低合金钢焊缝的针状铁素体微观组织_图文

1、收稿日期 :2007-11-09 低合金钢焊缝的针状铁素体微观组织 黄安国 1, 余圣甫 1, 谢明立 1, 李志远 1, 张国栋 2(1. 华中科技大学 材料科学与工 程学院 , 武汉 430074;2. 武汉大学 动力与机械学院 , 武汉 430072摘 要 :针对 X70管线钢多道焊 焊缝金 属 , 利用 Gleeble1500热模拟 机进行 了热模拟 试验 , 对焊缝金属中初生针状铁素体组织及其 与非金属 夹杂物 之间的 关系以 及经历二 次热循环后感生形核的针状铁素体组织进行了 SEM 及 TE M 分析。结果表明 , 针状铁 素体边界存在着一层富碳的薄膜 , 其长大既存在切变 转变

2、的特征 , 同时也伴随着 C 原子的扩散过 程。共感 生成的二次针状铁素体是在初生针状铁素体基体的高密度位错处形 核并以一 定的速度迅速长大到有限的尺寸。初生针状铁素体和共感形核针状铁素体都 是在奥氏体晶内形 核、 长大 , 都具有细化奥氏体晶粒、 提高 多道焊 焊缝金 属和焊 接热影响 区韧性的作用。关键词 :低合金钢 ; 焊缝金属 ; 针状铁素体 ; 微观组织中图分类号 :TG401文献标识码 :A 文章编号 :0253-360X(2008 03-0045-04黄安国0序 言低合金高强钢焊缝金属中出现大量针状铁素体 (accicularferrite, AF 组织时 , 焊缝金属 具有较高

3、 的 强度和良好的低温冲击韧性 1-7。经过近些年的发 展 , 人们对针状铁素体形核、 长大的机制及其行为特 征的研究 , 取得了一定的成果 , 但对于针状铁素体微 观组织结构仍有必要进行更深入的研究。针对 X70钢焊缝针状铁素体组织 , 通过热模拟试样的金相显 微镜、 SE M 及 TE M 等方法 , 分析了针状铁素体晶界 状态及成分 , 探讨二次热循环作用下针状铁素体组 织的共感形核行为变化规律 , 并给出合理的解释。1试样制备与试验方法原材料从某钢管 厂的 X70管线钢螺旋焊 缝埋 弧焊焊接生产现场截取 , 母材板厚 14. 6mm, 母材和 焊缝的化学成分如表 1所示。焊后采用线切割

4、机在 多道焊焊缝靠近第二道焊缝 (背面焊缝 上部垂直于 焊接速度方向截取尺寸为 90mm 5mm 5mm 的 长方体试样。将制备好的试样分别按以下热循环曲线处理 , 试样在 33s 内被加热到 1150e 并保温 4s, 然后空表 1母材和焊缝 的化学成分 (质量分数 , %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焊缝 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余量焊缝 0. 150. 0310. 0280. 190. 16余量冷 , 冷却时间 t 8P 5为 12s ; 在 Gleeble1500热模拟试验 机上进行热模拟试验 , 然后制备成金相试样。试验 用的腐蚀剂为 4%的硝酸酒精溶液 , 采用 OLYMPUS PMG3型数码光学显微镜观察金相显微组织的变 化 , 应用 JSM 55102V 扫描电镜分析针状铁素体形 貌特征 , 利用 Tecnai G220透射电子显微镜分析二次 针状铁素体的共感形核行为。2试验结果与分析2. 1针状

6、铁素体的显微组织特点2. 1. 1AF 是在特定的非金属夹杂物上形核长大的 焊缝金属凝固速度快 , 焊接熔池中的夹杂物来 不及浮出 , 造成焊缝金属中含有较多的杂质 , 如 O, S, P, N 等元素。这些元素不仅与焊接材料过渡到熔 Si, Zr第 29卷 第 3期 2008年 3月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTIONVol. 29No. 3 March 2008生反应 , 还与低合金钢焊缝金属中存在的微量元素 Cu, V, Nb 等结合 , 致使低合金钢焊缝金属凝固后含 有大量的氧化物、 硫化物、 氮化物及其复合物等非

7、金 属夹杂物。虽然这些非金属夹杂物不直接参加焊缝 金属的固态相变 , 但由于非金属夹杂物的熔点一般 比钢液高 , 首先从焊接熔池中析出 , 从而影响 D 铁 素体的形成 , 并在随后的固态相变过程中充当了针 状铁素体行核的核心 , 促进焊缝金属形成高比例的 针状铁素体。尽管焊缝中存在着大量的非金属夹杂 物 , 但并非所有的非金属夹杂物都能诱发针状铁素 体形核、 长大 , 一定成分、 尺寸的夹杂物才可诱发形 成针状铁素体。研究发现 , 直径为 0. 42. 0L m 的 非金属夹杂物能作为针状铁素体的形核质点 , 并且 这些非金属夹杂物质点与其诱发行核的针状铁素体 并不是一一对应的关系 , 如图

8、 1 所示。图 1 非金属夹 杂物 质点与 其诱 发行 核的针 状铁 素体 之间的对应关系Fig. 1 Corresponding relations between inclusions and AFnucleated on inclusions2. 1. 2 诱发 AF 形核长大的非金属夹杂物的组成焊接材料中不可避免地含有脱氧、 脱硫剂 , 在焊 接熔池中这些脱氧、 脱硫剂必然会形成相应的氧化 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 熔点较高 , 首先从液

9、态金属 中析出 , 熔点低 的 MnS (1620e , CuS (1625e 以这些高熔点的氧 化物 为核 心 , 于 是 形 成 了 以 Al 2O 3, TiO, SiO 2为 核 心 , MnS, CuS 或 (Mn, Cu S 硫化物为外表面的复合型夹 , 图 2 X70管线钢焊缝非金属夹杂物 EDS F i g. 2 ED S of inclus ion for weld metal of X70steel2. 1. 3 AF 晶界为一层富碳的薄膜研究表明 , 针 状铁 素体 内部 位错 密 度平 均为 1081010条 P c m 2。另外 , 由图 3针状铁素体内部与 晶界 C

10、 浓度分布的 TEM 可以看出 , C 元素在针状铁 素体内部的含量较少 , 在其边界分布较多 , 说明其晶图 3 C 浓度沿针状铁素体内部与晶界的分布 F C 46焊 接 学 报 第 29卷界是一层富碳的薄膜。因此 , 针状铁素体的长大既 有着切变转变的特征 , 同时也伴随着 C 原子的扩散 过程 , 而其精细的结构、 内部高的位错密度以及沿晶 界析出富碳的薄膜层正是针状铁素体具有较高的韧 性和抗解理断裂能力的主要原因。2. 2 共感形核很多情况下 , 焊缝并不仅仅是一道而是多道焊 , 此时焊接热循环会对前道焊缝内的显微组织有着直 接的影响 , 为此 , 对针状铁素体焊缝金属进行了热模 拟试

11、验。对于针状铁素体组织 , 有研究表明在焊接 热循环作用下 , 诱发针状铁素体形核长大的非金属 夹杂物的成分、 大小、 分布几乎没有改变 , 在冷却过 程中该位置的针状铁素体会再次析出。这类的针状 铁素体虽然也是经历了二次热循环后再次析出的 , 但由于它是原位析出 , 仍然把它定义为一次针状铁 素体 , 也就是说 , 针状铁素体具有遗传的性质 ; 另外 , 在这些遗传得到的一次针状铁素体边界的特定部位 上 , 会继续出现针状铁素体的胚胎并长大成为二次 针状铁素体 , 在一次针状铁素体与二次针状铁素体 相交处有相贯线 , 称这种现象为针状铁素体的感生形成 , 亦即所谓的共感形核 8, 如图 4

12、所示。图 4 针状铁素体的感生形核Fig. 4 Sympathetic nucleation and transfix ion line of AF由图 5所示的针状铁素体感生形核的 TEM 不 难发现 , 在形成二次针状铁素体的部位 , 一次针状铁 素体晶界处有大量的位错团聚、 缠绕、 堆积在一起 , 而在位错密度较低的一次针状铁素体晶界处尚未发 密度位错在共感形核过程中起着重要的作用。当一 次针状铁素体在冷却过程中再次析出时 , 由于升温 过程中 C 原子的扩散 并非是均匀过程必然导致一 次针状铁素体晶界的某些部位断续 , 当该处有高密 度的位错时 , 与一次针状铁素体内较高的界面能造 成

13、高的应力 应变能 , 于是在裸露出的铁素体基体 上形核并以一定的速度迅速长大到有限的尺寸 , 也 因此在一次针状铁素体与共感生成的针状铁素体交 界处会出现相贯线而非互相嵌入。图 5 针状铁素体的感生形核 Fig. 5 Sym pathetic nucleation of AF并非所有的夹杂物仍能诱发针状铁素体形核、 长大。这是因为 , 当焊缝金属经历二次热循环时 , 在 加热到奥氏体化温度并保持较长时间时 , 非金属夹 杂物的线膨胀系数与金属的线膨胀系数的差别较大 可能会导致金属与夹杂物之间出现空腔 , 在二维平 面上呈现为如图 6所示的空腔 , 该空腔的尺度远大 于原子尺度。在随后的冷却过程

14、中 , 由于焊缝金属 经历的是固态相变过程 , 原子只能进行短程扩散 , 因 而空腔不会消失 , 于是夹杂物与奥氏体界面之间较 高的应力应变能得到了释放 , 针状铁素体形核所需的驱动力得到了提高。因此 , 尽管诱发针状铁素 体形核的夹杂物核心仍然存在 , 针状铁素体形核所 需驱动力却大大提高了 , 当高于其它组织比如块状 铁素体形核所需驱动力时 , 便会发生奥氏体向块状 铁素体的组织转变过程。图 6 夹杂物周围的空腔 C avity around 第 3期 黄安国 , 等 :低合金钢焊缝的针状铁素体微观组织47尽管如此 , 图 7表明 , 热循环后的焊缝金属内依然存 在着相当数量的针状铁素体。

15、一方面是因为并非所 有的夹杂物都会产生空腔现象 , 仍然有相当部分的 非金属夹杂物诱发二次针状铁素体的形核 ; 另一方 面 , 当高温停留时间较短或冷却速度较快时 , 对于没 有出现空腔现象的夹杂物及其诱发形成的一次针状 铁素体来说 , 它们周围的金属原子来不及扩散致使 它们周围成分几乎没有发生变化 , 因而这是焊缝金 属经历二次热循环后所独有的现象 , 再加上共感形 核的作用。这几方面的共同原因促使焊缝金属在经 历了二次热循环后仍然存在着 较多量的针状 铁素 体。但从图 7a 中仍可看到 , 热模拟试样的针状铁素 体晶粒尺寸有一定的增大现象 , 这可能是因为针状 铁素体中的 C 原子进行了扩

16、散 , 使得针状铁素体富 碳的薄层向前推进 , 导致经历了热循环作用的针状 铁素体普遍较一次针状铁素体粗大。图 7 焊缝金属及不同热模拟工艺试样的金相组织 Fig. 7 Microstructure of sam ples for different thermal simula -tion procedures and un -treated weld metal3 结 论(1 针状铁素体是由一定尺寸和成分的球状非 金属夹杂物诱发形核、 长大的 , 并且它们之间不存在 一一对应的关系。(2 诱发针状铁素体形核、 长大的非金属夹杂 物是以 Al 2O 3, TiO, SiO 2为核心 , 以

17、MnS, CuS 或 (Mn, Cu S 硫化物为外表面的复合型夹杂物。(3 针状铁素体的晶界是一层富碳的薄膜 , 在 二次热循环作用下 , 由于 C 原子的扩散使得富碳的 薄膜向前推进 , 致使经历了热循环作用的针状铁素 体较一次针状铁素体粗大 , 但它们都是在奥氏体晶 内形核、 长大 , 它们都具有细化奥氏体晶粒、 提高多 道焊焊缝金属和焊接热影响区韧性的作用。(4 由于空腔、 遗传及共感形核的共同作用 , 使 得经历了二次热循环后焊缝内针状铁素体在数量上 与热循环前有一定的差距。 参考文献 :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 韩顺昌 . 针状铁素体的物理冶金学 (待续 J .材

19、 料开发与 应用 , 1995, 10(5 :2-7.4 韩顺昌 . 针状铁素体的物理冶金学 (续 J. 材料开发与应用 ,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 陈蕴 博 , 马 炜 , 金 康 . 强韧 微合 金 非调 质钢 的 研究 动 向J.机械工程材料 , 2001, 25(3:1-6.8 余圣甫 , 余阳春 , 谢明立 , 等 . 二次热循 环对晶内 铁素体的 影响 J. 焊接学报 , 2003, 24(2:89-92, 96.作者简介 :黄安国 , 男 ,

21、 1975年出生 , 博士 , 讲 师。主要 从事焊 缝金属组织行为方面的科研和教学工作。发表论文 20余篇。Email :huang-anguo163. com48焊 接 学 报 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