夹杂物对Ti_Zr微合金钢中针状铁素体形成的影响_石明浩

第 10 期 石明浩等 :夹杂物对 T i , Z r 微合金钢中针状铁素体形成的影响
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具有较高的强度和良好的低温冲击韧性[ 5 -7] ·早 在 1990 年 , 一些冶金方面的日本学者在研究氧化 物夹杂对焊接热影响区作用中发现 , 钢中的微观 组织和晶粒尺寸可以通过形成高熔点均匀分布的
图 1 经过焊接热循环后钢中夹 杂物尺寸的分布 Fig.1 Distribution of inclusion size after thermal cycle of welding
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东北大学学报(自然科学版) 第 33 卷
经观察发现 , 焊接热循环后钢中的夹杂物以
近似圆形的氧化物夹杂为 主·Z r 和 T i 的氧化物 具有非常高的熔点 , 即使经历大输入热焊接高温 条件 ,Z r 和 Ti 的氧化物也不会分解 , 在热循环后
细小 的 粒 子 (粒 子 直 径 小 于 3 μm )来 得 以 改 善[ 3 , 8 -10] ·这些在钢中弥散分布的高熔点第二相 质点 , 阻止奥氏体晶粒的长大 , 从而提高钢材的强 度和韧性·在大热输入焊接条件下 , 以这些高熔点 的第二相质点为核心发生非均质形核 , 在热影响粗 晶区中形成一定数量的针状铁素体组织 , 从而改善 热影响粗晶区的性能·本文利用 MM S -300 型热 模拟机对 T i , Zr 微合金钢进行焊接热输入能量为 100 kJ/ cm 、峰值温度为 1 400 ℃的大热输入焊接 模拟实验·研究了焊接热循环之后 , Ti , Z r 微合金 钢中夹杂物的特征对粗晶热影响区组织的影响·
ຫໍສະໝຸດ Baidu
用金相光学显微镜对母材和焊接粗晶热影响
区组织进行观察·将经过大热输入焊接热模拟的 试样进行抛光 , 放在 H DL -68 型干燥除湿箱中存 放 , 防止抛光表面与空气接触污染表面 , 利用扫描 电子显微镜在热电偶附近进行连续视场拍摄 , 借 助 Image -P ro Plus 软件定量分析了经过焊接热 循环之后钢中的夹杂物数量 、大小和分布·采用电 子探针显微镜对形成针状体的夹杂物进行微区成
石明浩 , 段争涛 , 张朋彦 , 朱伏先
(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 , 辽宁 沈阳 110819)
摘 要 :采用实验室真空感应炉 , 炼制了 3 炉 35 kg 钢锭·利用 M M S -300 型热模拟 机对实验 钢进行 线 能量为 100 kJ/ cm , 峰值温度为 1 400 ℃的大热 输入 焊接模 拟实 验·借助 金相显 微镜(O M)、扫 描电子 显微 镜 (SEM)、能谱分析仪(EDS)和电子探针显微镜(EPM A)对粗晶热影响区(CGHAZ)组织 进行观察 ;研究了 热循 环后夹杂物的数量 、大小 、分布和组成对焊接热影响区(HAZ)中针 状铁素体形 成的影响·结果 表明 :在粗晶 热 影响区中针状铁素体的数量随小尺寸氧化物夹 杂的数 量和面 积分数的 增加而 增加 ;针状铁 素体在 T i, Zr 为 主的复合夹杂物上形核 , 这些夹杂物多以 Ti , Z r 氧化物为核心 , 表面 析出 M nS , 尺寸在 0.5～ 3 μm 之间· 关 键 词 :夹杂物 ;粗晶热影响区 ;针状铁素体 ;Ti , Zr 氧化物 ;焊接热模拟 中图分类号 :TG 142 .1 文献标志码 :A 文章编号 :1005-3026(2012)10-1424-04
钢要小·
表 1 钢中夹杂物的密度 、大小和面积分数 Table 1 Number , mean size and area fraction of inclusion in steel
序 夹杂物数量 ×10 -4 夹杂物尺寸 夹杂物面积分数
号
个·mm -2
μm
%
1#
2 .94
2#
1 .49
3#
0 .48
图 2d ～ 图 2f 为粗晶热影响区组织·从 图 2d 和图 2e 都能观察到针状铁素体组织 , 但图 2d 中
的针状铁素体的数量要远远多于图 2e 中的数量 ,
而且尺寸更加细小·在晶界处都有先共析铁素体 组织出现 , 在图 2e 中 , 先共析铁素体占据了组织
Effect of Inclusions on Formation of Acicular Ferrite in Ti and Zr Micro-alloying Steel
S HI M ing-hao , DU AN Zheng-t ao , Z HANG Peng-yan , ZHU Fu-xian
降低 , 成为构件中最薄弱的部位·针状铁素体的出 现可以大大地改善焊接热影响区的韧性·针状铁 素体板条呈放射状生长 , 板条间呈大角度晶界 , 具
有较强的抗裂纹扩展能力 , 可以同时改善焊缝金
属的强度和韧性· 当出现大量的针状铁素体组织时 , 焊缝金属
收稿日期 :2012 -03 -12
基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50834019)· 作者简介 :石明浩(1983 -), 男 , 辽宁沈阳人 , 东北大学博士研究生 ;朱伏先(1946 -), 男 , 福建寿宁人 , 东北大学教授 , 博士生导师·
(State Key Laboratory of Ro lling and Automation , No rtheastern U niversity , Shenyang 110819, China . Corresponding autho r :SHI Ming-hao , E-mail :minghao207 @ 126 .co m)
Abstract :T he 35 kg ingot w as refined wi th vacuum induction furnace in labo ratory .T he high heat input welding t hermal simulat ion test w as co nducted in 100 kJ/ cm heat input at 1 400 ℃t op temperature by using thermal simulator MM S-300 .T he microst ructure w as observed , and the effect of number , size , dist ribution and composition of oxide inclusions on the formation of acicular ferrite in coarse grain heat affected zone (CGHAZ)w as studied w ith optical microscope (OM), scanning elect ron microscopy (SEM), energy dispersive spect rometer (EDS)and elect ron probe micro-analyzer (EP MA).T he result s showed t hat t he fraction of acicular ferrite in CGHAZ increases w ith t he number and area f raction of oxide inclusions .Acicular ferrite fo rms on T i , Zr complex inclusions , the inclusions are mostly T i , Zr o xide as the core , and M nS precipitates on the surface of oxide inclusions , wi th size in t he range of 0.5 ～ 3 μm . Key words:inclusions ;CGHAZ(coarse g rain heat aff ected zone);acicular ferrite ;Ti , Zr oxide ; w elding thermal simulation
横向取样 , 将试验钢加工成 11 m m ×11 m m ×55 mm 的焊接热模拟试样·在 MMS -300 型热 模拟机上对试样进行 100 kJ/ cm 的大热输入焊接 热模 拟 实 验·将 试 样 以 100 ℃/s 迅 速 加 热 到 1 400 ℃, 停留 1 s , 800 ～ 500 ℃的冷却时间(t 8/5) 为137 s , 对应的焊接热输入能量为 100 kJ/ cm·
分分析·
2 实验结果及分析
2 .1 夹杂物的特征
表 1 为经过大热输入焊接之后 , 在扫描电子
显微镜下放大 5 000 倍对钢中 夹杂物密度 、尺寸 和面积分数的定量分析·可以看出 , 1 #实验钢单 位面积夹杂物的数量为 2.94 ×104 个 , 平均颗粒 尺寸为 0.49 μm , 面积分数为 0.85 %, 显然比 2# 和 3#钢中单位面积夹杂物的数量要多 , 且尺寸要 小 , 面积分数要大·同样 2#钢中夹杂物的数量和 面积分数大于 3#实验钢 , 且夹杂物尺寸也比 3#
1 实验材料和方法
采用 3 种冶炼工艺在实验室真空感应电炉中 炼制 3 炉 35 kg 钢锭 , 冶炼钢的主要化学成分(质 量分数 , %)为 C 0.05 ～ 0.06 , Si 0.24 ～ 0.26 , Mn 1.70 ～ 1.80 , T i 0.018 ～ 0.020 , Z r 0.03 ～ 0.04 , O 0.002 ～ 0.003 , S <0.005·将冶炼得到的铸坯进 行开 坯 处 理 后 , 采 用 TM CP (t hermo mechanical cont rol process)工艺在实验室热轧机将钢坯轧制
的冷却过程中 , 以 Zr 和 Ti 的氧化物为核心形成
针状铁素体 , 从而能够细化晶粒 , 提高焊接粗晶热
影响区的韧性· 2 .2 钢中针状铁素体的形成
图 2a ～ 图 2c 为 轧态 金相 组织·可 以看 出 , 1# , 2#和 3#都是以铁素体为基体 , 其中 1#和 2# 为等轴铁素体 , 且晶粒尺寸较小 , 而 3#以多边形 铁素体组织为主·铁素体晶粒 尺寸分别为 5.23 , 6.60 和 6.64 μm·
随着能源 、石油 、船舶 、水利等行业的迅速发
展 , 工程结构越来越朝着大型化 、轻量化方向发
展 , 对钢板的性能提出了更高的要求·为提高焊接 效率 , 大热输入焊接技术已经被广泛应 用[ 1-4] · 由于 焊 接 热 输 入 的 增 大 , 焊 接 粗 晶 热 影 响 区
(coarse grain heat af fected zone , CGHAZ)的韧性
成厚 度 为 14 m m 的 钢 板 ·钢 坯 加 热 温 度 为 1 200 ℃, 保温 2 h , 粗轧开轧温度 1 150 ℃, 终轧温 度高于 1 000 ℃, 精轧开轧温度为 890 ℃, 终轧温 度为 820 ℃, 采用层流冷却 , 冷却速度在 15 ～ 20 ℃/ s 之间 , 终冷温度为 650 ℃·
0 .49 0 .96 1 .12
0 .85 0 .34 0 .16
图 1 为经过大热输入焊接热循环后 3 炉钢中
夹杂物的尺寸分布柱状图·从图中可以 看出 , 1# 钢中夹杂物尺寸在 0.5 ～ 3 μm 范围内的小尺寸夹 杂物的数量最多·而 2#钢中的小尺寸夹杂物的数 量要比 1#钢中少 , 但是多于 3#钢·3#钢中的小尺 寸夹杂物数量最少·
第33卷第 10期 2012 年 10 月
东 北 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Journal of Nort heastern University(Natural Science)
Vo l .33 , No .10 O c t . 2 0 1 2
夹杂物对 Ti ,Zr 微合金钢中 针状铁素体形成的影响