超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析

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超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测

超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测摘要: 应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对超级钢温度场和热循环进行了模拟和分析。

利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测,预测结果与实验结果基本吻合。

关键词: 超级钢热循环曲线焊接热影响区晶粒尺寸The grain size prediction in the HAZ of the ultra fine grain steelJIANG Qiuyue2(School of Mechanic and Electric Engineering, Changchun Institute of Engineering, Changchun 130012)Abstract: The paper simulates the welding temperature fields of the ultra fine grain steel by the computer simulation, and obtains the thermal cycle curve. Meanwhile, the paper has predicted the grain size of HAZ in the base of the thermal cycle curve. The outcome of the prediction accords with the outcome of the experiment .Keywords:ultra fine grain steel ; thermal cycle curve ;HAZ ;grain size;序言本文利用数字模拟技术在焊接中的应用,模拟超级钢的焊接温度场,提取热循环曲线,利用晶粒长大动力学原理预测热影响区晶粒的尺寸,晶粒尺寸直接影响到焊缝及热影响区的综合机械性能,对实际生产有着重要的现实意义。

超精细粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律

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含第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大分析的开题报告

含第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大分析的开题报告
本文旨在针对含第二相粒子的焊接热影响区（HAZ）进行晶粒长大分析。

在焊接过程中，由于高温的作用，HAZ的晶粒结构会发生改变，这会影响焊缝和母材
的性能。

其中，含有第二相粒子的材料尤其容易受到影响。

因此，本研究将重点探究如何分析含有第二相粒子的焊接热影响区中晶粒的长大行为。

具体来说，本文将从以下几个方面展开研究：
1. 热影响区的晶粒结构分析
通过显微镜、扫描电镜等现代测试技术，对HAZ的晶粒进行形态和尺寸分布的分析，进一步探究第二相粒子对晶粒长大的影响。

2. 晶粒长大的机理研究
本文将根据材料结构、元素分布等特点，探究第二相粒子对晶粒长大的机理，如何影
响力量学和热力学过程。

3. 仿真模拟
通过有限元模拟等模拟手段，模拟不同焊接参数和材料条件下的晶粒长大过程，研究
影响因素和优化方法。

综上，本文将对含有第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大行为进行全方位的研究和分析，对于改善焊接质量，提高焊接工艺的稳定性具有一定的参考价值。

钢铁材料晶粒细化技术研究

钢铁材料晶粒细化技术研究车辆工程技术221理论研究1 前言钢铁材料利用历史悠久，冶炼生产工艺发展比较成熟，钢铁是地球上含量丰富的金属资源，也是传统材料中最具代表性的。

钢铁材料相比于其他金属材料具有强韧性，便于生产加工，其生产成本较低。

我国工业的发展需要利用大量钢铁资源，并且钢铁制备及利用也是一个国家工业化水平的表现。

随着工业的不断发展进步，先进制造业的发展对机械制造用钢的性能提出了更高的要求，这意味着我们要不断创新提高钢铁材料的冶炼技术，提高钢铁材料的性能。

大量试验数据表明，提高钢材的强度可以减轻产品的自重，例如，在建筑用钢中，提高钢的强度可以节约钢材和建筑空间的利用率，桥梁用钢中，提高钢的强度可以减轻桥的重量并提高桥梁承载能力。

细化晶粒来提高钢铁材料强韧性是现今最有效，应用最广泛的方式。

2 晶粒细化技术2.1 晶粒尺寸对钢材强度影响原理研究表明，钢材的强度与基体的晶粒尺寸有较大关系，由Hall-Petch公式可知，晶粒越细，其屈服强度越大晶粒尺寸在一定范围内减小，可以增加材料塑性。

金属的塑性变形主要由位错运动引起的，因此强化金属的主要途径是阻碍位错运动。

晶界是两个晶粒的过渡部分，它的能量比晶内能量高，原子扩散速度快，而且晶界的缺陷比晶内缺陷要多，它还对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位。

细化晶粒的是实质增加单位体积内晶粒的数目，也就是增加晶界面积，金属的晶粒越细，晶界面积越大，对位错的阻碍作用越强。

在晶粒中，还存在亚晶界，亚晶界同晶界一样可以阻碍位错运动，对金属有强化作用。

因此细化晶粒技术就是从怎么增加晶界面积和减小晶粒大小角度深入。

在国内外，对细晶研究不断深入，细晶技术不断发展创新，日本采用细晶技术多为低温大变形，通过控制温度，使工件在大过冷条件下轧制，这个方式在细晶过程中难以控制温度，对轧机要求高；韩国低温变形，采用应变诱导相变或动态诱导相变机制，在加工过程中，相变时的温度难以控制，热处理变形难以按照预想实施，有一定的误差。

超细晶粒高碳钢的制备与组织性能研究

超细晶粒高碳钢的制备与组织性能研究
1.超细晶粒高碳钢的制备方法
超细晶粒高碳钢的制备方法有很多种，常见的方法包括热处理和机械加工。

热处理方法主要包括等温退火和热变形等方法。

等温退火能够通过控制退火温度和时间来获得细小的晶粒。

热变形方法包括等温正火、等温淬火等，通过热压缩和热拉伸等加工工艺使材料晶粒尺寸减小。

机械加工方法包括冷拔、冷轧和剧烈塑性变形等，通过大变形量的机械加工使材料晶粒尺寸显著减小。

2.超细晶粒高碳钢的组织性能
超细晶粒高碳钢的组织性能主要体现在以下几个方面。

首先，超细晶粒结构使得材料具有更高的强度和硬度。

晶界活动对强化和硬化起着重要作用。

其次，超细晶粒高碳钢具有更好的韧性和抗冲击性能。

细小的晶粒能够限制晶界扩展和位错运动，从而提高材料的韧性。

此外，超细晶粒结构还可以改善材料的耐腐蚀性能。

3.超细晶粒高碳钢的应用前景
超细晶粒高碳钢具有广泛的应用前景。

首先，其优异的机械性能使其成为理想的结构材料，可以广泛用于航空航天、汽车制造和机械制造等领域。

其次，超细晶粒高碳钢的耐磨性能优越，适用于制造高速切削工具和模具等。

此外，超细晶粒高碳钢在原油开采和海洋工程等恶劣环境下具有良好的耐腐蚀性能，因此还具有广阔的市场前景。

总之，超细晶粒高碳钢的制备方法和组织性能研究对于材料科学和工程领域具有重要意义。

随着技术的不断发展，超细晶粒高碳钢的制备方法将不断优化，其在各个领域的应用前景也将更加广阔。

晶粒粗大的概念,危害以及控制

晶粒粗大(coarse grain)概念和危害以及控制钢材内部缺陷之一，表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大。

钢材由于生产不当，奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒，这种组织使强度、塑性和韧性降低。

粗大的晶粒通过热处理可以细化。

表示晶粒大小的方法是晶粒的平均体积、平均直径或单位体积内含有的晶粒数，但测定繁琐。

为简化评定方法，采用晶粒大小标准图相比较的方法，确定晶粒大小的级别。

钢的标准晶粒级别由大到小划分为-3到+12共16级，晶粒平均直径由-3级的1.000mm到12级的0.0055mm。

1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒，粗于1级的为晶粒粗大；细于8级的为超细晶粒。

晶粒粗大的原因有：(1)金属凝固或加热到相变温度以上、或在奥氏体再结晶区变形时，再结晶后停留时间长、冷却速度慢使晶粒集聚长大；(2)粗大奥氏体晶粒固态相变后铁素体晶粒粗大。

防止晶粒粗大的方法有：采用铝脱氧的本质细晶粒钢，控制加热温度和保温时间，加大道次变形量，降低终轧温度和控制冷却速度。

[1]焊接时，大的线能量，就可能会使焊缝的晶粒粗大。

降低零件塑性，使零件变脆，冲击值达不到要求，使用中会在毫无征兆的情况下突然断裂。

另外，晶粒粗大会给零件探伤造成困难，掩盖一些缺陷或使零件不可探。

熔合线附近的母材多因焊接热作用,形成晶粒粗大,性能恶化的组织叫热影响区，即HAZ，就是焊缝金属和母材之间的过渡区，由于焊接时加热到接近熔点后快速冷却，导致晶粒粗大，如果母材含碳量较高，易产生裂纹。

熔合区的机械性能要达到木材的水平，就要求在焊接时控制线能量输入--------尽可能用小电流、快速度、不摆动来解决“晶粒粗大”的问题，因为保持较细的晶粒结构，才可以保证里面的组织不发生变化。

钢中奥氏体晶粒长大规律

般都以具有最低激活能的方式首先生长；温度越
低，激活能越小的生长机制持续时间越长；然后随
着温度升高依次过渡到激活能更高的生长机制；
高温时激活能低的生长机制很快完成而失去作用。高振英等研［１２］究了中碳钢奥氏体晶粒的４
种生长机制：１）Ｆｅ原子位错扩散控制机制；２）Ｆｅ
原子位错、界面扩散控制的混合机制；３）界面扩
细化奥氏体晶粒，可以显著改善钢材的力学
性能。在奥氏体单相区，对奥氏体施加一定量的塑性变形使之发生再结晶从而细化晶粒，是现代钢铁产品获得优异性能的常规工艺。无论是原奥氏体晶粒还是完成再结晶后的奥氏体晶粒，都具有相同的长大规律。了解奥氏体晶粒的长大规律，对控制钢材的最终性能具有重要意义。
奥氏体晶粒长大受Ｆｅ、Ｃ原子的扩散速率控制，其长大规律有如下定性认识［９］：１）晶粒长大
基金项目：国家重点研发计划（Ｎｏ．２０１８ＹＦＣ０３１０３００）作者简介：刘文月，男，高级工程师，博士，主要从事管线钢宽厚板产品的研发，Ｅｍａｉｌ：ｗｅｎｙｕｅ＿ｌｉｕ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
奥氏体晶粒的长大不是没有限制的，具有一个极限尺寸，Ｚｅｎｅｒ认为该尺寸由钉扎粒子的尺寸和数量决定［４６］。奥氏体晶粒长大过程中，会出现正常长大与异常长大两种现象。正常长大过程中，最大晶粒尺寸约为平均尺寸的２．５倍［７］；异常长大过程中，仅有少数晶粒尺寸急剧增加，最大尺寸一般为平均尺寸的６倍以上，有时可达十几倍［８］。奥氏体晶粒的异常长大，也被称为二次再结晶［９］。
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＡｎｓｈａｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１４００９，Ｃｈｉｎａ）

不同晶粒尺寸材料的霍尔佩奇关系

不同晶粒尺寸材料中的H-P关系细化晶粒一直是改善多晶体材料强度的一种有效手段。

根据位错理论,晶界是位错运动的障碍,在外力作用下,为了在相邻晶粒产生切变变形,晶界处必须产生足够大的应力集中,细化晶粒可以产生更多的晶界,如果晶界结构未发生变化,则需施加更大的外力才能产生位错塞积, 从而使材料强化。

Hall-Petch 关系就是在位错塞积模型基础上导出的。

H-P关系的历史20世纪50年代初，人们开始研究晶粒尺寸与材料强度的关系，1951年当时还在谢菲尔德大学读书的E. O. Hall在64册装订的《物理学进程表》上发表了三篇文章。

在第三篇文章中，他指出了滑动带的长度或裂纹尺寸与晶粒尺寸成正比，即，式子中的第一项代表了材料的强度，k是常数。

由于技术条件的限制，Hall只能推出成正比的关系，但是x的取值没有具体给出。

当时Hall选取的研究对象是锌但是他发现这个关系应用于低碳钢同样成立。

英国利兹大学的N. J. Petch根据自己在1946-1949年的实验研究和Hall的理论基础发表了一篇论文，这篇论文着重讲述了有关脆性断裂方面的知识，通过测量在低温条件下不同晶粒尺寸的解理强度，Petch把Hall提出的数学关系进行了精确地完善，这个重要的数学关系就以他们的名字命名为霍尔佩奇关系。

即σy代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力σ0.2通常可以用显微硬度Hv来表示σ0表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力Ky一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关d 平均晶粒直径Hall-Petch关系图由于Hall和Petch所处的年代技术的落后他们能研究的晶粒尺寸还是很大的，所以早期的H-P关系是不完善的，只有图中前半部分。

后半部分是随着科技的进步，逐渐完善的。

近几十年来, 材料的细晶强化研究大量开展。

在一般晶粒尺寸范围内, 材料的强度随晶粒尺寸的变化是符合Hall-Petch 关系的, 但在纳米晶体材料中出现了偏离甚至反Hall-Petch 关系的现象, 因此Hall-Petch 关系的使用具有一定的局限性。

超细晶硬质合金晶粒长大抑制剂的研究

提高 600～800 M Pa 。此外 ,超细硬质合金与普通硬质合金相比还具有热导率高 ,耐腐蚀性强等特点 ,因而在电子行业的微型钻头、金属材料刀具、医学器械、精密模具等领域都有广泛的应用 ,深受硬质合金界的关注。
生产超细晶 WC 硬质合金中最大的困难就是抑制烧结过程中 WC 晶粒的长大。为抑制晶粒的长大 ,在合金中添加少量的如 VC、Cr3 C2 等抑制剂是目前一种最为有效的方法。
2 WC 晶粒的长大
用来制备超细晶硬质合金的 WC 粉末粒度通常为亚微米级以下 ,具有非常大的比表面能、晶格畸变能等 ,降低系统能量是烧结过程中 WC晶粒长大
收稿日期 :2007Ο04Ο05 ;修回日期 :2007Ο08Ο20 作者简介 :刘书祯 (1981Ο) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为有色金属超细粉末制备。
导致 ,核心和边缘不同的成分反映了低温和高温下不同的 ( W ,V) C 的均衡组成。 3. 3 抑制剂的加入方式
添加抑制剂能够有效阻止 WC 晶粒在烧结过程中的连续长大 ,而消除 WC 晶粒的局部长大则在于抑制剂的均匀分布。
抑制剂的添加方式不同 ,其在合金中的分布均匀性也不相同。表 1 是以不同方式添加抑制剂 (其他工序相同) 所获得抑制效果的比较[9] 。
C W Mo rto n 等[5] 在 1 300～1 575 ℃的温度范围内 ,就温度对多种抑制剂抑制 WC 晶粒长大效果产生的影响进行了实验研究 ,发现在研究的温度范围内 VC 抑制晶粒长大的效果一直是最好的 ,且抑制效果随温度的变化不大 ; 而 Cr3 C2 、NbC 、TaC 、
第 4 期
3 晶粒长大抑制剂
抑制剂通过控制 WCΟCo 复合粉在烧结时发生的以 WC 溶解Ο析出为主导的致使 WC 晶粒长大的反应速率来实现细化 WC 晶粒的目的 ,增强了合金组织的均匀性 ,同时 ,添加的抑制剂容易与原有硬质相 WC 结合形成复杂的固溶体机构 ,从而进一步强化硬质相结构。

超细晶粒钢普通CO2气体保护焊HAZ晶粒长大行为研究

ＷａｈＺｈｕＷｅｎｇＹａｏｉ
（ｌｅｅｏｅｈｎｃｌ＆ＭａｅｉｌＥｎｉｅｒｎ，ｉａＴｈｅｒｅｉＹｉｈａ４０ＣｏｌｇｆＭｃａｉａｔｒａｇｎｅｉｇＣｈｎｒｅＧｏｇｓＵｎｖｃｎｇ４３０２，Ｃｈｉ）ｎａ
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ｔａｈｅｇａｎｇｒｔｆｏｅｈｅｔｄｚｅｗａｂｖｏｈｔｔｒｉｏｗｈｏｖｒａｅｏｎｓｏｉｕｓＷｉｈｈｎｒａｅｏｆｈａｎｐ，ｔｅｒｅｏｆｇｒｉｔｔｅｉｃｅｓｅｌｉｕｔｈｅｄｇｅａｎ
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超细晶粒钢普通Ｃ２体保护焊ＨＺ晶粒长大行为研究Ｏ气Ａ
王燕周伟
（峡大学机械与材料学院，湖北宜昌三４３０）４０２
摘要：究了４０ａ级超细晶粒钢普通Ｃ气体保护焊ＨＡＺ晶粒长大行为，对晶粒长大的影研０ＭＰＯ并
．
大行为但程度并不严重，明４０证０ａ级超细晶粒钢具有良好的焊接性，丝、ＭＰ细中小线能量的普通
ＣＯ２气体保护焊适用于４０ＭＰ０ａ级超细晶粒钢的焊接．
关键词：细晶粒钢；普通Ｃ气体保护焊；ＨＡ晶粒长大超Ｏ。Ｚ；中图分类号：４７１ＴＧ５．１文献标识码：Ａ文章编号：６２９８２１）４０８ —４１７ —４Ｘ（０００ —０７０

影响晶粒正常长大的因素课件

冷却系统
冷却系统对模具温度控制至关重要，设计合理的冷却通道和分布，有助于降低模具温度，控制晶粒生长速度。
模具温度
温度梯度
模具温度对晶粒生长具有显著影响，温度梯度会导致晶粒生长的不均匀性。因此，应尽量减小温度梯度，使晶粒生长更加均匀。
温度稳定性
模具温度的稳定性对晶粒生长至关重要，温度波动会导致晶粒生长的波动，从而影响最终产品的性能。因此，应保持模具温度的稳定性。
未来可能的研究方向
1 2 3
发展计算模拟方法通过发展更精确的原子尺度计算模拟方法，可以更深入地理解晶粒长大过程中的微观机制。
探索晶粒长大与其他现象的关联晶粒长大与许多其他现象有关联，如相变、固态相变等，未来可以进一步探索这些关联及其应用。
开发新型晶粒控制技术基于对晶粒长大过程的理解，未来可以开发新型的晶粒控制技术，以提高材料的性能和功能。
100%
控制实验条件
在实验过程中，需要严格控制温度、压力、浓度等实验条件，以确保实验结果的准确性和可靠性。
80%
观察记录
在实验过程中，需要对晶粒的生长情况进行实时观察和记录，以便后续结果分析。
实验结果
温度对晶粒长大的影响
随着温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。在一定温度范围内，晶粒长大速度随温度升高而加快。
熔体过热
熔体过热对晶粒长大的影响
熔体过热可以增加熔体的流动性，使晶粒有更多的机会相互接触和合并。这通常会导致晶粒尺寸增大。
熔体过热的控制
为了控制晶粒大小，需要将熔体温度控制在合适的范围内，避免过热。同时，在浇注和成型过程中也要尽量减少热量损失，以保持熔体温度的稳定性。
熔体的纯净度
熔体中的杂质对晶粒长大的影响

电弧焊接接头的晶粒细化研究与优化

电弧焊接接头的晶粒细化研究与优化引言：电弧焊接是一种常用的金属连接方法，广泛应用于船舶、桥梁、压力容器等工业领域。

然而，焊接接头的强度和韧性往往受到晶粒尺寸的影响。

因此，研究电弧焊接接头的晶粒细化问题，对于提高焊接接头的性能具有重要意义。

1. 电弧焊接接头的晶粒生长机制电弧焊接过程中，焊接区域的温度会迅速升高，达到金属的熔点甚至更高。

在这种高温条件下，金属晶粒会发生生长和再结晶的过程。

晶粒的生长机制可分为两种：晶粒边界扩张和晶粒内部再结晶。

晶粒边界扩张是指晶界的移动，从而使晶粒尺寸增大。

晶粒内部再结晶是指晶粒内部的原子重新排列，形成新的晶粒。

2. 影响电弧焊接接头晶粒细化的因素2.1 焊接参数焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度等。

这些参数会直接影响焊接区域的温度分布和冷却速率，从而影响晶粒的生长和再结晶。

通常情况下，较低的焊接电流和较快的焊接速度有利于晶粒细化。

2.2 焊接材料焊接材料的成分和纯度也会对晶粒尺寸产生影响。

一般来说，杂质元素的存在会促进晶粒的生长，而高纯度的材料则有利于晶粒细化。

2.3 焊接热输入焊接热输入是指焊接过程中传递给工件的热量。

过高的热输入会导致焊接区域的温度过高，晶粒生长过快，从而影响晶粒细化效果。

3. 晶粒细化的方法与优化策略3.1 添加晶粒细化剂晶粒细化剂是一种能够促进晶粒细化的物质。

常用的晶粒细化剂包括钛、铌、铝等元素。

这些元素可以在焊接过程中与熔池中的金属发生反应，形成细小的晶核，从而促进晶粒细化。

3.2 控制焊接参数通过合理控制焊接参数，可以调节焊接区域的温度分布和冷却速率，从而实现晶粒细化的目的。

例如，降低焊接电流和提高焊接速度可以有效减缓晶粒的生长速率，促进晶粒细化。

3.3 优化热处理工艺焊接后的热处理可以进一步改善晶粒细化效果。

常用的热处理方法包括退火和正火。

退火可以通过加热和冷却的过程，使晶粒再结晶，从而实现晶粒细化。

正火则是将焊接接头加热至适当温度，保持一段时间后冷却，以消除残余应力和提高接头性能。

400mpa级超细晶粒钢的焊接

400mpa级超细晶粒钢的焊接摘要：对超细晶粒钢在焊接热循环作用下晶粒长大和组织、性能变化的规律进行了研究。

400MPa级钢由于不存在第Ⅱ相粒子对晶粒长大的钉扎作用，晶粒长大趋势明显，焊接热输入越大，长大程度越严重。

无论是焊接热模拟试件还是焊接接头硬度测试均表明HAZ不存在软化问题，接头拉伸试验断在远离热影响区的母材上。

HAZ粗晶区有较多的侧板条铁素体，但缺口冲击功未显示热影响区的冲机韧性低于母材，尽管试件断口分析说明粗晶区的韧性低于母材。

超细晶粒钢：焊接：晶粒长大：粗织0序言在国家重大规划基础研究项目"新一代钢铁材料重大基础研究"中，将通过晶粒超细化实现钢材强度韧性提高一倍的目标。

对于超细晶粒钢而言，热影响区（HAZ）晶粒粗化导致的性能恶化及不适当焊接热输入导致的HAZ软化将是最主要的问题。

研究焊接热循环对母材组织、性能的影响规律及研究适合超细晶粒钢的新型焊接技术和工艺是非常必要的。

日本在其"超级钢"规划中，将超级钢焊接技术作为三个研究主题之一，在800MPa级高强度课题中更将焊接置于极其重要的位置1,2]。

韩国在新世纪高性能结构钢中也非常重视超细晶粒钢的焊接问题3]，为使焊接接头具有90%以上的母材性能（强度、韧性），从焊接技术、焊接材料和焊接工艺三个方向全面开展工作。

作者对超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大规律进行了初步的研究，进行了脉冲MAG、激光焊等方法对超细晶粒钢的适应性研究，以及利用焊后特殊处理技术提高焊接接头性能的探索性研究工作。

1试验用超细晶粒钢及试验研究试验用材为400MPa级课题组在宝钢轧制的SS400热轧钢板，该材料的研究目标是通过晶粒细化使屈服强度提高一倍，板厚3mm，其化学成分和力学性能如表1和表2所示。

材料的原始铁素体尺寸为6~8μm。

在本研究中，用焊接热模拟试验研究了焊接热影响区的晶粒长大规律，研究了400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适应性、热影响区组织及焊接接头力学性能。

超细晶粒钢的焊接性分析哈工大

《先进材料的连接》课程论文超细晶粒钢的焊接性分析学院：材料科学与工程姓名：学号：日期： 2014.12.13超细晶粒钢的焊接性分析摘要：作为新一代高性能钢铁结构材料代表的超细晶粒钢,因其晶粒的超细化从而实现了性能的强韧化,但在焊接时,面临的最大障碍是热影响区晶粒过度长大。

系统分析了超细晶粒钢焊接接头的组织特征和焊接性,针对这些特点，讨论了超细晶粒钢的焊接性,其中包括HAZ性能、焊缝性能、HAZ和焊缝的裂纹倾向等。

关键词超细晶粒钢焊接性 HAZ 晶粒长大局部软化和脆化前言钢铁材料由于综合性能好，资源丰富，价格便宜，成为结构件中使用最为广泛的金属材料。

随着现代工业和科学技术的发展，建筑、机械、汽车、铁路、船舶及海洋等行业对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。

大量研究表明，晶粒细化处理是能够同时提高材料强度和韧性的最佳强化机制。

添加合金元素和控制冶金组织，是实现晶粒细化的基本途径。

依靠工艺措施获得强韧性好的组织，可使钢材在不增加合金含量的情况下，强度、韧性获得提高，从而提高性价比。

1980年开始应用的TMCP( Thermo-Mechanically Controlled Processing)技术，是控轧和激冷技术的结合。

该技术依靠控轧和控制始冷温度、终冷温度和冷却速度将组织组成比（如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体的比例）控制在一定水平，从而获得所需要的强度和韧性。

超细晶粒钢是在TMCP技术基础上发展起来的新一代钢种，其依靠形变诱导形核及控轧、控冷，生成晶粒大小在微米级或亚微米级的铁素体，从而使钢的强度和韧性都大幅提高。

一、超细晶粒钢1.1 分类传统钢中，晶粒尺寸在100μm以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢。

随着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚至达到了微米、亚微米。

本文提到的超细晶粒钢不包括传统细晶钢。

按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小，可分为以下几类。

(1) TMCP钢控轧后立即加速冷却所制造的TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢。

焊接HAZ微区转变及晶粒长大规律研究

焊接HAZ微区转变及晶粒长大规律研究白庆伟;麻永林;邢淑清;陈重毅;亢晓岚【摘要】In order to analyze the microstructure evolution and grain growth processes of coarse grain heat-affected zone(CGHAZ), fine grained heat-affected zone (FGHAZ), and intercritical heat-affected zone (ICHAZ), 12 mm SS400 medium plate was welded under different heat input.The varying rules of the HAZ width, microstructure and microhardness with the variation of heat-input in welding HAZ and all sub-areas were studied using the finite element method in combination with microscopic tests.A relationship between the heat input and HAZ width which follows the Boltzmann distribution was also presented.The result shows that when the steel was welded with heat input of 9.6~22 kJ/cm, the effect of the heat input on the width of HAZ and all sub-areas was small;the width of HAZ increased when the heat input was higher than 22 kJ/cm, especially leading to the substantial increase of width in FGHAZ.Moreover, when the heat input increased, the hardness peak of the joint became higher in CGHAZ which was caused by a restraint of the lamellar bainite transformation and the widmanstatten formation, while the softened zone expanded gradually.Preheating can restrain the growth of the HAZ width for the welding with high heat-input.%采用不同热输入对12 mm SS400超细晶钢进行焊接,并对焊接接头过热区、正火区及不完全正火区晶粒长大程度与组织变化情况进行分析.结合有限元数值模拟的方法研究焊接热影响区及各子区宽度、组织、硬度随热输入的变化规律,得出焊接热输入与HAZ宽度关系曲线符合Boltzmann平衡态理论.试验结果表明,热输入为9.6~22 kJ/cm进行焊接时,HAZ 及各子区宽度变化较小;当热输入大于22 kJ/cm时,HAZ宽度随热输入的增加而增加,尤其正火区宽度大幅增长.同时,过热区组织随着热输入增加片状贝氏体减少,逐步形成粗大的魏氏组织.接头硬度峰值逐渐升高,局部软化区逐渐扩大.在大热输入焊接时,焊接预热可有效抑制热影响区宽度发展.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(044)006【总页数】7页(P30-36)【关键词】显微组织;晶粒长大;HAZ;有限元;Boltzmann分布【作者】白庆伟;麻永林;邢淑清;陈重毅;亢晓岚【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;包头职业技术学院,内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TG422SS400是一种400 MPa级超细晶粒钢铁材料，广泛应用于建筑承重构件.由于在生产过程中很少加入合金元素，将晶粒通过控轧控冷技术(TMCP)进行细化处理，生产成本大幅降低，而强度、韧性比常用同成分钢材提高一倍.但由于第二相粒子对晶粒钉扎作用较小，焊接热循环过程中原奥氏体晶粒异常长大，造成焊接接头质量下降[1-2].此外，根据焊接工艺的不同，焊缝熔深、熔宽以及热影响区(HAZ)宽度势必会不同，在生产中HAZ宽度对SS400的焊后性能有很大影响.过热区过宽容易造成脆断组织范围扩大，接头硬度峰值提高，塑、韧性降低；正火区过宽容易促使局部软化区形成与发展，同时加剧该区域组织不均匀性，接头抗拉强度下降.为强化接头的薄弱环节，在大型工程制造中通常需添加特种连接件增强其抗拉、抗剪性能[3].焊接HAZ宽度实质是焊缝周围组织经过不同热履历而形成，是t8/5、峰值温度、传热条件等要素的综合体现.Ac1温度用来明确给出HAZ外端边界，而HAZ另一边端为熔合线处，其形成温度为金属熔点或液相线Tm.将焊接HAZ宽度作为一项技术指标进行研究，对焊接质量控制有更重要的意义[4].本文针对SS400钢12 mm中厚板，从不同热输入对过热区(CGHAZ)、正火区(FGHAZ)晶粒尺寸及组织变化情况入手，用试验结合有限元模拟的方法得到焊接热影响区宽度拟合曲线，分析不同热输入下HAZ各子区宽度及硬度变化规律，为优化SS400焊接工艺、提高焊接质量提供参考依据.试验用钢为包头钢铁(集团)公司生产的400 MPa级SS400热轧钢板，显微组织为63%铁素体和37%贝氏体双相组成，铁素体晶粒尺寸在12～20 μm之间(如图1所示)，平均显微硬度为141.75 HV(化学成分见表1).沿垂直于轧制方向取300 mm×200 mm×12 mm的试板5副，采用X形坡口平板对接，单边坡口角度为30°.用电弧焊机进行双面单道焊，每组焊板焊接热输入由小到大逐渐增加(工艺参数见表2).层间温度控制在120 ℃.焊缝金属表面余高2 mm，焊缝平整均匀，无气泡缩孔.焊后对焊缝进行切割取样，接头金相试样经磨制、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀处理后，用蔡司显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行金相组织观察.最后用HV-50A 型维氏硬度计进行显微硬度测试.2.1 热影响区组织分析由于X形坡口进行第二道焊时会使部分HAZ以及焊缝组织产生二次再结晶，发生个别晶粒反常长大.为了避免此现象对试验干扰，选取第二道焊缝进行分析研究，而首道焊的热作用可对焊道进行预热.过热区(CGHAZ)晶粒尺寸方便测量且能反映高温热影响区(HTHAZ)晶粒变化及组织特点.对9.6，22，37.8 kJ/cm焊接热输入下的CGHAZ组织进行对比.如图2(a)，热输入为9.6 kJ/cm形成的CGHAZ含有多个反常长大的原始奥氏体晶粒，粗晶粒尺寸在50～90 μm之间.当热输入加载到22 kJ/cm时(图2(b))，过热区晶粒尺寸进一步增大，可达到110 μm左右，晶界清晰可见.针状魏氏(WF)组织及上贝氏体(BF)在奥氏体晶界处逐步形成.当热输入为37.8 kJ/cm时(图2(c))，母材组织过热严重，魏氏组织由晶界向晶内生长且枝晶臂更加粗化.晶粒长大到一定程度后，晶界曲率半径逐渐增大，扩散驱动力减弱，导致奥氏体晶粒尺寸受热输入影响减弱[5].将图2(a)中A处及图2(c)中B处的高密组织用SEM进行表征，分别如图3(a)及图3(b)所示.热输入为9.6 kJ/cm，由于过冷度较小，导致转变为奥氏体时组织残留母材特征，形成片层状贝氏体.而热输入为37.8 kJ/cm时，魏氏组织形成温度高，铁素体片中具有表面浮凸，晶内片状贝氏体结构减少，下贝氏体亚单元按一定角度的交角均匀分布.魏氏组织的大量出现可能是导致HAZ韧性降低的一个重要原因[6-8].综前所述，热输入较低时，接头t8/5时间较短，原子连续扩散时间缩短，并且奥氏体晶界析出的Fe3C对晶粒钉扎作用明显，抑制了晶粒生长[9].冷却时奥氏体晶粒内含碳量过饱和的铁素体和碳化物组成韧性较好的片层贝氏体.随着t8/5时间的增加，CGHAZ原始奥氏体晶粒尺寸按一定比例显著增加，并且区域组织发生改变.晶界处贝氏体板条结构中的富碳区遭到破坏，沿奥氏体晶界析出大量针状铁素体，并且明显有长大的趋势[10].由于正火区(FGHAZ)形成温度为Ac3～1 100 ℃(晶粒急剧长大温度)，位于奥氏体转变区内，晶粒形状均匀稳定且与不完全正火区(ICHAZ)相邻，可充分反映低温热影响区(LTHAZ)晶粒尺寸随热输入变化情况[11].如图4(a)(b)，由于热输入在9.6kJ/cm，14 kJ/cm时熔池附近温度较低，晶粒周围析出少量渗碳体，大多数铁素体形貌为针状.另外晶粒长大速度慢、保温时间短，细晶区铁素体平均晶粒尺寸只有2.3 μm左右.热输入为22 kJ/cm时，晶粒尺寸达到10.5 μm(如图4(c))，与前者相比明显长大.贝氏体分布于铁素体界面附近，渗碳体由铁素体晶界周围析出，局部C含量偏聚严重.热输入为23.4 kJ/cm时同样也出现区域偏析现象(如图4(d))，由于峰值温度高，保温时间长，铁素体晶界向畸变较大的区域生长，铁素体形貌开始发生改变，冷却形成界面能较小的球状晶粒，很少出现针状铁素体.而热输入达到37.8 kJ/cm时，铁素体晶粒延续上一长大过程(如图4(e))，但长大速率明显降低.C原子长时间均匀扩散，转变为较小的粒状贝氏体且均匀分布在铁素体外侧，碳偏聚逐渐减少.2.2 HAZ宽度探究在焊接过程中，焊缝周围金属的凝固方式主要受热输入和焊接速度的影响.焊缝冷却速度公式[12]为：式中：Q为热输入；V为焊接速度；k为工件热导率；T0为焊接前温度.由式(1)可知，随着热输入与速度的比值Q/V下降，冷却速度提高，不利于晶粒形成与长大. 结合金相组织分析判断，将热输入及HAZ尺寸控制在较小范围内可有效提高焊接质量.在对焊接接头进行宏观测量时发现X形坡口HAZ按照宽度可分为两个区域，即HAZ近表面处(图5A处)和焊缝-母材中心处(图5C处).同一焊缝HAZ近表面处形成热量传导最优区域，热量散失严重，冷却速度最快[13].由于传导散热的方向是沿温度梯度最大的方向，使近表面处较少组织达到HAZ开始形成温度Ac1以上，金属凝固后形成的HAZ较窄.然而焊缝-母材中心处正好位于X形坡口的中心处，冷却速率是整个接头最慢的区域，因此相变过程长时间处于晶粒长大期.同时，更多母材被加热到Ac1～Ac3之间，产生不完全相变，而此时传热速率恰好适于FGHAZ晶粒均匀化长大，造成焊缝-母材中心处的FGHAZ宽度最大.本试验选取其平均宽度(图5B处)对HAZ宽度进行测量研究.进行各区域宽度测定时，用过饱和的苦味酸对接头腐蚀3 min，组织达到“过腐蚀”状态(如图6)，使HAZ各子区对比度鲜明.采用低倍蔡司显微镜进行照相取样，之后用金相分析软件进行区域划分，对界线部分积分微元化处理求出其平均距离. HAZ各子区宽度曲线如图7所示，热输入为9.6～22 kJ/cm时，CGHAZ宽度占HAZ总宽度的50%以上，而ICHAZ最窄只有0.4 mm.结合金相组织分析，Tm～Ac1温度范围内冷却速度在较低水平，奥氏体晶界迁移相对较弱，区域生长不明显.当热输入大于22 kJ/cm时，焊接峰值温度较高，由于细晶粒的晶界多，界面能高，界面移动的驱动力高于粗大晶粒长大的驱动力，致使细晶粒长大速率相对较快，故FGHAZ和ICHAZ宽度迅速增加，此时接头的软化区成为最薄弱处；过热区虽然t8/5停留时间较长，但粗晶组织长大到一定程度后生长阻力大于驱动力，同时吞并较小晶粒，限制了此区域宽度增加，导致CGHAZ基本保持不变.通过试验结合文献[14]中有限元模拟的方法对焊接热影响区宽度数据进行补充分析，1∶1实体有限元模型如图8所示.如图9所示，从试验及模拟结果可以看出在热输入为9.6～22 kJ/cm时，热输入对HAZ宽度影响相对较小，出现宽度变化平缓区，基本保持在2 mm左右；当热输入在22～37.8 kJ/cm时，HAZ宽度随热输入呈阶梯式增长；当热输入大于37.8 kJ/cm时，宽度增长出现第二个平缓区，此趋势正符合Boltzmann平衡分布理论[15]，即热输入对热影响区宽度的影响存在急剧增长区域与相对平缓区.设定焊接热输入与HAZ宽度的函数关系为y=g(x)，根据图9中模拟值的特征曲线变化趋势，借助Boltzmann数学模型进行函数拟合.拟合方程为：求得X形坡口焊接热输入与热影响区宽度的通解为：对数据和关系的相关性进行验证，其相关系数R>0.98.根据文献[16]引入临界板厚概念并对单道坡口焊接热影响区宽度进行计算，对于“薄板”二维导热，由峰值温度推导可得宽度公式为：式中：E为热输入；δ为板厚；Tn为HAZ外端边界形成温度；Tm为熔合线处形成温度；T0为环境温度；对体积比热容进行修正：cρ=6.2 J/(cm3·℃).得到单道焊接与X形坡口计算对比曲线如图10，在X形坡口110 ℃低热输入焊接工艺下，焊接热影响区尺寸几乎相同，但在较大热输入时，单道坡口温度梯度较大，导致宽度迅速增加，所以大热输入焊接时，预热可有效抑制热影响区薄弱组织生长.2.3 硬度分析SS400钢第二道焊接接头热影响区的硬度分布如图11所示.焊缝和热影响区硬度随焊接热输入增大而增加，尤其热影响区硬度峰值明显增大.热输入为37.8 kJ/cm 时，由于高温冷却速度快，HAZ出现大量强度较高、塑性较差的魏氏体，使接头硬度峰值达到197 HV，比热输入为9.6 kJ/cm时硬度峰值高出近20 HV，比母材高出50 HV.另外，焊接热输入较大时，正火区晶粒不断发展，与ICHAZ晶粒相互交织生长严重，LTHAZ析出物逐渐增多，形成低于母材硬度的软化区.同一接头力学不均性增加，导致接头抗拉性能减弱[17].硬度测试与以上分析结果一致.1)随着焊接热输入的增加，SS400熔合区附近原奥氏体晶粒反常长大严重，且HAZ片状贝氏体数量减少，魏氏组织沿晶界长大趋势明显；另外，正火区组织形核生长速率逐渐加快，组织均匀性增强.2)通过焊接试验结合数值模拟的方法得出符合Boltzmann平衡理论的X形坡口焊接热输入与热影响区宽度的关系曲线.热输入分别低于22 kJ/cm和高于37.8kJ/cm时，宽度增长缓慢，趋于平衡生长期.3)热输入在9.6～22 kJ/cm对SS400进行焊接时，过热区占总宽度的50%以上；当热输入大于22 kJ/cm进行焊接时，正火区和不完全正火区迅速增加，而过热区尺寸几乎不变，导致接头软化倾向严重.在大热输入焊接时，焊接预热可有效抑制热影响区宽度发展.【相关文献】[1] 侯振波，史耀武，田志凌.SS400超细晶粒钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展速率[J].钢铁研究学报，2004，16(2)：47-49.HOU Zhenbo，SHI Yaowu，TIAN Zhiling.Fatigue crack growth ratein ultra-fine grain steel SS400 and its welded joint[J]．Journal of Iron and Steel Research，2004，16(2)： 47-49．(In Chinese)[2] 舒玮，王学敏，李书瑞，等.含Ti复合第二相粒子对微合金钢焊接热影响区组织和性能的影响[J].金属学报，2010，46(8)：997-1003.SHU Wei，WANG Xuemin，LI Shurui，et al.Influence of second-phase particles 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晶粒粗大和细化

晶粒粗大和细化（一）晶粒大小对性能的影响1.晶粒大小对力学性能的影响一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服点（σS）、疲劳强度（σ-1）塑性（δ、ψ）和冲击韧度（αK），降低钢的脆性转变温度，因为晶粒越细，不同取向的晶粒越多，晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，所以能提高强度和韧性。

因此，一般要求总希望获得细晶粒。

钢的室温强度与晶粒平均直径平方根的倒数成直线关系（见图1）。

其数学表达式为+Kd1/2σ=σ式中 σ——钢的强度（MP）；σ0——常数、相当于钢单晶时的强度（MPa）；K——与材料性质有关；d——晶粒的平均直径（mm）。

图1 晶粒大小对钢的强度影响图2 晶粒大小对钢的脆性转变温度的影响1—ω（C）=0.02%，ω（Ni）=0.03%2—ω（C）=0.02%，ω（Ni）=3.64%合金结构钢的奥氏体晶粒度从9级细化到15级后，钢的屈服强度（调质状态）从1150MPa提高到1420MPa，并使脆性转变温度从-50℃降到-150℃。

图2为晶粒大小对低碳钢和低碳镍钢冷脆性转变温度的影响。

对于高温合金不希望晶粒太细，而希望获得均匀的中等晶粒。

从要求高的持久强度出发，希望晶粒略为粗大一些。

因为晶粒变粗说明晶界总长度减少，对以沿晶界粘性滑动而产生变形或破坏形式的持久或蠕变性能来说，晶粒粗化意味着这一类性能提高。

但考虑到疲劳性能又常希望晶粒细一点，所以对这类耐热材料一般取适中晶粒为宜。

例如 GH135晶粒度对疲劳性能及持久性能的影响：晶粒度从4～6级细化到7～9级时，室温疲劳强度从290MPa提高到400MPa。

在700℃下，疲劳强度从400MPa提高到590MPa。

因为在多数情况下大晶粒试样疲劳断口的疲劳条痕间距较宽，说明疲劳裂纹发展速度较快；而疲劳裂纹在细晶粒内向前推进时，不但受到相邻晶粒的限制，而且从一个晶粒到另一个晶粒还要改变方向，这些都可能是细晶能提高疲劳强度的缘故。

但是，晶粒细化后持久强度下降，蠕变速度增加。

晶粒长大

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图7-32是Fe-Si(wSi=0.03) 是合金的晶粒长大曲线。合金的晶粒长大曲线。高纯材料只发生正常长大(1)；含MnS颗粒的材；颗粒的材料中有的晶粒迅速长大，料中有的晶粒迅速长大，有的仍保持细小(2)(3)。有的仍保持细小。二次再结晶晶粒是在约 930ºC时突然长大的，在此温度时时突然长大的，熔化，时突然长大的在此温度时MnS熔化，晶熔化界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。温度高于 930ºC后，二次再结晶的数量增多，晶粒平均尺后二次再结晶的数量增多，寸反而下降了。寸反而下降了。
• Fe-Si(wSi=0.03)合金在合金在800ºC加热时，由于加热时，合金在加热时合金中分布有细小的MnS颗粒体积分数为颗粒(体积分数为合金中分布有细小的颗粒 0.01，直径， • 约0.1µm), • 晶粒长大 • 时，晶界 • 受其钉扎，受其钉扎， • 长大到一定 • 尺寸就停止 • 了。
• 7.4.2 晶粒的反常长大：再结晶完成后，晶粒应该晶粒的反常长大：再结晶完成后，均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶。均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶，再结晶完成后，少数晶粒突发性地迅速粗化，发性地迅速粗化，使晶粒之间的尺寸差别显著增反常长大。这种不正常的晶粒长大称为反常长大大，这种不正常的晶粒长大称为反常长大。也称二次再结晶。为二次再结晶。
• (4) 一次再结晶后的组织，由于某些原因产一次再结晶后的组织，生了局部区域不均匀现象而存在个别尺寸很大的初始晶粒，很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他晶界，就会迅速长大。晶界，就会迅速长大。 • 二次再结晶并没有再形核过程，只是某些二次再结晶并没有再形核过程没有再形核过程，因素导致少数晶粒异常长大而已。因素导致少数晶粒异常长大而已。 • 在条件适宜时，有可能发生三次再结晶，在条件适宜时，有可能发生三次再结晶，其规律及机制与二次再结晶相同。其规律及机制与二次再结晶相同。