焊缝中针状铁素体行核机制及对强韧性的影响

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图 3 不同 Mn 含量的钢中 MDZ 中夹杂物尺寸 对铁素体异质形核激活能的影响 (4) 高应变能形核理论 认为奥氏体和夹杂物之间热膨胀系数的不同，可引起奥氏体和 夹杂物的界面存在热应力，热应力会降低铁素体形成的激活能。图 4 是奥氏体基体中不同 夹杂物的热膨胀系数(△α)与 AF 在夹杂物上形核率的关系图。可以看出，相对于其它夹杂 物，奥氏体和 MnS 或铁的氧化物间△α 最小。夹杂物附近基体收缩诱发的应力是非常小的。 MnS 和铁的氧化物对于 AF 形核不起作用。夹杂物上 AF 形核率随着△α 值的增加而增大。 因此，Mn-Al 基或 Al 基硅酸盐系对 AF 形核有用。
1.0 0.8
G*(het.)/G*(hom.)
0.6 0.4 0.2 0.0 0.01
Austenite grain boundary
Inclusion
0.1 1 Inclusion Radius (m)
10
图 1 夹杂物半径对铁素体异质形核能 ∗ ∗ △G(het .) 及均匀形核能△G(hom .) 的影响 (2) 共格界面形核理论 认为 AF 与夹杂物良好的晶格匹配性降低了形核的激活能，由 于铁素体与奥氏体之间的位相关系约束作用，夹杂物和铁素体之间及铁素体和奥氏体之间 要获得合适的位相关系非常困难，所以 AF 优先在夹杂物表面形核。图 2 为 TiC 和 WC 两 种化合物分别与 δ-Fe 之间晶格匹配关系，可以看出 δ-Fe 与 TiC 之间的错配度低于与 WC 之间的错配度，因此 TiC 对 AF 形核有利。
焊缝中针状铁素体形核机制及对强韧性的影响
0 引言
AF（针状铁素体）低合金高强钢焊缝中常见的一种铁素体，其综合的机械性能优异， 具有良好的韧性，可以很好的改善焊接接头的机械性能。低合金高强钢 (HSLA) 焊缝金属 的固态相变较为复杂，其最终组织取决于焊缝金属的化学成分和冷却速度。焊缝金属性能 优良的最理想组织是获得大于 65%的 AF 组织，其平均板条尺寸约为 1μm ， 当 AF 板条 由 2.4μm 减小到 1.4μm 时，-40℃冲击韧性能量变化 40J，相当于焊缝金属组织中 AF 的 体积分数由 30%增加到 80%时 V 型缺口冲击试验能量的变化。因此近年来从不同的角度 对 AF 形核及影响机理进行了大量的研究，但十分遗憾的是到目前为止对于 AF 形核机制 及其控制还没有统一的观点，AF 在焊材设计中的工程应用还处于非可控的阶段。尽管如此， 对 AF 形核及其影响研究仍然有助于在焊接材料设计中对焊缝组织有效控制和利用。此外， 随着对于焊接接头抗裂性及疲劳性能要求增加，扩散氢含量最低达到 3.0ml/100g，抗冷热 裂性能进一步增强。焊接材料工艺性的设计主要集中在全位置焊接性能、飞溅、烟尘及高 效率等的进一步改进和提高上。
1.0
(1.6) ( ) - content of Mn , wt.
G*(het.)/G*(hom.)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.01
Austenite grain boundary (0.6) (0.0) Effect of MDZ
0.1 1 Inclusion Radius (m)
Simple nitrides Simple sulfides Complex oxysulfides and multi-phase inclusions
1.3 热输入对 AF 形核的影响 焊接参数如 HI、工件形状、气体流量等的不同可引起焊缝金属微观组织和韧性的变化， 其中 HI 是主要影响因素。文献通过 HI=1.0-2.75kJ/mm 对高强度钢 12Ni3CrMoV 气体保护 焊丝焊缝金属强韧性的研究表明，随着 HI 增加，C、Mn、Ti 等合金元素烧损增加，合金 含量下降，淬硬性降低，焊缝金属的冷却时间延长，从而有利于强度较低、低温韧性较差 的铁素体生成。焊缝金属组织由 GB、小块状铁素体和 AF 向粗大的块状铁素体及 GB 转变。 且得出 HI 与-50℃冲击功间拟合式(1)，其中 R 为拟合相关系数(R2=0.4875)。 AKV-50℃=68.86+2.65HI-0.099HI2 (1)
Possibility of AF Nucleation on Inclusion
图 4 奥氏体基体中不同夹杂物的热膨胀系数 与 AF 形核率的关系 [10]
1.2 夹杂物对 AF 形核的影响 焊缝金属中夹杂物的大小、数量、成分、冶金等因素对 AF 形成至关重要。随着夹杂 物直径从 0 到 1μm 的增大，夹杂物颗粒表面积增大， AF 在夹杂物上异质形核能垒降低。 但当夹杂物直径大于 1μm 时，形核能垒只轻微降低，因此再进一步增大夹杂物直径将没有 意义。作为 AF 异质形核的夹杂物颗粒直径的极限值为 1μm 见图 5 。图 6 为焊缝金属中所 有夹杂物和可促使 AF 形核的夹杂物分布情况，可以看出 AF 形核数量最多的地方对应的 夹杂物直径范围为 0.5-0.8μm。然而，在这些夹杂物上 AF 形核率却比在直径大于 1μm 的 夹杂物上形核率小[3] 。Ramirez J E 却认为夹杂物直径的平均值和最大值分别在 0.3-0.6μm、 0.9-1.7μm 之间。Li Z X 得出作为 AF 形核的核心的夹杂物尺寸大多数在 0.2-0.6μm 之间， 并且是含有多种元素的复合夹杂物，具有化学成分不均匀性。焊缝金属中可促使 AF 有效 形核的夹杂物体积分数为 36%，其中第Ⅲ类夹杂物占 26%，第Ⅳ类夹杂物占 10%，而不 能形核的第Ⅰ、Ⅱ类夹杂物体积分数分别为 38%、26%。 Yamada T[在研究低碳 Ti-B 焊缝金属中夹杂物与 AF 形成的关系时，得出充当 AF 形核 质点的夹杂物主要由 Si-Mn 系的非晶相、MnS、MnAl2O4 组成。Bose-Filho W W 研究得 出在 Ti 含量较低时，焊缝金属中的夹杂物主要组成为 MnOSiO2；进一步添加 Ti，则会使 得夹杂物中 Ti 含量增加，夹杂物主要组成变为 MnOSiO2、Ti2O3、TiO；当 Ti 含量高达.
Hidenori T 研究得出焊缝金属含 0.022%Al 时，Mn-Al-Si-O 系中玻璃相作为主要的脱氧产 物充当夹杂物核心；0.035%Al 时对应的为 Al2O3 和定的玻璃相。 Yamada T 也研究得出 AF 和夹杂物表面厚度为 10-20nmTiO 薄层间存在 BakerNutting 取向关系，与奥氏体基体间存在 Kurdjumov-Sachs 取向关系见图 7，TiO 和 AF 间 晶格匹配度为 3.0%，从而有利于 AF 异质形核。含 Ti 的氧化物是 AF 形成的最好质点。富 Ti 的夹杂物可加速焊缝金属中 AF 形成的动力。Paniagua-Mercado M [通过 SEM 观察到含 Ti 夹杂物为亮白色的圆形，当焊缝金属中 Al 含量低于 Ti 含量时，夹杂物将以 TiO 为主， 相反则为 Al2O3，此时 Ti 通常与 N 生产 TiN 夹杂物，含 Ti 的白色夹杂物会充当 AF 异质形 核质点。Ramirez J E[7]得出焊缝金属中含有球形、面形和块状的不同形状的夹杂物核心主 要由不同比例的 Ti、Mn、Si、Al 等的氧化物组成，表现为复合脱氧产物，其中圆形夹杂物 由于不会引起钢基体应力集中，比有棱角夹杂物对 AF 形核有利。
化，从而局部增加了夹杂物表面铁素体形核的热力学驱动力。贫 Mn 区(MDZ)中 Mn 元素 含量对夹杂物表面铁素体形核能垒的影响如图 3 所示。可见 MDZ 中铁素体异质形核的激 活能随着 Mn 含量的减少而降低。因此，在 Mn 含量非常低(约为 0%)时，铁素体更容易在 直径大于 1μm 的夹杂物表面形核。
通过对 TiN、TiC、SiC、ZrN、ZrC 和 WC 六种化合物有效形核时的平面错配度和过 冷度的计算表明：TiN 和 TiC 的点阵错配度最小；ZrC 和 WC 具有非常高的点阵错配度及 过冷度，对形核不起作用；SiC 和 ZrN 处于两者之间。夹杂物要与铁素体间具有低的错配 度，必须具有简单的晶体学取向关系，夹杂物要成为形核质点必须具有一个高的过冷度。 夹杂物表面和形核铁素体之间的位相关系比铁素体和奥氏体之间重要。也有研究表明，通 过在钢中用 TiN 及其它夹杂物进行孕育处理，证明晶格匹配不是影响 AF 形核的主要因素。 (3) 热力学驱动形核理论 认为夹杂物导致奥氏体基体中 C、Mn、Si 等强化元素的贫
25 20
Fe3O4
Austenite ()
(1/ OC
15 10 5 0
MnS FeO
La2O3 CaO MnO CeO2 Nd2O3 CaS MgO TiO2 Fe2O3 TiN ZrO2 C3A
CFra Baidu bibliotek6 MA
Cr2A7 CA A3Si2 SiO2
Cr2O3 Al2O3
CA2 Mn2A2Si5
Probability of Ferrite Nucleation (% )
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Inclusion Size (m) 1.2 1.4
图 5 焊缝金属中夹杂物尺寸对 AF 形核的影响 zzz 图 6 低碳钢焊缝中夹杂物分布图 700ppm 时，夹杂物中 Ti 含量将高达 60-70%，此时夹杂物表面将被 Ti2O3、TiO 包覆。
1.低合金高强钢焊缝金属的韧化
1.1 AF 的形核机制 目前针对焊缝金属中 AF 的四种形核机制存在不同的观点： (1)高能惰性基体形核理论 认为夹杂物作为惰性介质形核界面，降低激活能促进了 AF 的形核。然而 D. S. Sarma 却指出 ，夹杂物尽管提供了形核需要的外表面，但是并不等同 于晶界。铁素体在夹杂物表面上异质形核的激活能通常高于在奥氏体大角度晶界上异质形 核的激活能。铁素体在夹杂物上异质形核的激活能比均匀形核的激活能低，随着夹杂物直 径的增大，激活能之比降低且总小于 1.0 如图 1。因此，夹杂物作为 AF 异质形核中心，其 大小和数量对焊缝金属组织改善至关重要。
B-N
AF Inclusion K-S TiO2
[25] 2222 图 7 AF、奥氏体和夹杂物三者之间晶体学取向关系
Austenite
综上所述，根据夹杂物对 AF 形核的影响，可将其分为活性夹杂物和惰性夹杂物，两 者对 AF 形核的影响如表 1 所示 。直径 0.5-0.8μm、体积分数 36%、表面富 TiO 薄层且成 圆球形的夹杂物一定可促进 AF 形核。 表1 夹杂物的化学组成对AF形核的影响[3] Compound added Simple oxides (Ti, Complex oxides Al2O3) Galaxite spinel MnO-Al2O3 TiN, VN Al2O3-MnS, TiO2-Al2O3- MnS Ti- and Ti-Ca-oxy-sulfides Ti2O3-TiN-MnS, TiOx-TiN-MnS FeS-(Mn,Cu)S, MnS-VC, MnSV(C, N) Active inclusions Ti-oxides (Ti2O3 and TiO) Mn)2O3, TiO2-(MnOInert inclusions Al2O3, SiO2, Ti2O3 MnO-SiO2, MnO-FeOx-SiO2, MgO-Al2O3 MnO-Al2O3 TiN MnS, CuS
然而 Song S P[28]在研究了 HI=1.507-2.987kJ/mm 对 E71T-8J 自保护 FCAW 焊缝金 属的影响时，结果却表明：随着 HI 增大，夹杂物的数量、形态、粒径、分布等均无明显变 化，合金元素的烧损轻微，主要是焊缝金属的显微组织发生了粗化，其中 PF 含量增加， AF 和粒状贝氏体(GB)含量减少，熔敷金属低温韧性降低，-40℃冲击吸收功由起初的 153J 降低到 31J，也得出 HI 与-40℃冲击功间拟合式(2)， 其中 R2=0.93089。Bajic N 研究了 HI 在 0.75 kJ/mm 和 2.1 kJ/mm 两种焊接条件下，X60 管线钢 SAW 焊缝金属微观组织的 变化，也得出较低 HI 对 AF 形成有利，AF 含量可达 72%。 AKV-40℃=69.67+110.12HI-40.39HI2 (2)