微量元素對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)過程要求焊接時(shí)能夠提高焊接線能量來提高焊接效率。然而，焊接線能量的提高將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的脆化，并對焊接接頭產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。目前國內(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、體晶粒長大，從而細(xì)化晶粒。目前在焊接過程中對于鋯/鈦/鈮加入后生成碳氮化物的熟化和溶解過程及其對原奧氏體晶粒長大的影響研究較少。不僅如此，由于材料冶煉過程中不可避免的會(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，但在焊接過程中微量元素的晶界偏聚行為及其對熱影響區(qū)的脆化作用研究更少。
　　因此，本文通過焊接熱模擬技術(shù)，針對兩種常用的低合金系列鋼（鉻-鉬系和碳-錳系），對雜質(zhì)元素銻、磷和錫在焊接熱循環(huán)過程中

3、的晶界偏聚行為及其對熱影響區(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)過程中的熟化和溶解過程及其對焊接熱影響區(qū)原奧氏體晶粒尺寸的影響。主要研究內(nèi)容及成果如下。
　　采用 Gleeble-1500D熱機(jī)械模擬機(jī)分別對未加入雜質(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）、場發(fā)射掃描透射電子顯微鏡（FEGSTEM）對模擬焊接熱影響區(qū)組織進(jìn)行分析，并使用FEGSTEM技術(shù)對不同焊接線能量時(shí)模擬焊接熱影響區(qū)銻和磷的晶界濃度進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)在焊接熱循環(huán)過程中，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。通過測量焊接熱模擬

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)元素晶界偏聚對熱影響區(qū)的脆化影響。
　　對錫在碳-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對熱影響區(qū)中第二相的種類和尺寸進(jìn)行測量。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，對第二相的熟化和溶解過程進(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??；當(dāng)鋼中存在低溶解溫度Ti-Nb第二相時(shí)，Ti-Nb第二