1、收稿日期 :2007-11-09 低合金鋼焊縫的針狀鐵素體微觀組織 黃安國 1, 余圣甫 1, 謝明立 1, 李志遠 1, 張國棟 2(1. 華中科技大學 材料科學與工 程學院 , 武漢 430074;2. 武漢大學 動力與機械學院 , 武漢 430072摘 要 :針對 X70管線鋼多道焊 焊縫金 屬 , 利用 Gleeble1500熱模擬 機進行 了熱模擬 試驗 , 對焊縫金屬中初生針狀鐵素體組織及其 與非金屬 夾雜物 之間的 關系以 及經歷二 次熱循環后感生形核的針狀鐵素體組織進行了 SEM 及 TE M 分析。結果表明 , 針狀鐵 素體邊界存在著一層富碳的薄膜 , 其長大既存在切變 轉變

2、的特征 , 同時也伴隨著 C 原子的擴散過 程。共感 生成的二次針狀鐵素體是在初生針狀鐵素體基體的高密度位錯處形 核并以一 定的速度迅速長大到有限的尺寸。初生針狀鐵素體和共感形核針狀鐵素體都 是在奧氏體晶內形 核、 長大 , 都具有細化奧氏體晶粒、 提高 多道焊 焊縫金 屬和焊 接熱影響 區韌性的作用。關鍵詞 :低合金鋼 ; 焊縫金屬 ; 針狀鐵素體 ; 微觀組織中圖分類號 :TG401文獻標識碼 :A 文章編號 :0253-360X(2008 03-0045-04黃安國0序 言低合金高強鋼焊縫金屬中出現大量針狀鐵素體 (accicularferrite, AF 組織時 , 焊縫金屬 具有較高

3、 的 強度和良好的低溫沖擊韌性 1-7。經過近些年的發 展 , 人們對針狀鐵素體形核、 長大的機制及其行為特 征的研究 , 取得了一定的成果 , 但對于針狀鐵素體微 觀組織結構仍有必要進行更深入的研究。針對 X70鋼焊縫針狀鐵素體組織 , 通過熱模擬試樣的金相顯 微鏡、 SE M 及 TE M 等方法 , 分析了針狀鐵素體晶界 狀態及成分 , 探討二次熱循環作用下針狀鐵素體組 織的共感形核行為變化規律 , 并給出合理的解釋。1試樣制備與試驗方法原材料從某鋼管 廠的 X70管線鋼螺旋焊 縫埋 弧焊焊接生產現場截取 , 母材板厚 14. 6mm, 母材和 焊縫的化學成分如表 1所示。焊后采用線切割

4、機在 多道焊焊縫靠近第二道焊縫 (背面焊縫 上部垂直于 焊接速度方向截取尺寸為 90mm 5mm 5mm 的 長方體試樣。將制備好的試樣分別按以下熱循環曲線處理 , 試樣在 33s 內被加熱到 1150e 并保溫 4s, 然后空表 1母材和焊縫 的化學成分 (質量分數 , %Table 1Chem ical compos ition of bas e metal and weld m etal 材料 C Si Mn P S Cr Mo 母材 0. 0540. 211. 550. 0100. 00220. 0210. 27焊縫 0. 0520. 221. 390. 0140. 00360. 02

5、60. 30材料 Ni Nb V Ti Cu Fe母材 0. 230. 0470. 0380. 0180. 21余量焊縫 0. 150. 0310. 0280. 190. 16余量冷 , 冷卻時間 t 8P 5為 12s ; 在 Gleeble1500熱模擬試驗 機上進行熱模擬試驗 , 然后制備成金相試樣。試驗 用的腐蝕劑為 4%的硝酸酒精溶液 , 采用 OLYMPUS PMG3型數碼光學顯微鏡觀察金相顯微組織的變 化 , 應用 JSM 55102V 掃描電鏡分析針狀鐵素體形 貌特征 , 利用 Tecnai G220透射電子顯微鏡分析二次 針狀鐵素體的共感形核行為。2試驗結果與分析2. 1針狀

6、鐵素體的顯微組織特點2. 1. 1AF 是在特定的非金屬夾雜物上形核長大的 焊縫金屬凝固速度快 , 焊接熔池中的夾雜物來 不及浮出 , 造成焊縫金屬中含有較多的雜質 , 如 O, S, P, N 等元素。這些元素不僅與焊接材料過渡到熔 Si, Zr第 29卷 第 3期 2008年 3月焊 接 學 報TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTIONVol. 29No. 3 March 2008生反應 , 還與低合金鋼焊縫金屬中存在的微量元素 Cu, V, Nb 等結合 , 致使低合金鋼焊縫金屬凝固后含 有大量的氧化物、 硫化物、 氮化物及其復合物等非

7、金 屬夾雜物。雖然這些非金屬夾雜物不直接參加焊縫 金屬的固態相變 , 但由于非金屬夾雜物的熔點一般 比鋼液高 , 首先從焊接熔池中析出 , 從而影響 D 鐵 素體的形成 , 并在隨后的固態相變過程中充當了針 狀鐵素體行核的核心 , 促進焊縫金屬形成高比例的 針狀鐵素體。盡管焊縫中存在著大量的非金屬夾雜 物 , 但并非所有的非金屬夾雜物都能誘發針狀鐵素 體形核、 長大 , 一定成分、 尺寸的夾雜物才可誘發形 成針狀鐵素體。研究發現 , 直徑為 0. 42. 0L m 的 非金屬夾雜物能作為針狀鐵素體的形核質點 , 并且 這些非金屬夾雜物質點與其誘發行核的針狀鐵素體 并不是一一對應的關系 , 如圖

8、 1 所示。圖 1 非金屬夾 雜物 質點與 其誘 發行 核的針 狀鐵 素體 之間的對應關系Fig. 1 Corresponding relations between inclusions and AFnucleated on inclusions2. 1. 2 誘發 AF 形核長大的非金屬夾雜物的組成焊接材料中不可避免地含有脫氧、 脫硫劑 , 在焊 接熔池中這些脫氧、 脫硫劑必然會形成相應的氧化 物、 硫化物、 Al 2O 3, TiO, MnO, SiO 2, MnS, CuS 或 (Mn,Cu S 。由于氧化物 Al 2O 3(2050e , TiO (1800e 熔點較高 , 首先從液

9、態金屬 中析出 , 熔點低 的 MnS (1620e , CuS (1625e 以這些高熔點的氧 化物 為核 心 , 于 是 形 成 了 以 Al 2O 3, TiO, SiO 2為 核 心 , MnS, CuS 或 (Mn, Cu S 硫化物為外表面的復合型夾 , 圖 2 X70管線鋼焊縫非金屬夾雜物 EDS F i g. 2 ED S of inclus ion for weld metal of X70steel2. 1. 3 AF 晶界為一層富碳的薄膜研究表明 , 針 狀鐵 素體 內部 位錯 密 度平 均為 1081010條 P c m 2。另外 , 由圖 3針狀鐵素體內部與 晶界 C

10、 濃度分布的 TEM 可以看出 , C 元素在針狀鐵 素體內部的含量較少 , 在其邊界分布較多 , 說明其晶圖 3 C 濃度沿針狀鐵素體內部與晶界的分布 F C 46焊 接 學 報 第 29卷界是一層富碳的薄膜。因此 , 針狀鐵素體的長大既 有著切變轉變的特征 , 同時也伴隨著 C 原子的擴散 過程 , 而其精細的結構、 內部高的位錯密度以及沿晶 界析出富碳的薄膜層正是針狀鐵素體具有較高的韌 性和抗解理斷裂能力的主要原因。2. 2 共感形核很多情況下 , 焊縫并不僅僅是一道而是多道焊 , 此時焊接熱循環會對前道焊縫內的顯微組織有著直 接的影響 , 為此 , 對針狀鐵素體焊縫金屬進行了熱模 擬試

11、驗。對于針狀鐵素體組織 , 有研究表明在焊接 熱循環作用下 , 誘發針狀鐵素體形核長大的非金屬 夾雜物的成分、 大小、 分布幾乎沒有改變 , 在冷卻過 程中該位置的針狀鐵素體會再次析出。這類的針狀 鐵素體雖然也是經歷了二次熱循環后再次析出的 , 但由于它是原位析出 , 仍然把它定義為一次針狀鐵 素體 , 也就是說 , 針狀鐵素體具有遺傳的性質 ; 另外 , 在這些遺傳得到的一次針狀鐵素體邊界的特定部位 上 , 會繼續出現針狀鐵素體的胚胎并長大成為二次 針狀鐵素體 , 在一次針狀鐵素體與二次針狀鐵素體 相交處有相貫線 , 稱這種現象為針狀鐵素體的感生形成 , 亦即所謂的共感形核 8, 如圖 4

12、所示。圖 4 針狀鐵素體的感生形核Fig. 4 Sympathetic nucleation and transfix ion line of AF由圖 5所示的針狀鐵素體感生形核的 TEM 不 難發現 , 在形成二次針狀鐵素體的部位 , 一次針狀鐵 素體晶界處有大量的位錯團聚、 纏繞、 堆積在一起 , 而在位錯密度較低的一次針狀鐵素體晶界處尚未發 密度位錯在共感形核過程中起著重要的作用。當一 次針狀鐵素體在冷卻過程中再次析出時 , 由于升溫 過程中 C 原子的擴散 并非是均勻過程必然導致一 次針狀鐵素體晶界的某些部位斷續 , 當該處有高密 度的位錯時 , 與一次針狀鐵素體內較高的界面能造 成

13、高的應力 應變能 , 于是在裸露出的鐵素體基體 上形核并以一定的速度迅速長大到有限的尺寸 , 也 因此在一次針狀鐵素體與共感生成的針狀鐵素體交 界處會出現相貫線而非互相嵌入。圖 5 針狀鐵素體的感生形核 Fig. 5 Sym pathetic nucleation of AF并非所有的夾雜物仍能誘發針狀鐵素體形核、 長大。這是因為 , 當焊縫金屬經歷二次熱循環時 , 在 加熱到奧氏體化溫度并保持較長時間時 , 非金屬夾 雜物的線膨脹系數與金屬的線膨脹系數的差別較大 可能會導致金屬與夾雜物之間出現空腔 , 在二維平 面上呈現為如圖 6所示的空腔 , 該空腔的尺度遠大 于原子尺度。在隨后的冷卻過程

14、中 , 由于焊縫金屬 經歷的是固態相變過程 , 原子只能進行短程擴散 , 因 而空腔不會消失 , 于是夾雜物與奧氏體界面之間較 高的應力應變能得到了釋放 , 針狀鐵素體形核所需的驅動力得到了提高。因此 , 盡管誘發針狀鐵素 體形核的夾雜物核心仍然存在 , 針狀鐵素體形核所 需驅動力卻大大提高了 , 當高于其它組織比如塊狀 鐵素體形核所需驅動力時 , 便會發生奧氏體向塊狀 鐵素體的組織轉變過程。圖 6 夾雜物周圍的空腔 C avity around 第 3期 黃安國 , 等 :低合金鋼焊縫的針狀鐵素體微觀組織47盡管如此 , 圖 7表明 , 熱循環后的焊縫金屬內依然存 在著相當數量的針狀鐵素體。

15、一方面是因為并非所 有的夾雜物都會產生空腔現象 , 仍然有相當部分的 非金屬夾雜物誘發二次針狀鐵素體的形核 ; 另一方 面 , 當高溫停留時間較短或冷卻速度較快時 , 對于沒 有出現空腔現象的夾雜物及其誘發形成的一次針狀 鐵素體來說 , 它們周圍的金屬原子來不及擴散致使 它們周圍成分幾乎沒有發生變化 , 因而這是焊縫金 屬經歷二次熱循環后所獨有的現象 , 再加上共感形 核的作用。這幾方面的共同原因促使焊縫金屬在經 歷了二次熱循環后仍然存在著 較多量的針狀 鐵素 體。但從圖 7a 中仍可看到 , 熱模擬試樣的針狀鐵素 體晶粒尺寸有一定的增大現象 , 這可能是因為針狀 鐵素體中的 C 原子進行了擴

16、散 , 使得針狀鐵素體富 碳的薄層向前推進 , 導致經歷了熱循環作用的針狀 鐵素體普遍較一次針狀鐵素體粗大。圖 7 焊縫金屬及不同熱模擬工藝試樣的金相組織 Fig. 7 Microstructure of sam ples for different thermal simula -tion procedures and un -treated weld metal3 結 論(1 針狀鐵素體是由一定尺寸和成分的球狀非 金屬夾雜物誘發形核、 長大的 , 并且它們之間不存在 一一對應的關系。(2 誘發針狀鐵素體形核、 長大的非金屬夾雜 物是以 Al 2O 3, TiO, SiO 2為核心 , 以

17、MnS, CuS 或 (Mn, Cu S 硫化物為外表面的復合型夾雜物。(3 針狀鐵素體的晶界是一層富碳的薄膜 , 在 二次熱循環作用下 , 由于 C 原子的擴散使得富碳的 薄膜向前推進 , 致使經歷了熱循環作用的針狀鐵素 體較一次針狀鐵素體粗大 , 但它們都是在奧氏體晶 內形核、 長大 , 它們都具有細化奧氏體晶粒、 提高多 道焊焊縫金屬和焊接熱影響區韌性的作用。(4 由于空腔、 遺傳及共感形核的共同作用 , 使 得經歷了二次熱循環后焊縫內針狀鐵素體在數量上 與熱循環前有一定的差距。 參考文獻 :1 Zhuyao Z, Farrar R A, Columnar G rain. Develop

18、ment i n C Mn Nil ow alloy weld metals and the i nfluence of nickeJ. J ournal of Mater-i al s Science, 1995, 30(22 :5581-5588.2 Zhuyao Z, Farrar R A. Influence of Mn and Ni of micros truc ture andtoughness of C Mn Ni welds metal sJ. Welding J ournal, 1997, 76(5:183s-196s.3 韓順昌 . 針狀鐵素體的物理冶金學 (待續 J .材

19、 料開發與 應用 , 1995, 10(5 :2-7.4 韓順昌 . 針狀鐵素體的物理冶金學 (續 J. 材料開發與應用 ,1995, 10(6 :2-8.5 Mills, The wli s G, Whi te man J A. Nature of inclusions in steel w eldmetals and their influence on formation of acic ular ferri te J. Mater-i al s Science and Technology, 1987, 3(12 :1051-1061.6 Gutierres I, Madariaga

20、I, Bhades hia H K D H. Acicular ferrite mor -phologies in a medium carbon microalloyed s teelJ. M etall &MaterTrans, 2001, 32A(9:2187-2196.7 陳蘊 博 , 馬 煒 , 金 康 . 強韌 微合 金 非調 質鋼 的 研究 動 向J.機械工程材料 , 2001, 25(3:1-6.8 余圣甫 , 余陽春 , 謝明立 , 等 . 二次熱循 環對晶內 鐵素體的 影響 J. 焊接學報 , 2003, 24(2:89-92, 96.作者簡介 :黃安國 , 男 ,

21、 1975年出生 , 博士 , 講 師。主要 從事焊 縫金屬組織行為方面的科研和教學工作。發表論文 20余篇。Email :huang-anguo163. com48焊 接 學 報 第 29卷And the mathematic model and diagrams between independent var-i ables and functions are presen ted. They indicate that the effects of many coating ingredients on the slag detachability are in the mutualfo

22、rm. The mutual effects between CaCO 3 &BaCO3, wollastoni te &A-l Mg powder, and rutile &iron powder increase the slag detach -abili ty separately. While the mutual effects between A-l Mg powder & fluori te, and A-l Mg powder &BaCO 3decrease the slag detachability separately.Key w

23、ords :basic electrode; slag detachabili ty; uniform d esignLow temperature toughness of ultra low -carbon 9Ni steel welded joints WANG Guoping, C HEN Xuedong, WANG Bing (School of Materials Science and Engineerin g , Hefei University of Technolo -gy, Hefei 230009, China . p37-40Abstract :This articl

24、e investigates the low temperature tough -ness of welded joints and simulated HAZ of ultral low -carbon 9Ni steel which developed by quenchi ng , intermediate quenching and tempering processed. The specimens were investigated by Charpy V -notch impact test, op tical microscope, T E M and SEM. T he r

25、esults show that the micros tructure of lath martensite is coarsened and the low -temperature toughness is decreased in coarse grained HAZ of specimens single pass welding thermal cycled. The reversal austenite on boundaries of lath martensite appears in the dispersed distribu -ti on, and the grain

26、will be fined, and low temperature toughness will be increased in HAZ of specimens mult-i pass weldi ng thermal cy -cled. It is desirable that low -heat input, mult-i pass welding and low inter -pass temperature should be applied, which gives high low -tem -perature toughness of welded joints.Key wo

27、rds :9%nickel steel; thermal si mulation; welded join t; low temperature impact toughnessM icrostructures and mechanical properties of joints of m -i croalloyed EH 40ship steel plate with high heat -input welding SUN Zhan 1, HUANG Ji hua 1, ZHANG Hua 1, ZHAO Xingke 1, LI Ququan 2(1. School of Materi

28、als Science and Engineering, Beiji ng Universi ty of Science and Technology, Beijing 100083, China; 2. Xiangtan Iron and Steel Corporation, Xiangtan 450051, Hunan, China. p41-44Abstract :The weldability of EH40ship steel plate by sub -merged -arc welding with high hea-t input was studied by the tens

29、ile test, i mpact test, hardness test and microstructure. Experi ment re -sults show that the i mpact absorbing energy value were 116J and 80. 5J in the coarse grain zones with the high hea-t inpu t 40kJ P cm and 60kJ P cm. The strength of the welded joint was better than the one of the base metal a

30、nd there wasn . t soft zone in HAZ. The main macrostructures were lath bainite, granular bainite and a few block -like ferri te in the coarse grain heat affected zone wi th 40kJ P cm, while less lath bainite and more block -like ferrite and a few acicular ferrite appear i n the some zone with 60kJ P

31、 cm. The toughness in the coarse grain heat affected zone is improved for the existing carbides i the from coarsening in high hea-t input.Key words :ship steel plate; micros tructure; second phase particle; high hea-t inputAcicular ferrite microstructure of weld metal for low -alloy steel HUANG Angu

32、o 1, YU Shengfu 1, XIE M in gli 1, LI Zhiyuan 1, ZHANG Guodong 2(1. School of Materials Science and Engineering, Huazhong Universi ty of Science and T echnology, Wuhan 430074, China; 2. College of Power and Mechanical Engineeri ng , Wuhan Universi ty, Wuhan 430072, China. p45-48Abstract :For underst

33、anding the microstructure acicular fer -rite(AF , the thermal si mulation test of weld metal in X70pipe -line steel was carried out wi th GLEEB LE 1500. SEM and TEM were used to analysis the relations between the inclusions and the AF, and the C concentration distribution along AF boundary and the c

34、haracteris -tics of sympathetic AF sufferred from secondary heat cycli ng. The re -sults show that there exits a layer of thin C -riched fil m along the AF boundary, and both the shear mechanism and the C diffusi on were occurred during AF growth. The sympathetic AF nucleated on the site of high den

35、si ty dislocation of the pri mary AF and grown into spe -cific size rapidly. Both the AF and sympathetic AF were nucleated and grown -up in the austenite grain, and were good to fine -grained strengthening effect in the mult-i pass weld metal and HAZ.Key w ords :low -alloy steel; weld metal; acicular ferrite; microstructureReview of 9%Ni steel and its weldability YAN Chunyan 1, LI Wushen 1, XUE Zhenkui 2, BAI Shiwu 2, FE NG Bin 2(1. School of Materials Science and Engineering, T ianjin Universi ty, Tianjin 300072, China; 2. Petroleum -Gas Pipeline Research Ins