·140 北京科技大学学报 第34卷 氏体分割开来，达到晶粒细化的作用，提高了低温 物尺寸多在1~3μm范围内，Ts5为40s时，夹杂 韧性.由图4(c)可见，当Tgs达100s时，钢中仍可 物尺寸分布无太大变化；而当Tss增大至100s,与 观察到尺寸约为2.2um锆-钛复合夹杂物，起到 母材相比，1μm以下及4μm以上夹杂物数量明显 诱导针状铁素体形核的作用.在该焊接条件下，也 增多.可见在大热输入焊接下，HAZ组织在高温 发现一些粗化的夹杂物，如图4(d)箭头1所指，夹 区停留时间过长，钢中夹杂物的固溶态质量分数 杂物尺寸达5um以上，该尺寸的复合夹杂物诱导 发生一定的变化.Tss较小时，针状铁素体的形核 针状铁素体形核作用基本消失：但与此同时，也可与母材中已存在的夹杂物有关；Ts增大过程中会 以发现一些2um以下小颗粒夹杂物出现，如图4导致一些夹杂物粗化，但同时新的夹杂物的及时 (d)箭头2处所指.针对2"加锆钢母材及Tss为40 析出会使针状铁素体的形核位置得到补充，针状 和120s两种焊接条件下粗晶热影响区组织，分别 铁素体所占比例升高.这可能是2"钢低温韧性随 选取100个视场，对含锆复合夹杂物尺寸分布情 Tg5增大并非单调降低而是呈现一定规律性的原 况进行了统计，如图5所示.可见焊前母材中夹杂 因所在. 图42*钢含锆夹杂物形貌及能谱.(a)母林：(b)Ts5=40s:()T35=100s下有益夹杂物：(d)T35=100s下租化夹杂物 Fig.4 Morphology and spectra of the inclusions containing zirconium in Steel 2 (a)base metal:(b)Tss=40s:(c)useful inclusions when Ts/s was 100 s:d)coarse inclusions when Tas was 100s 在钢的平衡体系中，锆以化合态和游离态存在. 氧结合的能力，且在829℃以上温度，锆的还原性要 Z-A-Ti-O体系存在如下基础反应： 大于铝.热输入较大时，1320~800℃温度区间停留 [Zr]+2[0]Z02(s), (1) 时间较长，溶质元素易于扩散，导致夹杂物的长大， △G=-1079470+177.82T,Jmol-1 即Ostwald粗化过程.同时，游离态氧通过扩散与锆 2[Al]+3[0]→AL,03(s), 结合，也会导致Z0,重新析出. (2) 为了进一步研究含锆夹杂物的形核长大方式， △G=-1679880+321.79T,Jmol-1 对Tss为100s下（图4(c)夹杂物及其周边进行面 [Ti]+2[0]台Ti0,(s), (3) 扫描，各元素分布如图6所示.可见，锆以Z02的形 △G=-935120+173.85T,Jmol-. 式存在，在钢的冶炼及后续焊接热循环过程中，Z02 2[Ti]+3[0]台T,0,(s, (4) 先析出，且因其密度较大，在钢液中难以上浮而残留 △G=-1481140+244.18T,Jmol-1 在钢中，为随后的钛氧化物提供形核核心，因而也有 由式(1)~(4)计算可知，锆比钛具有更强的与 利于钢中细小夹杂物的弥散分布6.Z0,作为夹杂北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 氏体分割开来，达到晶粒细化的作用，提高了低温 韧性． 由图 4( c) 可见，当 T8 /5达 100 s 时，钢中仍可 观察到尺寸约为 2. 2 μm 锆--钛复合夹杂物，起到 诱导针状铁素体形核的作用． 在该焊接条件下，也 发现一些粗化的夹杂物，如图 4( d) 箭头 1 所指，夹 杂物尺寸达 5 μm 以上，该尺寸的复合夹杂物诱导 针状铁素体形核作用基本消失; 但与此同时，也可 以发现一些 2 μm 以下小颗粒夹杂物出现，如图 4 ( d) 箭头 2 处所指． 针对 2# 加锆钢母材及 T8 /5为 40 和 120 s 两种焊接条件下粗晶热影响区组织，分别 选取 100 个视场，对含锆复合夹杂物尺寸分布情 况进行了统计，如图 5 所示． 可见焊前母材中夹杂 物尺寸多在 1 ～ 3 μm 范围内，T8 /5 为 40 s 时，夹杂 物尺寸分布无太大变化; 而当 T8 /5增大至 100 s，与 母材相比，1 μm 以下及 4 μm 以上夹杂物数量明显 增多． 可见在大热输入焊接下，HAZ 组织在高温 区停留时间过长，钢中夹杂物的固溶态质量分数 发生一定的变化． T8 /5较小时，针状铁素体的形核 与母材中已存在的夹杂物有关; T8 /5增大过程中会 导致一些夹杂物粗化，但同时新的夹杂物的及时 析出会使针状铁素体的形核位置得到补充，针状 铁素体所占比例升高． 这可能是 2# 钢低温韧性随 T8 /5增大并非单调降低而是呈现一定规律性的原 因所在． 图 4 2# 钢含锆夹杂物形貌及能谱 . ( a) 母材; ( b) T8 /5 = 40 s; ( c) T8 /5 = 100 s 下有益夹杂物; ( d) T8 /5 = 100 s 下粗化夹杂物 Fig． 4 Morphology and spectra of the inclusions containing zirconium in Steel 2# : ( a) base metal; ( b) T8 /5 = 40 s; ( c) useful inclusions when T8 /5 was 100 s; ( d) coarse inclusions when T8 /5 was 100 s 在钢的平衡体系中，锆以化合态和游离态存在． Zr--Al--Ti--O 体系存在如下基础反应［7］: ［Zr］+ 2［O］ZrO2 ( s) ， ( 1) ΔG— 1 = － 1 079 470 + 177. 82T，J·mol － 1 ． 2［Al］+ 3［O］Al2O3 ( s) ， ( 2) ΔG— 2 = － 1 679 880 + 321. 79T，J·mol － 1 ． ［Ti］+ 2［O］TiO2 ( s) ， ( 3) ΔG— 3 = － 935 120 + 173. 85T，J·mol － 1 ． 2［Ti］+ 3［O］T2O3 ( s) ， ( 4) ΔG— 4 = － 1 481 140 + 244. 18T，J·mol － 1 ． 由式( 1) ～ ( 4) 计算可知，锆比钛具有更强的与 氧结合的能力，且在 829 ℃以上温度，锆的还原性要 大于铝． 热输入较大时，1 320 ～ 800 ℃温度区间停留 时间较长，溶质元素易于扩散，导致夹杂物的长大， 即 Ostwald 粗化过程． 同时，游离态氧通过扩散与锆 结合，也会导致 ZrO2重新析出． 为了进一步研究含锆夹杂物的形核长大方式， 对 T8 /5为 100 s 下( 图 4( c) ) 夹杂物及其周边进行面 扫描，各元素分布如图 6 所示． 可见，锆以 ZrO2的形 式存在，在钢的冶炼及后续焊接热循环过程中，ZrO2 先析出，且因其密度较大，在钢液中难以上浮而残留 在钢中，为随后的钛氧化物提供形核核心，因而也有 利于钢中细小夹杂物的弥散分布［6］． ZrO2作为夹杂 ·140·