Ti_Nb微合金钢及焊接热影响区中的第二相粒子

Ti 2Nb 微合金钢及焊接热影响区中的第二相粒子
陈茂爱　亓效刚
(山东大学材料液态结构及其遗传性重点试验室,济南250061)
傅一飞
(济南钢铁集团公司,济南250101)
摘　要　利用萃取复型和焊接热模拟技术,对0114C 21134Mn 201017T i 201023Nb 微合金钢及模拟焊接粗晶
热影响区中第二相粒子的形态、数量及物相进行了研究。

结果表明,母材中第二相粒子形状不规则,Nb 的相
对含量(Nb Π
(Nb +T i ))在25%～82%之间的粒子平均直径为1412nm ,尺寸较大的粒子(～50nm )含T i 较高,呈方形,尺寸较小的粒子中Nb 含量较高,呈球形。

焊接热循环后,第二相粒子数量显著减小,平均尺寸增大,呈方形。

800℃至500℃冷却时间t 8Π5从16s 增加至60s 时,粒子中Nb 的相对含量为20%～50%,粒子平均尺寸
由3114nm 增大至3712nm ,粒子数量由1195Πμm 2减少至1120Πμm 2。

但t 8Π5从60s 增至120s 时,因冷速慢,析出温度低,粒子平均尺寸减小至2613nm ,粒子数量增加至3156Πμm 2
,又重新出现一些含Nb 量较高的球形粒子。

关键词　T i 2Nb 微合金钢　第二相粒子　焊接热循环
Secondary Phase P articles in Ti 2Nb Microalloyed Steel
and Coarse 2G rained H eat A ffected Zone
Chen Maoai and Qi X iaogang
(K ey Lab for Liquid and Heredity of material ,Shandong University ,Jinan 250061)
Fu Y ifei
(Jinan Iron and S teel G roup C o ,Jinan 250101)
Abstract The m orphology ,quantity and size distribution of secondary phase particles in 0114C 21134Mn 201017T i 201023Nb microalloyed steel has been investigated by using carbon extraction replica technology and weld thermal simulation of coarse 2grained heat affected zone (CG H AZ ).Experiment results showed that shape of secondary phase in the steel was ir 2
regular ,of which average diameter was 1412nm and Nb relative content 2Nb Π
(Nb +T i )was 25%～82%,the larger parti 2cles (～50nm )were square with high T i content and the smaller particles were spherical with high Nb content.A fter weld 2ing thermal cycle ,the secondary particles were square of which average diameter increased and am ount obviously decreased ;as t 8Π52cooling time from 800℃to 500℃increased from 16s to 60s the Nb relative content in particle decreased to 20%～50%,while average diameter of particles increased to 3712nm from 3114nm with particles number decreasing to 1120Πμm 2from 1195Πμm 2;however as t 8Π5increased further from 60s to 120s ,due to slow cooling rate and low precipitating tem
2perature the average diameter of particles decreased again to 2613nm with particles number increasing to 3156Πμm 2and
spherical particles with higher Nb content were re 2observed.
Material I ndex T i 2Nb Microalloyed S teel ,Secondary Phase Particle ,Welding Thermal Cycle
利用T i 、Nb 等元素微合金化的低合金高强钢
具有良好的焊接性。

与一般低合金高强度钢相比,其焊接粗晶热影响区的韧性显著提高,这主要是由于T i 、Nb 等元素与钢中的C 、N 形成细小弥散的碳氮化合物,这些碳氮化合物可阻止奥氏体晶粒长大并改善焊接粗晶热影响区的二次组织[1～3]。

然而,在焊接热循环过程中,这些第二相粒子本身也会发生溶解、长大及再析出,影响这些粒子的尺寸、数量及分布,进而影响其阻止奥氏体晶粒长大的能力及粗晶区韧性。

因此,了解第二
相粒子在焊接热循环过程中的变化规律具有重要的意义。

本文利用萃取复型技术,对一种T i 2Nb 微合金钢及模拟焊接粗晶热影响区中的第二相粒子的形状、尺寸、数量及物相进行分析,以了解这些第二相粒子在焊接热循环过程中的变化规律。

1　试验材料、内容及方法1.1　试验材料
试验材料为热轧态的T i 2Nb 微合金钢,其化学成分如表1所示。

・01・ 第25卷第3期　特殊钢　
V ol.25.N o.3
2004年5月　
SPECI A L STEE L
May 2004
表1　试验用钢的化学成分Π%
T able1　Chemical composition of steel testedΠ%
C Mn S i Nb T i Al N S P
0.14 1.340.340.0230.0170.0460.0130.0050.016
1.2　试验方法
将试验用钢加工成尺寸为10.5mm×10.5 mm×55mm的焊接热模拟试样,在Therm orestor2E 热模拟机上模拟焊接粗晶热影响区(CGH AZ)。

所用焊接热循环A、B、C的模拟规范为:
A:T m=1350℃,t8Π5=16s;
B:T m=1350℃,t8Π5=60s;
C:T m=1350℃,t8Π5=120s。

式中:T
m2峰值温度;t8Π52800～500℃冷却时间。

萃取复型所用的试样取自模拟试样均温区的中心部位。

萃取碳膜的制备步骤为:(1)抛光;
(2)利用2%的硝酸酒精溶液腐蚀大约40s;(3)超声波清洗5min;(4)在喷碳仪中喷一层约200 nm厚的碳膜;(5)划成2mm×2mm的网格后用3%的硝酸酒精溶液进行电解剥离,所用的电压为20V;(6)将剥离下来的碳膜放进蒸镏水中漂洗,用铜网捞取,晾干后观察。

利用H2800型透射电镜(TE M)对粒子的形貌、物相、尺寸、数量进行分析,用能谱(E DS)仪分析粒子的成分。

每个试样所统计的粒子数不少于1000个或视域不少于150个。

2　试验结果及分析
2.1　母材中的第二相粒子
萃取碳膜的TE M分析表明,母材中的粒子形状不规则,大部分接近球形,只有少量的大尺寸粒子接近方形,如图1a所示。

电子衍射分析表明,粒子为面心立方结构,图1b为图1a中最大粒子的典型电子衍射斑点,确定出的点阵常数为0.43502nm,非常接近于T iC、T iN、NbC、NbN的点阵常数(分别为0.43603、0.42626、0.45004、0.44359)。

能谱(E DS谱)分析表明,粒子中含有T i及Nb(图中的Cu谱线来自于支持碳膜的铜网)两种微合金元素,因此,可断定这些粒子为T i、Nb
的碳氮化合物T i
x
Nb12x(C y N12y)。

进一步分析表明,不同粒子中的T i、Nb相对含量是不同的,粒子中Nb的相对含量NbΠ(Nb+T i)在25%～82%之间。

这是因为粒子的成分(x、y值)取决于粒子的形成温度,不同温度下析出的粒子具有不同的x
及y值。

粒子尺寸分布的统计结果可见,母材中大部分粒子的尺寸在20nm以下,约占90%,粒子的平均尺寸D=1412nm,单位面积内粒子的数量N=42188个Πμm2。

由图1可看出,母材中粒子尺寸对其形状及成分具有较大的影响,尺寸较大的粒子含有较高的T i,形状接近方形,尺寸较小的粒子含有较高的Nb,其形状接近球形。

可能的原因是,在钢水的冷却、凝固、轧制及随后冷却过程中,不同温度下形成的第二相粒子T i
x
Nb12x(C y N12y)具有不同的成分。

高温下形成的粒子x值较大,而y值较小[4],粒子成分接近T iN,因此其形状也接近T iN 的形状,呈方形;在随后的冷却过程中,这些在高温下形成的粒子有足够的时间长大,因此接近方形的粒子的尺寸较大。

在低温下形成的粒子,其x较低、y较高[4],粒子成分与T iN相差较大,与Nb(C N)接近,因此其形状接近Nb(C N)的形状,呈近似球形,由于形成的温度较低,没有足够时间长大,因此其尺寸较小。

2.2　焊接热循环对第二相粒子的影响
经焊接热循环A(t
8Π5
=16s、T m=1350℃)后,粒子均变为方形,如图2a所示;与母材中的粒子相比,粒子中的含Nb量显著降低,NbΠ(Nb+T i)的范围由25%～82%降低到20%～50%之间,见图2b所示;而且粒子的数量显著减少,粒子的平
均尺寸显著增大,见图2c。

经焊接热循环B(t
8Π5 =60s、T m=1350℃)后,粒子的形状也呈长方形,与热循环A相比,粒子的平均尺寸D由3114 nm增至3712nm,粒子的数量N由1195Πμm2减至1120Πμm2。

经焊接热循环C后,粒子大部分为长方形,但有一部分小尺寸粒子为球形,见图3a;与热循环A及B后的粒子相比,经过热循环C后的粒子平均尺寸减小,粒子的数量增多见图3b及3c,粒子中的Nb含量也增大。

焊接热循环后粒子形状、尺寸、数量及成分的变化是由粒子溶解、长大及再析出引起的。

焊接热循环的加热过程中,粒子首先发生溶解。

母材中尺寸越小的粒子,其形成温度一般越低,而且小尺寸粒子比大尺寸粒子具有更大的比表面积(表面积与体积之比),因此,其稳定性较低,在热循环过程易于因溶解而消失。

因此,与母材中的粒子相比,热循环后粒子的数量,特别是小尺寸粒子的
・
1
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第3期陈茂爱等:T i2Nb微合金钢及焊接热影响区中的第二相粒子
图1　T i 2Nb 微合金钢母材中的第二相粒子:(a )形貌,TE M ;(b
)电子衍射图;(c )能谱
Fig.1　Secondary phase particles in T i 2Nb microalloyed steel :(a )TE M M orphology ;(b )electron diffraction pattern ;and (c )energy spectrum
图2　经焊接热循环A (t 8Π5=16s 、
T m =1350℃)后热影响区第二相粒子形貌(a )、成分(b )及尺寸分布(c )Fig.2　M orphology (a ),Nb Π
(Nb +T i )(b ),size distribution (c )of secondary phase particles in CG H AZ after welding thermal cycle A 2t 8Π5=16s ,T m =1350℃
图3　经焊接热循环C (t 8Π5=120s 、
T m =1350℃)后热影响区第二相粒子形貌(a )、成分(b )及尺寸分布(c )Fig.3　M orphology (a ),Nb Π(Nb +T i )(b ),size distribution (c )of secondary phase particles in CG H AZ after thermal cycle C 2
t 8Π5=120s ,T m =1350℃
数量显著减少,粒子平均尺寸增大。

高温下形成的大尺寸粒子在热循环过程中不会完全溶解,但
其成分将随着热循环加热温度的升高而不断调整,T i x Nb 12x (C y N 12y )粒子的x 值逐步提高,y 值逐
・
21・特殊钢第25卷
步降低[4]
,从而使粒子成分逐渐接近T iN ,而冷却过程中虽然会以这些残留粒子为晶核进行沉淀析出。

在热循环A 及B 中,由于冷却速度较快(t 8Π5=16s 或60s ),这种析出是有限的,因此,焊接热
循环后残留的大部分粒子中Nb 含量均较低,粒子形状为T iN 粒子的形状(即方形),见图2a 。

焊接热循环后粒子平均尺寸的增大原因是多方面的,一是由于小尺寸粒子因溶解而消失;二是粒子的长大。

粒子的长大有两种形式:(1)大尺
寸粒子以Ostwald 熟化机制长大[5]
;(2)新粒子以残留粒子为基体形核析出。

在热循环峰值温度及加热速度相同时,t 8Π5越大,高温停留时间越长,粒子的溶解程度越大,不但消失的小尺寸粒子数量增多,而且,残留粒子的长大程度也大。

因此,热循环B 后的模拟焊接粗晶区试样中粒子与热循环A 相比,其平均尺寸进一步增大,数量进一步减少。

在焊接热循环的冷却过程中,溶解的T i 、Nb 不但会以残留的富T i 粒子为形核基体析出,还会独立形核析出。

由于独立形核析出需要一定的孕育期,只有当冷却速度较慢时才能发生,而且一般在较低的温度下析出,以这种形式析出的粒子尺寸较小,含Nb 量一般较高,呈球形,因此,经焊接热循环C 后,模拟焊接热影响区中重新出现了含Nb 量较高的球形小粒子(图3)。

另外,在较慢的冷却速度下,重新析出的残留粒子上的Nb 也增加,因此,经较慢冷却的焊接热循环C 后粒子中的含Nb 量比热循环A 及B 后的粒子增大。

3　结论
(1)T i 2Nb 微合金钢中粒子的平均尺寸为14
nm ,粒子中Nb 的相对含量Nb Π
(Nb +T i )在25%～82%之间,粒子的形状不规则,少数大粒子接近方
形,富T i 而贫Nb ,小粒子接近球形,富Nb 而贫
T i 。

(2)经t 8Π5较小(16s 或60s )的焊接热循环后,粒子变为方形,粒子中Nb 的相对含量Nb Π(Nb +T i )降低到20%～50%之间,粒子的平均尺寸增
大,粒子的数量大幅度减少。

t 8Π5从16s 增大到60s 时,粒子平均尺寸进一步增大,数量进一步减
少;而t 8Π5再从60s 增大到120s 后,粒子平均尺寸反而减小,粒子数量增多,粒子中又重新出现含Nb 量较高的球形粒子。

本研究课题为山东省自然科学基金资助项目(Y 2002F24)
参考文献
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the C onsequent Properties of Nb 2Bearing S teels ,M etall.T rans ,1993,24A (9):2127
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H AZ T oughness in Low Carbon S teels.T rans ,JWS ,1997,18(2):58
陈茂爱,男,38岁,副教授。

1997年获上海交通大学博士
学位,从事微合金钢开发和先进材料焊接研究。

收稿日期:2003211224
下　期　要　目
超洁净钢和零非金属夹杂钢李正邦
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……………………………………・
31・第3期
陈茂爱等:T i 2Nb 微合金钢及焊接热影响区中的第二相粒子。