temperatures for 30 min 温度/K 1 223 1 273 1 323 1 373 1 423 1 473 r/10 － 7 cm 46. 6 45. 7 50. 4 58. 6 75. 9 104. 3 图 3 为析出相粒子体积分数和半径与加热温度的变化关系曲线．可以看出: 随加热温度的升高，析出相粒子半径呈指数关系增大，如图 3 中曲线 a 所示; 析出相粒子的体积分数呈倒指数关系减小，如图 3 中曲线 b 所示．图 3 析出相粒子的体积分数和半径与加热温度的关系 Fig． 3 Effects of heating temperature on the volume fraction and radius of precipitated phase particles 2. 4 析出相粒子的钉扎阻力随温度的变化关系将不同温度下析出相粒子的体积分数和半径值代入式( 3) ，晶粒尺寸的测量值代入式( 4) ，分别计算相应温度下的析出相粒子数 n 和结点数 N* ，比较不同温度下 n 和 N* 值的大小，并根据式( 2) 计算相应的钉扎阻力 FP，结果如图 4 所示．可以看出，随加热温度的升高，由于析出相粒子的溶解与粗化和奥氏体晶粒的长大，n 和 N* 均逐渐减小，但 N* 减小得更快．当加热温度较低时，N* ＞ n，析出相粒子位于组织中 β 类位置的概率较大，且此时的析出相粒子数量多、半径小，因此产生的钉扎力较大; 当加热温度较高时，N* ＜ n，析出相粒子位于组织中 β 类位置的概率减小，且此时的析出相粒子数量少、半径大，产生的钉扎力便迅速下降．由图 4 可以看出: 当 Q1030 钢的加热温度由 1 223 K 升高至 1 323 K 时钉扎力下降了 16% ，而当加热温度由 1 323 K 升高至 1 423 K时钉扎力下降了 72% ，加热温度继续升高时，析出相粒子已经大部分溶解，钉扎力已十分微弱，下降趋势也减缓．因此，在 Q1030 钢的加热过程中，当加热温度在 1 050 ～ 1 150 ℃ 间时，由于晶粒长大阻力的迅速减小，部分晶粒可以优先摆脱析出相粒子的束缚而迅速长大，产生混晶现象．图 4 n，N* 和 FP随加热温度的变化关系 Fig． 4 Variations of n，N* and FP with heating temperature 3 结论在 Q1030 钢加热过程中，随着温度的升高，析出相粒子的溶解与粗化逐渐加快，且位于奥氏体晶粒结点处的概率减小，导致析出相粒子的钉扎阻力在一定温度范围内迅速减小，部分晶粒可以优先摆脱析出相粒子的束缚而迅速长大，产生混晶现象．参考文献［1］ Zhang P C，Wu H B，Tang D，et al． Dissolving behaviors of carbonitrides in Nb-V-Ti and V-Ti microalloying steels． Acta Metall Sin，2007，43( 7) : 753 ( 张鹏程，武会宾，唐荻，等． Nb-V-Ti 和 V-Ti 微合金钢中碳氮化物的回溶行为．金属学报，2007，43( 7) : 753) ［2］ Wang A D，Liu G Q，Liu S X，et al． Thermodynamic calculations of carbonitrides in V-Ti-N microalloyed steels for non-quenched / tempered seamless oil-well tubes． J Univ Sci Technol Beijing， 2006，28( 9) : 823 ( 王安东，刘国权，刘胜新，等． V-Ti-N 微合金非调质无缝油井管钢中碳氮化物的热力学计算．北京科技大学学报，2006， 28( 9) : 823) ·1461·