含钛微合金钢HAZ中的晶内针状铁素体研究

含钛微合金钢HAZ中的晶内针状铁素体研究

曹俊生1，龙木军2，傅明娇1，付朝政1，赵晓光1

（1.贵州航天新力铸锻有限责任公司锻造工艺部贵州遵义563003；

2.重庆大学材料科学与工程学院重庆400030）

摘要：含钛微合金钢焊接热影响区（HAZ）的组织很大程度上决定了其性能，晶内针状铁素体（IAF）的产生可以极大的改善HAZ区域的韧性，为研究HZA中的IAF的形貌与产生条件，采用Gleeble3500热力模拟机对2.5℃/S冷速下的对HAZ的组织进行模拟实验研究，并使用FactSage软件夹对夹杂物进行计算。结果表明：IAF以微米级夹杂物为形核点，并以感生形核的方式生成更多的IAF。生成的铁素体为微米级并且相互连接，形成互锁。最适宜生成晶内针状铁素体的的奥氏体大小为185μm左右；钛微合金钢析出的简单夹杂物有Al2O3、TiN、C2S2Ti4、TiC。含钛夹杂物的析出优先级为：TiN>C2S2Ti4>TiC。

关键词：含钛微合金钢；HAZ；晶内针状铁素体；韧性；夹杂物

中图分类号：文献标志码：A文章编号：

针状铁素体可以很好的提高焊接热影响区的焊接性能，特别是焊接热影响区的韧性[1-4]。氧化物冶金的发现使大线能量下的HAZ组织具有好的韧性成为了可能。夹杂物的存在是针状铁素体形核的一个充分条件。对于夹杂物对于针状铁素体的影响还没达成统一共识，并且对其形成机制还存在争议，贫锰区机制和应变诱导机制用的较为多。原奥氏体晶粒大小，夹杂物的尺寸、数量都对针状铁素体的形成由重要影响[5-6]。针对含钛微合金钢，先前我们的研究[7]已经明确在2.5℃/S冷速下可以形成针状铁素体，并且可以很好的改善其韧性。本文对产生的针状铁素体进行进一步研究，研究其的形貌与形成条件。为含钛微合金钢在大线能量的使用提供理论支持。

1试验材料及方案

实验样品取自某钢厂的含钛微合金钢，化学成分见表1，样品规格为10×10×55mm。使用Gleeble3500对样品进行HAZ的组织演变模拟，以100℃/s的速率快速升温到1300℃；保温30s;然后以10℃/s降温到800℃，然后以2.5℃/s降温到400℃，最终随炉冷却至室温。然后对样品进行冲击实验，冲击实验后，将样品沿中部切开，经砂纸磨制、机械抛光至镜面后以4%硝酸酒精溶液进行浸蚀，在RECHARTMEF3A型光学金相显微镜上对其微观组织进行观察。使用FactSage软件对含钛微合金中的夹杂物进行计算。

表1试验含钛微合金钢化学成分（质量分数，%）

Table1Chemicalcompositionofthetestedtitaniummicroalloyedsteel(massfraction,%)

2结果分析与讨论

2.1含钛微合金钢HAZ中的IAF

对经过热模拟的试样进行抛光、腐蚀，然后用光学显微镜进行观察，图1为含钛微合金钢的IAF。从图1(a)可见，在原奥氏体弦长约为185μm晶粒内，分布的组织大部分都为IAF组织。在晶界处分布的相连的细条状晶界铁素体。在目标奥氏体外的其他奥氏体，粒状贝氏体为主要组织。图1(b)为目标奥氏体放大500倍的完整晶粒内部。从图1(b)中可见，此时形成的针状铁素体的尺寸大小皆为微米级。微米级的针状铁素体以一点为核心，一般生成四条方向不同的针状铁素体。针状铁素体沿四个不同方向不停生长，直到遇到其他针状铁素体或晶界停止生长。不同方向生长的针状铁素体相互连接，自然而然形成“互锁”。而这种互锁的针状铁素体可以看作是把一个硕大的原奥氏体晶粒分割成众多的小区域。此时的组织受到冲击时，裂纹扩展的途径被互锁的针状的铁素体大幅度的延长，组织中能吸收的能量也大大提高。体现出来的宏观性能即是冲击韧性良好。最适宜生成晶内针状铁素体的的奥氏体大小为185μm左右，与J.L.Lee[8]的研究一致。

据已有的研究表明，晶内针状铁素体的形核点并不在晶界而是夹杂物。图2为含钛微合金钢中的晶内针状铁素体的夹杂物。图2(a)为弦长约为320μm的原奥氏体。在此原奥氏体内，其组织主要为晶内针状铁素体与粒状贝氏体。在晶界附近大多是粒状贝氏体，而在晶粒内部以晶内针状铁素体居多。从图2(b)中可见在此视场内的组织以晶内针状铁素体为主。蓝色框内可以发现在四个针状铁素体的中心处有一夹杂物。夹杂物处放大如图3(c)所示。图2(c)中的夹杂物为微米级的球形夹杂，以此夹杂物为形核核心，向四个方向形核长大了四个针状铁素体，形成的针状铁素体的宽度约为1-2μm，长度约为10μm。可见，针状铁素体确实在夹杂物处形核并且长大。

本文中并未对图2(c)中的夹杂物的成分进行确认，而在舒玮等[9]对含钛微合金钢中的针状铁素体研究中也发现了类似的形核夹杂物，对其成分进行分析，发现其成分为含钛的氧化物+MnS的复合夹杂。

晶内的一些针状铁素体，未见明显的形核核心（夹杂物）。其中的原因可能如下：针状铁素体有一次针状铁素体与二次针状铁素体之分。一次针状铁素体即是以夹杂物为核心，形核长大形成的针状铁素体。而二次针状铁素体是从已形成的一次针状铁素体处生成针状铁素体，这种形核方式称为“感生形核”。在一个原奥氏体晶体内，一次针状铁素体与二次针状铁素体相互混杂。

图2含钛微合金钢中的IAF中的夹杂物

Fig.2InclusionsinIAFoftitaniummicro-alloyedsteel

2.2含钛微合金钢中IAF形核的夹杂物基体分析

夹杂物对于含钛微合金的焊接热影响区形成晶内针状铁素体是前提条件之一。但是并不是所有的夹杂物都能形成晶内针状铁素体。夹杂物的种类、大小、分布都有重要影响。相关研究者研究表明：含钛的夹杂物是含钛钢晶内针状铁素体形核最有效的夹杂物。因此，本小节通过理论计算与实验分析对含钛微合金钢中的夹杂物进行研究,.

使用FactSage软件计算所得含钛微合金钢中理论析出夹杂物如图3所示。

从图3可得，析出的的夹杂物种类有四种，析出温度从高到低分别为：Al2O3、TiN、C2S2Ti4、TiC。Al2O3从液相就已经开始析出，析出的量峰值为0.004%。TiN在温度1460℃开始析出，在1200℃之前就差不多析出完成，析出的峰值量0.011%。C2S2Ti4在温度为1370℃开始析出，析出的峰值量为0.009%。在温度1140℃时，TiC开始析出，温度继续下降，TiC持续析出，最后在800℃到达峰值，其析出量为0.048%。含钛夹杂物的析出优先级为：TiN>C2S2Ti4>TiC。而理论计算的夹杂物在实际样品中也得到证实。

图3含钛微合金钢理论析出夹杂物

Fig.3Theoreticalprecipitationofinclusionsintitaniummicro-alloyedsteel

2.3含钛微合金钢HAZ中的IAF的形成

在2.1章节已对含钛微合金钢HAZ生成的IAF较为详细的说明，IAF的形成如图4所示。

①IAF以夹杂物为形核基体，较为有利的形核夹杂物形状为球形。小尺寸的夹杂物利于限制晶粒长大而对形成针状铁素体影响不大。夹杂物在晶界处无法促进晶内针状铁素体形成。而在本文中发现的形核夹杂物为1μm左右的球形夹杂。

②IAF优先在晶内生成，在晶界一般生成晶界铁素体(GF)。同时在原奥氏体晶内毗邻晶界生长的侧板条铁素体(SPF)与贝氏体铁素体(BF)。而在晶粒内部也生成粒状贝氏体(GB)组织。

③IAF以夹杂物为形核基体，一般沿四个方向生成针状铁素体，铁素体之间“互锁”，把大的晶粒分割，提升材料的性能。

图4IAF形核示意图

Fig.4IAFnucleationdiagram

3结论

1）晶内针状铁素体以微米级夹杂物为形核点，并以感生形核的方式生成更多的晶内针状铁素体。生成的铁素体为微米级并且相互连接，形成互锁。最适宜生成晶内针状铁素体的的奥氏体大小为185μm左右。

2）使用FactSage理论计算含钛微合金钢析出的简单夹杂物有Al2O3、TiN、C2S2Ti4、TiC。含钛夹杂物的析出优先级为：TiN>C2S2Ti4>TiC。

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[8]Lee.J.L.,PanYT.TheFormationofIntragranularFerriteinSimulatedHeat-AffectedZone[J].ISIJInternational,1995,35(8),1027-1033

[9]舒玮,王学敏,李书瑞,贺信莱.焊接热影响区针状铁素体的形核长大及其对组织的细化作用[J].金属学报,2011,47(04):435-441.