微量元素對(duì)低合金鋼大線能量焊接熱影響區(qū)脆性的影響.pdf

1、熔化焊接在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著工程結(jié)構(gòu)向大型化發(fā)展，如大型壓力容器、大型船舶等，生產(chǎn)過(guò)程要求焊接時(shí)能夠提高焊接線能量來(lái)提高焊接效率。然而，焊接線能量的提高將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的脆化，并對(duì)焊接接頭產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。目前國(guó)內(nèi)外降低焊接熱影響區(qū)脆性的方法主要集中在減小熱影響區(qū)的晶粒尺寸以及生成有益組織。合金化是實(shí)現(xiàn)此目的的一種重要途徑。將鋯/鈦/鈮元素加入鋼中生成夾雜物能促進(jìn)有益組織的產(chǎn)生，同時(shí)其生成的細(xì)小碳氮化物在高溫區(qū)能阻礙奧氏

2、體晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒。目前在焊接過(guò)程中對(duì)于鋯/鈦/鈮加入后生成碳氮化物的熟化和溶解過(guò)程及其對(duì)原奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響研究較少。不僅如此，由于材料冶煉過(guò)程中不可避免的會(huì)存在一些微量元素銻、磷和錫等，這些微量元素在晶界偏聚時(shí)會(huì)增加材料的脆性，但在焊接過(guò)程中微量元素的晶界偏聚行為及其對(duì)熱影響區(qū)的脆化作用研究更少。
　　因此，本文通過(guò)焊接熱模擬技術(shù)，針對(duì)兩種常用的低合金系列鋼（鉻-鉬系和碳-錳系），對(duì)雜質(zhì)元素銻、磷和錫在焊接熱循環(huán)過(guò)程中

3、的晶界偏聚行為及其對(duì)熱影響區(qū)脆性的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)研究了碳氮化物形成元素鋯/鈦/鈮生成的細(xì)小碳氮化物在焊接熱循環(huán)過(guò)程中的熟化和溶解過(guò)程及其對(duì)焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸的影響。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下。
　　采用 Gleeble-1500D熱機(jī)械模擬機(jī)分別對(duì)未加入雜質(zhì)元素以及加入雜質(zhì)元素銻和磷的2.25Cr-1Mo鋼進(jìn)行焊接熱模擬。熱模擬曲線峰值溫度為1320℃，焊接線能量為36、60和100 kJ/cm（其對(duì)應(yīng)的25mm厚板二

4、維導(dǎo)熱時(shí)，800至500℃的冷卻時(shí)間t8/5分別為27s、59s、149s）。隨后使用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）、場(chǎng)發(fā)射掃描透射電子顯微鏡（FEGSTEM）對(duì)模擬焊接熱影響區(qū)組織進(jìn)行分析，并使用FEGSTEM技術(shù)對(duì)不同焊接線能量時(shí)模擬焊接熱影響區(qū)銻和磷的晶界濃度進(jìn)行測(cè)量。發(fā)現(xiàn)在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，雜質(zhì)元素在原奧氏體晶界發(fā)生偏聚，導(dǎo)致其晶界濃度高于晶粒內(nèi)部濃度。當(dāng)焊接線能量為60 kJ/cm

5、時(shí)，銻和磷的晶界偏聚濃度均達(dá)到了最大值。Sb和P的晶界偏聚行為滿足非平衡偏聚理論。根據(jù)非平衡晶界偏聚理論得到臨界焊接線能量，使得在該焊接線能量焊接時(shí)熱影響區(qū)中雜質(zhì)元素晶界偏聚量達(dá)到最大值。隨后對(duì)含磷鋼在不同峰值溫度時(shí)P晶界偏聚的臨界焊接線能量進(jìn)行計(jì)算得到：當(dāng)峰值溫度為1320℃時(shí)，臨界焊接線能量為67 kJ/cm。該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。隨著峰值溫度的降低，由于奧氏體晶粒尺寸和冷卻時(shí)間均降低，臨界焊接線能量變化程度較小。通過(guò)測(cè)量焊接熱模擬

6、試樣的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度發(fā)現(xiàn)，Sb和P的晶界偏聚提高了焊接熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，且隨著晶界偏聚量的增加，熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高的程度增加。因此，在焊接時(shí)選擇遠(yuǎn)離臨界焊接線能量將能減小雜質(zhì)元素晶界偏聚對(duì)熱影響區(qū)的脆化影響。
　　對(duì)錫在碳-錳鋼焊接熱影響區(qū)的晶界偏聚行為進(jìn)行了研究，在焊接線能量為36 kJ/cm時(shí)，觀察到明顯的錫晶界偏聚及其產(chǎn)生的脆化作用。而在60 kJ/cm和100 kJ/cm時(shí)，由于先共析鐵素體在晶界處形核并

7、長(zhǎng)大，幾乎覆蓋全部晶界，晶界被破壞，晶界偏聚導(dǎo)致的脆化作用消失。焊接線能量為100 kJ/cm時(shí)，在加入和未加入錫的碳-錳鋼模擬焊接熱影響區(qū)組織中出現(xiàn)大量的針狀鐵素體，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度降低。
　　對(duì)同時(shí)加入鋯/鈦/鈮元素的碳-錳鋼以不同焊接線能量和不同峰值溫度進(jìn)行焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)，焊接線能量為30、60和100 kJ/cm，峰值溫度分別為1100、1200、1250和1320℃。隨后使用截線法測(cè)量模擬焊接熱影響區(qū)的原

8、奧氏體晶粒尺寸大小，以及使用 FEGSTEM對(duì)熱影響區(qū)中第二相的種類和尺寸進(jìn)行測(cè)量。發(fā)現(xiàn)材料中的細(xì)小第二相（半徑為100nm以內(nèi)）主要為Ti-Nb的化合物，且存在著溶解溫度較低的含Nb量較高的Ti-Nb化合物和溶解溫度較高的含Nb量較低的Ti-Nb化合物。結(jié)合第二相的熟化與溶解理論，對(duì)第二相的熟化和溶解過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算得到：隨著峰值溫度的增加，第二相的尺寸逐漸增大、體積分?jǐn)?shù)逐漸減?。划?dāng)鋼中存在低溶解溫度Ti-Nb第二相時(shí)，Ti-Nb第二