大線能量焊接用高強(qiáng)度鋼針狀鐵素體轉(zhuǎn)變行為及晶粒細(xì)化機(jī)制.pdf

1、大線能量焊接技術(shù)是利用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行大型裝備和結(jié)構(gòu)的制造和施工、提高焊接效率和構(gòu)件可靠性的重要技術(shù)。焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化和脆化是影響大線能量焊接用鋼及其使用性能的主要問(wèn)題。針狀鐵素體是一種能有效細(xì)化原奧氏體晶粒和提高焊接粗晶區(qū)韌性的組織。因此，從鋼鐵材料相變與組織控制的角度出發(fā)，探索針狀鐵素體的組織特征和形成機(jī)制，對(duì)于開(kāi)發(fā)大線能量焊接用鋼具有重要的理論意義和極大的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文采用高溫共聚焦激光顯微鏡技術(shù)、連續(xù)截面和

2、計(jì)算機(jī)輔助三維重建技術(shù)、電子背散射衍射技術(shù)和金屬包埋切片微米-納米表征法等方法對(duì)針狀鐵素體的形核、長(zhǎng)大行為、三維形態(tài)、取向關(guān)系、晶粒細(xì)化機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)低合金高強(qiáng)度鋼焊接熱模擬過(guò)程在合適的冷卻速度下，奧氏體組織開(kāi)始分解成針狀鐵素體和貝氏體。當(dāng)奧氏體晶粒細(xì)小時(shí)，易于形成貝氏體組織。當(dāng)奧氏體晶粒較大時(shí)，易于形成針狀鐵素體組織。原位觀察結(jié)果表明，形成針狀鐵素體的臨界奧氏體直徑為55μm。針狀鐵素體既可

3、在晶內(nèi)夾雜物上單個(gè)或者多維形核，也可在已經(jīng)形成的鐵素體表面感生形核，并且快速長(zhǎng)大。先形成的針狀鐵素體有效分割原奧氏體晶粒，限制后續(xù)形成的針狀鐵素體和貝氏體的長(zhǎng)大，從而獲得細(xì)小晶粒的針狀鐵素體和貝氏體的混合組織。這種混合組織的有效晶粒尺寸遠(yuǎn)小于原奧氏體晶粒尺寸。
　　(2)針狀鐵素體快速長(zhǎng)大，每個(gè)鐵素體在長(zhǎng)大過(guò)程中都保持相對(duì)穩(wěn)定的速率。對(duì)在620℃到555℃之間形成的鐵素體板條進(jìn)行測(cè)量，長(zhǎng)大速度最大值、最小值和平均值分別為190.5

4、μm/s、33.3μm/s和87.6μm/s。將測(cè)量值和由Hillert提出的半經(jīng)驗(yàn)公式在準(zhǔn)平衡和不分配局域平衡條件下的理論值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)量值都在準(zhǔn)平衡和不分配局域平衡條件的理論值之間，表明鐵素體板條長(zhǎng)大受碳擴(kuò)散控制。通過(guò)Hillert-Sundman模型計(jì)算了合金元素的溶質(zhì)拖曳效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)620℃-555℃區(qū)間溶質(zhì)拖曳效應(yīng)對(duì)針狀鐵素體長(zhǎng)大速率影響不明顯，速率的降低是由界面固有摩擦造成的。
　　(3)粗晶區(qū)針狀鐵素體呈現(xiàn)板狀

5、或條狀，三維重建獲得的針狀鐵素體平均長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為22μm、9μm和3μm。粗晶區(qū)晶粒細(xì)化機(jī)制是由先形成的針狀鐵素體把原奧氏體晶粒分割成許多較小的相對(duì)獨(dú)立區(qū)域，在稍低溫度下形成的貝氏體被限制在這些細(xì)小區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)大，因而得到了細(xì)小的貝氏體和針狀鐵素體的復(fù)合組織。
　　(4)焊縫中Mn離子擴(kuò)散到夾雜物內(nèi)部使得夾雜物周圍形成貧錳區(qū)誘導(dǎo)針狀鐵素體形核。針狀鐵素體在夾雜物上單個(gè)和多維形核，以及在鐵素體表面激發(fā)形核，鐵素體與原奧氏體保持

6、固定取向快速長(zhǎng)大，鐵素體之間相互硬碰撞和相互交割，這些共同特征導(dǎo)致了焊縫金屬中針狀鐵素體聯(lián)鎖組織的形成。
　　(5)采用熱壓連接方法研究發(fā)現(xiàn)純Ti2O3促進(jìn)鐵素體形核能力強(qiáng)，ZrO2次之，Al2O3沒(méi)有形核能力。增加鋼中Mn含量能使得氧化物誘發(fā)鐵素體形核能力加強(qiáng)。原因?yàn)镸n離子擴(kuò)散進(jìn)入Ti2O3或者ZrO2中，形成貧Mn區(qū)，從而促進(jìn)鐵素體形核。
　　(6)采用鈦鋯復(fù)合脫氧技術(shù)開(kāi)發(fā)了大線能量焊接高強(qiáng)度海洋結(jié)構(gòu)用鋼。相比采用傳統(tǒng)

7、鋁脫氧鋼而言，鈦鋯復(fù)合脫氧的鋼第二相粒子數(shù)量更多，并且細(xì)小彌散;形成的貝氏體和針狀鐵素體混合組織的晶粒更加細(xì)小均勻。鈦鋯復(fù)合脫氧鋼的力學(xué)性能更好且更加穩(wěn)定。對(duì)焊接性的研究結(jié)果表明，鈦鋯復(fù)合脫氧鋼粗晶區(qū)奧氏體晶粒尺寸更細(xì)小，針狀鐵素體含量更多，低溫沖擊韌性明顯高于采用鋁脫氧的鋼。
　　(7)在相同焊接熱循環(huán)下，無(wú)Cu鋼粗晶區(qū)中的夾雜物為Al-Ti復(fù)合氧化物外層附著MnS;含Cu(0.32％)鋼粗晶區(qū)中的夾雜物為Al-Ti復(fù)合氧化物外