大線能量焊接用高強度鋼針狀鐵素體轉變行為及晶粒細化機制.pdf

1、大線能量焊接技術是利用高強度鋼進行大型裝備和結構的制造和施工、提高焊接效率和構件可靠性的重要技術。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題。針狀鐵素體是一種能有效細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制，對于開發(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用價值。
　　本文采用高溫共聚焦激光顯微鏡技術、連續(xù)截面和

2、計算機輔助三維重建技術、電子背散射衍射技術和金屬包埋切片微米-納米表征法等方法對針狀鐵素體的形核、長大行為、三維形態(tài)、取向關系、晶粒細化機制進行了系統(tǒng)的研究。主要研究結果如下:
　　(1)低合金高強度鋼焊接熱模擬過程在合適的冷卻速度下，奧氏體組織開始分解成針狀鐵素體和貝氏體。當奧氏體晶粒細小時，易于形成貝氏體組織。當奧氏體晶粒較大時，易于形成針狀鐵素體組織。原位觀察結果表明，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、在晶內夾雜物上單個或者多維形核，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大，從而獲得細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小于原奧氏體晶粒尺寸。
　　(2)針狀鐵素體快速長大，每個鐵素體在長大過程中都保持相對穩(wěn)定的速率。對在620℃到555℃之間形成的鐵素體板條進行測量，長大速度最大值、最小值和平均值分別為190.5

4、μm/s、33.3μm/s和87.6μm/s。將測量值和由Hillert提出的半經(jīng)驗公式在準平衡和不分配局域平衡條件下的理論值進行對比發(fā)現(xiàn)，實際測量值都在準平衡和不分配局域平衡條件的理論值之間，表明鐵素體板條長大受碳擴散控制。通過Hillert-Sundman模型計算了合金元素的溶質拖曳效應，發(fā)現(xiàn)620℃-555℃區(qū)間溶質拖曳效應對針狀鐵素體長大速率影響不明顯，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度、寬度和厚度分別為22μm、9μm和3μm。粗晶區(qū)晶粒細化機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獨立區(qū)域，在稍低溫度下形成的貝氏體被限制在這些細小區(qū)域內長大，因而得到了細小的貝氏體和針狀鐵素體的復合組織。
　　(4)焊縫中Mn離子擴散到夾雜物內部使得夾雜物周圍形成貧錳區(qū)誘導針狀鐵素體形核。針狀鐵素體在夾雜物上單個和多維形核，以及在鐵素體表面激發(fā)形核，鐵素體與原奧氏體保持

6、固定取向快速長大，鐵素體之間相互硬碰撞和相互交割，這些共同特征導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促進鐵素體形核能力強，ZrO2次之，Al2O3沒有形核能力。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。原因為Mn離子擴散進入Ti2O3或者ZrO2中，形成貧Mn區(qū)，從而促進鐵素體形核。
　　(6)采用鈦鋯復合脫氧技術開發(fā)了大線能量焊接高強度海洋結構用鋼。相比采用傳統(tǒng)

7、鋁脫氧鋼而言，鈦鋯復合脫氧的鋼第二相粒子數(shù)量更多，并且細小彌散;形成的貝氏體和針狀鐵素體混合組織的晶粒更加細小均勻。鈦鋯復合脫氧鋼的力學性能更好且更加穩(wěn)定。對焊接性的研究結果表明，鈦鋯復合脫氧鋼粗晶區(qū)奧氏體晶粒尺寸更細小，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Cu鋼粗晶區(qū)中的夾雜物為Al-Ti復合氧化物外層附著MnS;含Cu(0.32％)鋼粗晶區(qū)中的夾雜物為Al-Ti復合氧化物外