张圣华等：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 ·847· KEY WORDS carbon-manganese steel:coarse grain heat-affected zone (CGHAZ);acicular ferrite (AF);microstructure:impact toughness 随着焊接技术的进步，单面埋弧焊、电渣焊和气 复合处理组织中的针状铁素体更加细小；Nako等☑ 电焊等大线能量焊接技术的广泛应用使得焊接效率 发现TiRE-Zr复合氧化物夹杂比Ti、AI氧化物更有 得到了大幅提高，同时焊接结构的体积越来越大、焊 利于针状铁素体的形核.目前，有关钛稀土复合处理 接时要求的参数越来越高，这就要求钢材具备更高 对C-Mn钢粗晶热影响区组织及性能的影响还鲜有 的焊接性能.大量研究表明钢材在焊接热循环 研究.本文利用Gleeble-l500D热模拟机研究在焊 过程中由于焊接热影响区冷速的不同会产生不同的 接热输入为65kJ·cm时稀土单独处理和钛稀土复 组织，进而导致焊接热影响区性能的差异，其中粗晶 合处理对C-M钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的 区的组织最为粗大，其韧性和强度较差.20世纪80 影响，为稀土处理改善C一M钢焊接热影响区的性 年代以来，国内外很多学者研究认为以夹杂物为形 能提供依据. 核核心形成的细小、交错的针状铁素体组织可以提 高钢焊接热影响区的韧性和强度P,60.1990年氧 1实验方法 化物治金技术被提出以后，很多学者研究了不同氧 为对比实验效果，共治炼出3种不同成分的钢，分 化物诱导形成针状铁素体的能力和机理.关于钛氧 别为未进行合金处理的TRI钢，经La单独处理的 化物的研究2-发现Ti,0,夹杂能促进Ti脱氧C-Mn TR2钢和经La、Ti复合处理的TR3钢.将5.5kgC- 钢中晶内针状铁素体的形成：Lee和Pan圆认为Ti的 Mn钢在真空感应炉中加热至熔清，精炼2min后， 硫氧化物比Ti氧化物和Ms夹杂诱导形成针状铁 TR1钢不做变质处理，TR2钢和TR3钢分别加入La 素体更有效：Song等研究表明当Mg的质量分数 和La、Ti进行变质处理，保温3min后浇铸进钢锭模中 为0.0015%~0.0026%时，含Ti0.008%左右的C- 空冷至室温.成型的锭子加热到1200℃开锻，900℃ Mn钢中的Ti-MgO+MnS复合夹杂对针状铁素体 终锻，成为直径15mm的棒材.随后对其进行700℃保 形核最有利：Song等a还发现稀土La和Ce均可促 温30min的退火处理，以消除内部应力.实验钢的成 进针状铁素体形成，且当La和Ce添加比例为3：1时 分见表1. 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of tested steels 试样编号 C Si Mn P Al T雪 La 0 TRI* 0.15 0.34 1.28 0.028 0.017 0.001 0 0 0.0025 0.0040 TR2* 0.15 0.34 1.32 0.026 0.016 0.001 0 0.019 0.0068 0.0043 TR3 0.16 0.34 1.38 0.025 0.016 0.001 0.015 0.021 0.0063 0.0044 将3种钢加工成为10.5mm×10.5mm×55mm的 观察试样显微组织，用带有能谱的JSM-6480LV型扫描 焊接热模拟试样，在Gleeble--l5OOD热模拟机上进行 电子显微镜分析钢中夹杂物的尺寸和成分 焊接热影响区热循环模拟实验，模拟焊接热输入为65 表2模拟焊接热影响区热循环参数 k·cm,峰值温度Tx=1350℃，热循环模拟相关的 Table 2 Simulated thermal cycle parameters of heat affected zone 工艺参数根据雷卡林二维导热模型确定，峰值温度 焊接线能量， 高温停留时间，tH/s T停留时间设置为Is,由室温加热到T的升温速率 E/(k小em-i) >900℃ >1100℃ tasIs 设置为300℃·s1,相关热循环模拟参数见表2. 65 62 41 129 经过模拟焊接热影响区热循环实验后的试样，加 工成10mm×10mm×55mm开V型槽的标准冲击试 注：*为800℃到500℃的冷却时间. 样，在JB300B型摆锤式冲击试验机上进行低温冲击试 2 实验结果 验，利用JSM-6480LV型扫描电子显微镜观察冲击试 样断口.取中10mm×10mm圆柱试样，清洗、打磨和抛 2.1实验钢中的夹杂物 光后，在光学显微镜1000倍视场下随机拍摄60张夹 利用Factsage6(.4热力学计算软件计算了冷却过 杂物照片，并用Imagel软件统计夹杂物的数量和尺寸. 程中3种实验钢中夹杂物随温度的析出情况.如图1 抛光后的试样用4%硝酸乙醇溶液侵蚀，在光学显微镜下 (a)所示，未加合金处理的TR1钢中的夹杂主要是张圣华等: 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 KEY WOＲDS carbon--manganese steel; coarse grain heat-affected zone ( CGHAZ) ; acicular ferrite ( AF) ; microstructure; impact toughness 随着焊接技术的进步，单面埋弧焊、电渣焊和气 电焊等大线能量焊接技术的广泛应用使得焊接效率 得到了大幅提高，同时焊接结构的体积越来越大、焊 接时要求的参数越来越高，这就要求钢材具备更高 的焊接性能． 大量研究［1--5］表明钢材在焊接热循环 过程中由于焊接热影响区冷速的不同会产生不同的 组织，进而导致焊接热影响区性能的差异，其中粗晶 区的组织最为粗大，其韧性和强度较差． 20 世纪 80 年代以来，国内外很多学者研究认为以夹杂物为形 核核心形成的细小、交错的针状铁素体组织可以提 高钢焊接 热 影 响 区 的 韧 性 和 强 度［2，6--11］． 1990 年氧 化物冶金技术被提出以后，很多学者研究了不同氧 化物诱导形成针状铁素体的能力和机理． 关于钛氧 化物的研究［12--14］发现 Ti2O3夹杂能促进 Ti 脱氧C--Mn 钢中晶内针状铁素体的形成; Lee 和 Pan［8］认为 Ti 的 硫氧化物比 Ti 氧化物和 MnS 夹杂诱导形成针状铁 素体更有效; Song 等［15］研究表明当 Mg 的质量分 数 为 0. 0015% ～ 0. 0026% 时，含 Ti 0. 008% 左右的 C-- Mn 钢中的Ti--Mg--O + MnS 复合夹杂对针状铁素体 形核最有利; Song 等［16］还发现稀土 La 和 Ce 均可促 进针状铁素体形成，且当 La 和 Ce 添加比例为 3∶ 1时 复合处理组织中的针状铁素体更加细小; Nako 等［17］ 发现 Ti--ＲE--Zr 复合氧化物夹杂比 Ti、Al 氧化物更有 利于针状铁素体的形核． 目前，有关钛稀土复合处理 对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及性能的影响还鲜有 研究． 本文利用 Gleeble--1500D 热 模 拟 机 研 究 在 焊 接热输入为 65 kJ·cm － 1时稀土单独处理和钛稀土复 合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的 影响，为稀土处理改善 C--Mn 钢焊接热影响区的性 能提供依据． 1 实验方法 为对比实验效果，共冶炼出 3 种不同成分的钢，分 别为未进 行 合 金 处 理 的 TＲ1# 钢，经 La 单独 处 理 的 TＲ2# 钢和经 La、Ti 复合处理的 TＲ3# 钢． 将 5. 5 kg C-- Mn 钢在 真 空 感 应 炉 中 加 热 至 熔 清，精 炼 2 min 后， TＲ1# 钢不做变质处理，TＲ2# 钢和 TＲ3# 钢分别加入 La 和 La、Ti 进行变质处理，保温 3 min 后浇铸进钢锭模中 空冷至室温． 成型的锭子加热到 1200 ℃ 开锻，900 ℃ 终锻，成为直径 15 mm 的棒材． 随后对其进行 700 ℃保 温 30 min 的退火处理，以消除内部应力． 实验钢的成 分见表 1． 表 1 实验钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of tested steels % 试样编号 C Si Mn S P Al Ti La O N TＲ1# 0. 15 0. 34 1. 28 0. 028 0. 017 0. 001 0 0 0. 0025 0. 0040 TＲ2# 0. 15 0. 34 1. 32 0. 026 0. 016 0. 001 0 0. 019 0. 0068 0. 0043 TＲ3# 0. 16 0. 34 1. 38 0. 025 0. 016 0. 001 0. 015 0. 021 0. 0063 0. 0044 将 3 种钢加工成为 10. 5 mm × 10. 5 mm × 55 mm 的 焊接热模拟试样，在 Gleeble--1500D 热模拟机上进行 焊接热影响区热循环模拟实验，模拟焊接热输入为 65 kJ·cm － 1，峰值温度 Tmax = 1350 ℃，热循环模拟相关的 工艺参数根据雷卡林二维导热模型确定，峰值温度 Tmax停留时间设置为 1 s，由室温加热到 Tmax的升温速率 设置为 300 ℃·s － 1，相关热循环模拟参数见表 2． 经过模拟焊接热影响区热循环实验后的试样，加 工成 10 mm × 10 mm × 55 mm 开 V 型槽的标准冲击试 样，在 JB300B 型摆锤式冲击试验机上进行低温冲击试 验，利用 JSM--6480LV 型扫描电子显微镜观察冲击试 样断口． 取 10 mm × 10 mm 圆柱试样，清洗、打磨和抛 光后，在光学显微镜 1000 倍视场下随机拍摄 60 张夹 杂物照片，并用 ImageJ 软件统计夹杂物的数量和尺寸． 抛光后的试样用4%硝酸乙醇溶液侵蚀，在光学显微镜下 观察试样显微组织，用带有能谱的 JSM--6480LV 型扫描 电子显微镜分析钢中夹杂物的尺寸和成分． 表 2 模拟焊接热影响区热循环参数 Table 2 Simulated thermal cycle parameters of heat affected zone 焊接线能量， E/( kJ·cm － 1 ) 高温停留时间，tH / s ＞ 900 ℃ ＞ 1100 ℃ t * 8 /5 / s 65 62 41 129 注: * 为 800 ℃到 500 ℃的冷却时间． 2 实验结果 2. 1 实验钢中的夹杂物 利用 Factsage6. 4 热力学计算软件计算了冷却过 程中 3 种实验钢中夹杂物随温度的析出情况． 如图 1 ( a) 所示，未加合金处理的 TＲ1# 钢中的夹杂主要是 · 748 ·