低合金高强度钢药芯焊丝焊缝中夹杂物诱导针状铁素体形核的作用

低合金高强度钢药芯焊丝焊缝中夹杂物诱导针状

铁素体形核的作用

余圣甫　李志远　石仲方方

土　

张国栋(华中科技大学材料科学与工程学院　武汉　430074)

摘要:　测量了HSLA 钢药芯焊丝焊缝中夹杂物尺寸大小,分布状况,用透射电镜和能谱仪观测了焊缝中夹杂物的形态和化学成分,系统研究了焊缝中AF 的形核机理。在药芯焊丝焊缝中,适量的Ni 、Mn 和Mo 有利于提高焊缝显微组织中的AF 质量分数,Ni 、Mn 和Mo 的质量分数和焊接线能量对夹杂物的尺寸大小、化学成分影响不大,诱导

AF 形核、长大的夹杂物是Ti 、Mn 、Si 、Al 、Cu 形成的氧硫复合物。夹杂物有高能惰性界面,以及夹杂物附近存在很

高的应变能,两者共同作用诱导药芯焊丝焊缝中AF 的形核。叙词:　药芯焊丝　焊缝金属　非金属夹杂物　AF 中图分类号:　TG 401

　20001106收到初稿,20010121收到修改稿

0　前言

尽管新型工程材料不断涌现,但具有较高强度、

良好低温冲击韧度,属于绿色环保材料的低合金高强度钢(High strength low alloy steel ,简称HSLA 钢)在21世纪机械工程制造业中仍占据着主导地位。随着HSLA 钢焊接结构用于天然气管道,海洋平台等严酷环境下,对HSLA 钢焊缝的强度和韧性提出了更高要求,如何有效地提高焊缝的强度和韧性是人们关注的焦点。

研究发现焊缝中含有适量的针状铁素体(Acicular ferrite ,简称AF )不仅能提高其强度,而且能显著提高其低温冲击韧度[1],因AF 板条之间为高角度晶界[2],AF 含有高密度位错,微裂纹解理跨越AF 要消耗很高的能量。由此可见,AF 在工程结构钢的焊缝显微组织中占据着举足轻重的地位。

自发现AF 能显著提高焊缝的低温冲击韧度,有关AF 的形核机理、影响因素倍受关注,许多材料工作者从事AF 的形核机理、影响因素的研究,得出了许多有价值的结论[1～3]。

熔敷效率高、综合成本低的药芯焊丝目前广泛

用于HSLA 钢的焊接,但现有关药芯焊丝焊缝中

AF 形核机理研究报道不多见。本文研究了HSLA 钢药芯焊丝焊缝中夹杂物尺寸大小、化学成分与AF 形成的关系,这对控制HSLA 钢药芯焊丝焊缝中的显微组织,提高其强韧性有着重要的理论意义和实际工程价值。

1　材料和试验方法

母材为Mn 2Mo 2Ni HSLA 钢,化学成分与力学性能如表1。焊接材料为Y J 657碱性药芯焊丝和Y J 501酸性药芯焊丝,焊接时电流160～180A ,电压28～30V ,气体流量20L/min 。研究Ni 、Mn 、Mo 对焊缝显微组织、焊缝中夹杂物的影响时,调整Y J 657药芯焊丝中Ni 、Mn 、Mo 的质量分数,获得不同Ni 、Mn 、Mo 质量分数的焊缝。用不同焊接速度焊接,获得不同焊接线能量的焊缝。将各种情况下的焊缝制成金相试样,用AMRA Y —1000型扫描电镜和J EM2000FX 透射电镜观察焊缝的组织和夹杂物的形貌,对诱导AF 形核、长大的夹杂物进行能谱分析,用IBAS —2000自动图像分析仪对焊缝中的夹杂物的尺寸大小、分布进行测量。

表1　Mn 2Mo 2Ni H S LA 钢的化学成分与力学性能

质　量　分　数w /%

力　学　性　能

屈服点

抗拉强度夏比V 形缺口冲击韧度C Si Mn Ni Mo S

P

σs /MPa

σb /MPa

αK v -20℃/(J ・cm -2)

0110

0150

1150

1125

0135

≤01012≤01035

570

680

200

　第37卷第7期机　械　工　程　学　报

Vol 137　No 17　2001年7月

CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL EN GINEERIN G

J ul 1　2001

2　试验结果与讨论

211　Ni、Mo、Mn对焊缝中AF的影响

表2为不同化学成分焊缝中先共析铁素体(Proeutectoid ferrite,简称PF)和AF的百分数。由1、2和3号数据可知,随焊缝中Ni质量分数增加, AF增多,PF减少;Ni质量分数达1184%后,Ni质量分数的增加对焊缝中的AF和PF影响不大。

由4、5和6号数据可知,随焊缝中Mn质量分数的增加,AF增多,PF减少;Mn质量分数达1156%后,Mn质量分数的增加,焊缝中的AF稍微减少,PF稍微增加。

由5、7和8号数据可知,焊缝中Mo质量分数增加,AF有所增加,PF有所减少;焊缝中Mo质量分数达0149%时,Mo质量分数增加,焊缝中AF减少,PF增多。

表2　焊缝的化学成分质量分数和PF、AF的百分比w/%编号C Si Mn S P Ni Mo Ti Al PF AF 10104201371134010010101301550130010150104053174613 20104001351147010100101211840133010130103528137117 30104501381151010110101321250132010140104027197211 40104601350178010110101911890135010150103556164314 50105001361156010100101611950132010140104027167214 60105201361189010120101121010135010160103530116919 70104301331163010100101511880149010130103823187712 80104801491159010110101711890164010150103647155215

由此可见,焊缝中Ni、Mo和Mn的质量分数影响焊缝中的显微组织。这是因为Ni、Mo和Mn能改变焊缝的相变动力学,即Ni、Mo和Mn使焊缝中的连续冷却转变CCT图曲线的位置发生了变化[4]。由于Ni和Mn能细化原始奥氏体晶粒,扩大CCT 图的AF形成区域。随着焊缝中Ni和Mn合金元素质量分数的增加,AF质量分数增加。但焊缝中Ni和Mn的质量分数有一个最佳范围,焊缝中Ni 质量分数超过215%,Mn质量分数超过118%会使原奥氏体晶粒粗大,不利于AF的形成。

Mo是铁素体稳定元素,焊缝中Mo质量分数小于0145%时,Mo质量分数的增加抑制焊缝中块状PF,有利于AF形核。焊缝中Mo质量分数大于0145%时,Mo促进M2A

组元形成,出现侧板条铁素体。因此,

开始焊缝中Mo质量分数增加,AF有增加,PF有减少;Mo质量分数达0149%时,增加Mo 质量分数,焊缝中AF减少,PF增多。

图1为焊缝中2101%Ni、1189%Mn、0135%Mo 时的光学显微照片,图2为其扫描电镜照片。由图可以看出,焊缝中有较多的AF,少量的PF。

212　Ni、Mo、Mn对焊缝中夹杂物的大小、分布的影响

表3为焊缝中Ni、Mn、Mo质量分数不同时(化学成分见表1),Y J657碱性药芯焊丝焊缝中夹杂物数据。不难看出,Ni、Mn、Mo对焊缝中夹杂物的大小、分布影响不大。这是因为焊缝中的夹杂物为

图1　焊缝光学显微组织照片　×300

图2　焊缝扫描电镜显微组织照片　×1000 MnO、TiO、SiO2、Al2O3、MnS、CuS或(Mn,Cu)S的复合物,TiO、SiO2、Al2O3的熔点较高,先从液态金属中析出,Mn的氧化物、硫化物依附TiO、SiO2、Al2O3形核、长大,同时Ni、Mo基本不形成氧化物,

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　机　械　工　程　学　报第37卷第7期