低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素

1、第34卷增刊1999年10月Vol 34, Supp .O ctober, 1999钢 铁IRON AND STEEL低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素3杜则裕张德勤田志凌（天津大学）（钢铁研究总院）j£ if7_r* 弓 f1 _”谆护I 5.扬 fl !w 2 丄鴛1摘 要低碳低合金钢焊缝金属的显微组织基本上包括先共析铁素体、针状铁素体、侧板条铁素体、少量的粒状贝氏体和马氏体。分析了这些组织的形成条件及特点，焊缝金属化学成分和冷却速度是影响焊缝金属组 织的主要因素，阐述了各种组织的形核位置。低碳低合金钢焊缝金属最理想的组织是获得大于65%的针状铁素体,其平均板条尺寸约为1

2、 An。关键词低碳低合金钢焊缝金属显微组织针状铁素体aM ICROSTRUCTURE OF W ELD M ETAL OF LOW -CARB ONAND LOW -ALLOY STEEL SAND INFL UENC ING FACTORSDU Zeyu ZHANGDeqinT AN Zh iling(T ianjin U niversity )(Central Iron and Steel Research Institu te)ABSTRACT In general, the m icro structu re of w eld m etal of the lowNarbon and l

3、ow ?alloy steels consists of p re2eutectoid ferrite , acicular ferrite , side p late ferrite and some granu lar bainite and m artensite. The tran sform ation conditi ons and natu re of the m icrostructu re are an alyzed in a system atic w ay in th is paper. Them ain in flue ncing facto rs of them ic

4、ro structu re in w eld m etal are composition and cooling rate of thew eld m etal. The sites fo r nucleati on of differen t p hases are expounded in the w eld m etal of the low 2sarbon and low2alloy steel, the best comb ination of p roperties is obtained w hen there is m ore than 65 % of acicu lar f

5、errite and the average lath size is about 1 Am.KEY WOR DS low2carbon and low 2alloy steel,w eld m etal,m icrostructu re, acicu lar ferriteD J994-2Q Q ChinaJonimal ESltclrisnic Puhlishlhg E<mse. Allhupr?w 第34卷增刊1999年10月Vol 34, Supp .O ctober, 1999D J994-2Q Q ChinaJonimal ESltclrisnic Puhlishlhg E&

6、lt;mse. Allhupr?w 第34卷增刊1999年10月Vol 34, Supp .O ctober, 1999a 3国家重点基础研究项目联系人：杜则裕，教授，天津（300072）天津大学材料学院焊接系低碳低合金钢焊缝金的最终显微组织比较复 杂,因为焊缝金属中除了碳之外，还含有许多合金元 素,对组织都有一定的影响。焊缝金属的化学成分对 组织变化起着重要的作用，适当的合金元素含量有 益于改善组织及其组成，提高焊缝金属的力学性能 此外，熔池的熔化温度、奥氏体化条件对奥氏体晶粒 度起决定作用，80旷1300 C奥氏体化过程对先共 析铁素体影响很大。较小的冷却速度对扩散相变有 促进作用，使晶界

7、铁素体网尺寸加大，针状铁素体比 例也增加。焊接热循环的变动也会造成焊缝的复杂 组织形态。由于是低碳低合金钢，碳及合金元素的含 量都比较低，焊缝金属中的铁素体组织所占的比例 较大。1低碳低合金钢焊缝金属的显微组织、形成条件 焊缝金属一般是在焊接过程中由填充金属和熔 化母材在熔池中混合而形成的。低碳低合金钢焊缝 金属的显微组织主要取决于焊缝金属的化学成分和 焊接热过程。用硝酸酒精浸蚀剂时，低碳低合金钢焊 缝显微组织大体上有先共析铁素体 、针状铁素体、侧 板条铁素体、粒状贝氏体、珠光体、马氏体等。分别 D J994-2Q Q ChinaJonimal ESltclrisnic Puhlishlhg

8、E<mse. Allhupr?w 第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素69?叙述如下。111先共析铁素体先共析铁素体是焊缝在凝固结晶全部生成柱状 晶奥氏体（A）以后，固相的铸态奥氏体组织首先发 生相变析出的组织。其形成温度范围为90旷700C ,沿原奥氏体晶界呈网状分布，故又称为晶界铁素体（GF）。平衡时与原奥氏体无共格关系，其形成过程是形核和长大过程。晶界铁素体的特点是铁素体 内位错密度低,约为5 X 109 cm2,且位错在晶内分 布较均匀，其扭曲也不严重。生成晶界铁素体量的多 少，与晶体中氧含量有关，若晶体中氧含量大于5 X°!u': Cg

9、J |10,晶界铁素体长的很大。112侧板条铁素体侧板条铁素体（SF）的形成温度范围为700500 C。生成的铁素体板条单侧由原奥氏体晶界向 晶内生长，也可能呈锯齿状。侧板条铁素体长宽比约 为20： 12。其形成过程也是形核和长大过程。与母相奥氏体保持共格关系，位相关系符合 K2S关系。 其晶内位错密度稍高于晶界铁素体。当焊缝中氧含量在（30旷500） X 10- 6时，有利于侧板条铁素体的 生成。113针状铁素体针状铁素体（AF）是中温转变产物。其本质是贝 氏体（B）中的铁素体。形成温度范围为 600 C贝 氏体点（Bs）,是低碳低合金钢焊缝中常见的组织。针状铁素体是原奥氏体晶内细小的铁素体

10、，其片间以大角度（倾角大于20°散杂分布，取向自由度大，几 乎可以向任何方向生长。其宽度约为2 An ,长宽比 约为4 ： 1。针状铁素体形成是形核与长大过程，与母相保持K2S关系。其晶内位错密度是各类铁素体 中最高的，达1014 g2。晶体中氧含量在（20（300） X 10- 6时,有利于针状铁素体的形成。114珠光体低碳低合金钢焊缝中的珠光体（p）组织经常存在于晶界铁素体附近或侧板条铁素体的板条层间。由于焊缝中碳含量较低，所以珠光体组织呈灰色或 灰黑色。因冷却速度较快，平衡态的珠光体组织在焊 缝中很难见到，都是伪珠光体组织。115粒状贝氏体粒状贝氏体（GB）是高强钢焊缝组织中较

11、常见 的组织，多出现在一定冷却速度、连续冷却条件下的 低碳、低合金钢中。形成温度大致在贝氏体形成温度 的上部。光学显微镜下，粒状贝氏体的岛状物呈有边 界的白亮组织，也有的是灰黑色岛状。在电子显微镜下，粒状贝氏体是由块状铁素体和富碳奥氏体组成，富碳奥氏体常以小岛或小河状分布在块状的铁素体 基体上。粒状贝氏体常分布在侧板条铁素体的板条 间铁素体晶界上，有时也可能分布于铁素体晶粒内 部。一般形状很不规则。富碳奥氏体岛还可能进一 步发生转变，在随后的冷却过程中，由于其成分和冷 却速度条件不同，富碳奥氏体可能转变成马氏体一 奥氏体组元或珠光体组织。> . . 116马氏体低合金高强钢中，由于焊缝中

12、合金含量较多，碳 当量较高，所以在快速冷却时焊缝中会产生马氏体。马氏体经常出现在要求强度高、且具有一定塑韧性 的大型厚板结构的焊缝中。另外,焊缝金属中化学成 分不均匀性会促使局部区域生成马氏体，这是一种隐晶马氏体。即使在一般的低碳低合金钢焊缝中也 会产生隐晶马氏体，但由于其含量常在 10%以下, 用一般的金相腐蚀方法基本上掩盖了少量的马氏 体。若用苦味酸+钠盐混合溶液浸蚀则可以很明显 看到黑色点状马氏体组织。117马氏体一奥氏体组元马氏体一奥氏体组元是在连续冷却过程中分布 在块状铁素体基体上的富碳奥氏体区继续转变的产 物（高碳马氏体+残余奥氏体）,常存在于侧板条铁 素体板条间铁素体边界上。此外

13、,在一定的条件下，低碳低合金钢焊缝组织 中还会出现魏氏体组织铁素体W F）。魏氏体组织铁素体是在一定的碳含量范围内（C> 016 %时不易生成魏氏组织铁素体）和一定冷却速度下才会形成 ， 过缓或过快的冷却速度都会抑制魏氏组织铁素体的 产生。它所生成的片状铁素体由原奥氏体晶界（或晶界上网状铁素体上）向晶内生长。其形成机理有几种 不同观点，其中切变理论应用较广。与侧板条铁素体 相比,魏氏组织铁素体通常在组织过热情况下形成，因此魏氏组织铁素体的出现常伴有晶粒粗大的现 象，使得焊缝金属冲击韧性大大下降。在光学显微镜 下,侧板条铁素体通常是单侧由晶界向晶内生长，其板条基本上是平行排列，而魏氏组织铁

14、素体则较为 粗大，呈针状，有时也出现在晶内。由于焊缝金属碳含量低和化学成分不均匀性，在低碳低合金钢焊缝的焊接CCT图中，铁素体相区和贝氏体相区的上部（即针状铁素体区）大大扩大， 而贝氏体相区和马氏体相区大大缩小。实际低碳低合金钢焊缝组织主要是晶界铁素体、针状铁素体和 侧板条铁素体。含合金元素较多的高强钢焊缝金属中出现马氏体和粒状贝氏体组织。2焊缝金属显微组织的影响因素211合金元素的影响焊缝中的合金元素对相变过程有重要影响，决定着焊缝组织形态和数量，并对焊缝性能具有重要 影响。低碳低合金钢中主要的合金元素有：C、M n、Si、N i、Ti、A l、M o、N b 等。21111 碳碳是低碳低合

15、金钢中最重要的合金元素，是扩大X相区的元素。研究认为：碳含量在0105 % 0115%时,其主要作用是控制焊缝组织中形成大量 的碳化物。Evans认为4:碳实质上是影响焊缝凝固 时的一次结晶组织。焊缝中碳含量必须较低，以避免 板条马氏体的形成。21112 锰锰的作用是增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体转变点（M s）。关于锰对焊缝组织影响的系统性研 究工作较为完善。EvanS5 Farrar等人研究发现 焊缝中锰含量从 016 %增加到018 %时,可使针状 铁素体含量增加，侧板条铁素体含量减少。同时,锰 含量较高时，可细化针状铁素体晶粒。而 认为3:在通常的焊缝金属冷却速度（A 30 C s,

16、80（500 C ）时，锰会抑制奥氏体向珠光体的转变。21113 硅硅是缩小x相区元素，对马氏体转变点 M s）点 几乎没有影响，但显著提高珠光体相变温度，在较高 温度下形成较粗大的碳化物。不同的学者对硅的影 响有不同的看法。Evan s认为6:焊缝中硅含量在 012 %014 %内，随硅含量的增加会促进针状铁 素体的形成。特别是当焊缝中锰含量小于110%时,随锰含量增加，硅的影响明显减弱 。而有研究认 为：硅含量在0135 %018 %内，对焊缝组织没 有明显影响。必须强调指出，锰硅同时存在时，可作 为脱氧剂，对焊缝组织和性能都有重大影响：随M n Si元素含量增加，可使连续冷却时的相变温度

17、 逐渐降低、组织细化。从焊缝性能角度考虑，为了获 得最佳韧性，在硅含量为011 %0125 %和锰含量 为018 %110 %范围内，获得中等粒度的先共析 铁素体和晶内细针状铁素体是期望获得的良好的焊 缝组织。21114 镍研究工作表明3：在焊缝金属的整个冷却速度范围 内,镍都可以使相变温度降低,并且使侧板条铁素体 开始转变温度降低程度明显大于针状铁素体开始转 变温度的降低。若有锰存在时，镍的这种效果有利于 针状铁素体形成。21115 钛钛对低合金高强钢埋弧焊焊缝金属组织和性能- .有很大影响。随锰含量不同，钛对焊缝晶界铁素体数 量影响不同。当锰含量高时，钛对铁素体网的影响不 显著，但锰含量低

18、时，随钛含量增加，晶界铁素体网 状组织增加。同时加入钼、钛会降低奥氏体T铁素体 相变温度，并使相变温度区间缩短。但钼含量超过 015 %时会形成上贝氏体组织反而降低焊缝的韧 性。研究认为：当钼含量为011 %0135 % ,钛含量 为0103 %0105 %时,在焊缝金属中生成稳定均 匀为针状铁素体组织，此时焊缝冲击韧性最高1。21116 铝铝对焊缝组织的影响十分复杂。钛一铝之间存 在着复杂的相互作用3;铝能够减少焊剂中钛的过 渡系数和减少焊缝中钛一氧化物的形成，并且发现在完全碱性体系条件下，随着铝含量的增加，焊缝中 针状铁素体数量将减少，侧板条铁素体数量增加。而 在半碱性体系条件下，随着铝含

19、量的增加，铝的这种 影响作用变得很小。这主要是由于焊缝中氧含量不 同的缘故。韧性试验发现3:当Al%? O % 豪 28时,焊缝中可获得最大针状铁素体量。21117 铌铌是强碳化物形成元素，在固态相变中因为与碳作用而降低碳在奥氏体中的扩散系数从而显著推 迟晶界铁素体的析出与长大。铌对焊缝组织的影响,学者们的看法不尽相同，有时甚至是相互矛盾的。通过研究统一了认识3：铌的作用取决于焊缝金 属淬硬性。当淬硬性较高时，铌将促进针状铁素体的 形成,而当焊缝金属淬硬性较低时，铌将促进侧板条 铁素体形成。21118 钼钼是中强碳化物形成元素。其主要作用是推迟 晶界铁素体转变而有利于形成全贝氏体结构。有人认为

20、3：当钼含量增加时可增加焊缝中针状铁素体 含量；在锰含量为112 %时,加入0115 %M o会使 焊缝中针状铁素体含量从45 %增加到85 %,且针第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素#?镍的影响与锰相似，只是较锰的作用弱，是弱合 状铁素体晶粒特别细小。但当锰含量降到018%时,第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素71?315 %时，在针状铁素体板条间会出现马氏体）。有铁素体形成。D 1994-201QJornmiil EltclriMix PuhlishingAll rights金元素。在焊缝中的最高镍含量可达315 % （若超过增加钼将不会

21、改变针状铁素体含量，而促进侧板条第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素? 73?总之,合金元素的作用似乎都是直接影响焊缝 金属的淬硬性。对针状铁素体的形成最有影响的元 素有C、M n、Si等。212冷却速度的影响低碳低合金钢焊缝，冷却速度的主要影响是决 定相变的过冷度。随着冷却速度的增加，相变过冷度 增大,使得过冷奥氏体相变在更低温度下进行。如对于低碳钢（C 0107 % ）, t8 5（焊接冷却阶段800 C至 500 C的冷却时间）从500 s减小到15 s时，焊缝组 织从粗大的粒状贝氏体变为针状铁素体到上贝氏 体。当t8 5在15 190 s内焊缝金属组织中可以观察

22、 到块状或拉长的马氏体一奥氏体组元。冷却速度直 接影响相变的热力学驱动力 。Harrsion利用连续冷 却膨胀计测量法系统地研究了冷却速度对焊缝金属 组织的影响，结论如下：总体说来，提高焊缝冷 却速度，可降低相变温度。冷却速度很低（ 1 C s, 80旷500 C ）时,焊缝金属主要组织是晶界铁素 体和珠光体组织。随着冷却速度的增大，晶界铁素体变得细小，并越来越受限于原奥氏体晶界，且易在晶界铁素体内表面产生魏氏体组织。中等冷却速度（如15 C s, 80旷500 C ）时，焊缝金属组织是晶内 针状铁素体和粗针状铁素体。高冷却速度 （200 C s, 800500 C ）时，出现铁素体侧板条结

23、构,包括平行的铁素体板条（板条间是残余奥氏体、马氏体一奥氏体组元或碳化物）。若是低合金高强钢,则将得到纯马氏体组织。213夹杂物的影响焊缝中夹杂物包括许多相，它们及其组分决定 于焊剂和金属添加物的成分。关于夹杂物对焊缝金 属组织的影响，许多学者做了大量的研究工作，现已鉴定出的夹杂物相有3, 8,9:A l2O 3、一种富钛的混合 物（可能是TO、Ti（O,N）或Ti（O,C）、一种富铝 相、AM nS、Cu的硫化物、SiO2（ A方晶石）等。夹杂物尺寸分布决定了焊缝金属组织。有关研 究表明3,10:当夹杂物尺寸大于 012加 时,焊缝金 属组织主要是针状铁素体。而夹杂物尺寸为0114An和01

24、16 An时，将得到大量晶界铁素体。L iu和 Olson等人认为10：分布在原奥氏体晶界上的小尺 寸夹杂物，钉扎晶界，限制了晶粒尺寸并为晶界铁素 体提供了形核位置，从而促进晶界铁素体的形成 。但 当晶界上形核位置饱和并因此抑制了晶界铁素体的 生长,这时会导致针状铁素体在原奥氏体晶内适合 的夹杂物（尺寸大于012 An）上形核并长大。夹杂物 尺寸与焊缝金属中氧含量有关，随着氧含量的增加， 夹杂物尺寸减小。214原奥氏体晶粒尺寸的影响原奥氏体晶粒尺寸主要由焊接线能量（E）和焊缝金属化学成分决定。当焊接线能量较高时，原奥氏 体晶粒就生长较大。反之亦然。另外,焊缝金属中氧 含量增大，原奥氏体晶粒变小

25、。Dallam和O Ison研究表明:在低碳钢焊缝金属冷却过程中，尺寸细小的原奥氏体分解成晶界铁 素体和粗针状铁素体板条，而尺寸较大的原奥氏体 分解成晶界铁素体和细针状铁素体。由于大尺寸晶 粒的晶界相对要小，所以粗奥氏体晶粒分解产物中 针状铁素体所占的比例较大。而细奥氏体晶粒分解 产物中晶界铁素体所占的比例较大。在连续冷却过程中，晶界铁素体形成温度高，且形成时要释放出结 晶潜热，使原奥氏体过冷度相对减小，显然，细小奥氏体晶界较大，析出晶界铁素体量较多，释放的结晶 潜热也较多，使得原奥氏体晶粒细小时，晶内转变产 物是粗针状铁素体，而原奥氏体晶粒粗大时，晶内转 变产物是细针状铁素体。215应力的影

26、响焊接时，因母材的拘束作用和焊缝结晶的特点，使焊缝金属在相变之前必然产生热应力。有关研究 表明12:包括外加载荷和焊接应力，无论是拉应力还是压应力都降低针状铁素体的形核功，增加针状铁素体的形核率。一般而言：随着应力的增加（无 论是拉应力还是压应力），针状铁素体平均板条尺寸 会减小；如针状铁素体的形成温度随应力有所改 变,则应该是增加的；由于针状铁素体形成是在冷 却循环后不久开始，晶界铁素体长大将在一定程度 上稍有点受限制。但总体上说来，应力对焊缝金属过 冷奥氏体分解影响较小。对于针状铁素体的形核率， 原奥氏体晶粒尺寸的影响要大于应力的作用。以上分析了影响低碳低合金钢焊缝金属显微组 织的几个因素

27、。其中，焊缝金属化学成分和冷却速度 是决定焊缝金属显微组织最主要的影响因素。3焊缝金属显微组织形成机制低碳低合金钢焊缝金属显微组织的主要形核位 置，较为一致的认识是：晶界铁素体在原奥氏体晶界 处形核，如晶界上有夹杂物析出，则优先在夹杂物上 形核。侧板条铁素体在晶界处或其它板条上形核。针状铁素体是在原奥氏体晶内适合的夹杂物或位错位 置形核，一定条件下，也可在原奥氏体晶内直接形 核。板条马氏体是在原奥氏体晶内位错位置形核。上述各显微结构还可能存在其它的形核位置假设。4显微组织对焊缝金属力学性能的影响低碳低合金钢焊缝主要组织是晶界铁素体、针状铁素体、侧板条铁素体和粒状贝氏体。由于晶界铁 素体通常是沿

28、原奥氏体晶界呈网状析出，而侧板条铁素体的铁素体板条平行生长，且在板条间常常出现碳化物、残余奥氏体或马氏体一奥氏体组元，所以 这两种铁素体强度虽高，但它们的塑性和冲击韧性 较低，抗裂性差。特别是侧板条铁素体，若板条间存 在马氏体一奥氏体组元，会使焊缝韧性大大降低。粒 状贝氏体的强度和韧性主要取决于铁素体上分布的 小岛的组成、形态以及颗粒的大小。一般小岛颗粒粗-"3* '- Vt : Vi. !Ri|:大，则韧性不好，但粒状贝氏体通常位于侧板条铁素 体的板条间，故总体上来看影响焊缝金属的韧性 。针 状铁素体存在于原奥氏体晶粒内部，并以大角度分布，其取向自由度大，几乎可以向任何方向

29、生长 ，所 以针状铁素体强度高、抗裂性能好和韧性高。是各类 铁素体中性能最好的。因此，在低碳低合金钢的焊缝 组织中希望得到大量的针状铁素体，同时减少晶界铁素体和侧板条铁素体的析出。针状铁素体尺寸对 焊缝金属的韧性有显著的影响。有研究发现：焊缝金属性能优良的最理想组织是获得大于65 %的针|状铁素体组织，平均板条尺寸约为1 An。5结论(1) 低碳低合金钢焊缝金属的主要组织有晶界铁素体、针状铁素体、侧板条铁素体、少量粒状贝氏 体和马氏体。(2) 影响低碳低合金钢焊缝金属显微组织的主要因素是焊缝金属化学成分和冷却速度。(3) 针状铁素体在适合尺寸的夹杂物上形核长 大，在较粗大的原奥氏体晶粒和夹杂物

30、尺寸大于 012 An条件下,焊缝金属可得到大量的针状铁素 体。(4) 焊缝金属中随着氧含量的增加，原奥氏体晶粒细小，夹杂物尺寸也变小，这有利于晶界铁素体 形核与长大。(5) 低碳低合金钢焊缝金属显微组织的主要形 核位置，较为一致的认识是：晶界铁素体在原奥氏体 晶界处形核；侧板条铁素体在晶界处或其它板条上 形核。针状铁素体是在原奥氏体晶内适合的夹杂物 或位错位置形核；板条马氏体是在原奥氏体晶内位 错位置形核。(6) 焊缝金属性能优良的最理想组织是获得大于65 %的针状铁素体组织，其平均板条尺寸约为1Jm。SJ 199-20 & Ctiinu AcAik:：ni£ Jcurrl

31、 jI EUicItlkilC PuhlisjiictgAll reienciL第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素? #?SJ 199-20 & Ctiinu AcAik:：ni£ Jcurrl jI EUicItlkilC PuhlisjiictgAll reienciL第12期杜则裕等：低碳低合金钢焊缝金属的显微组织及其影响因素? #?1吕德林.焊接金相分析.北京：机械工业出版社，1987, 196.2张文铖.焊接物理冶金.天津：天津大学出版社，1991, 443 FA RRA R R G，HA RR ISON P L. Review : A c

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