（材料加工工程专业论文）低合金钢焊缝成分和组织的预测及计算模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 针对合金元素的存在对碳扩散的影响，引入了“当量碳扩散”的概念来确切的表 述在合金元素影响下的碳扩散，以使得所建立的基于碳扩散的计算模型能更好的接 近实际情况；偏析现象普遍存在于焊缝金属的凝固过程，这种现象对焊缝组织的 转变有着很大的影响，指出成分偏析效应改变了组织转变的转变温度区间和转变时 间，从而影响着焊缝中各种组织所占的体积分数。文中采用了偏析分层的方法，将 这种影响考虑到了低合金钢焊缝组织转变模型的建立中，使得所建立的模型更能接 近实际情况。夹杂物质点的作用贯穿整个组织转变模型的建立过程，从其对奥氏 体晶粒长大的影响到针状铁素体组织的转变的任何一个过程都起着重要的作用，尤 其是夹杂物的存在对针状铁素体的转变起着关键的作用即夹杂物质点往往是作为 针状铁素体的形核质点存在的。正确的对待和准确的计算低合金钢焊缝金属中的夹 杂物的相关内容有助于整个焊缝组织模拟模型的建立和其准确性的提高。遗 针对焊缝组织中的马氏体及m a 组元进行了简单的阐述并提出了计算低合金 钢焊缝组织中马氏体及m - a 组元的体积分数的简便模型，f 模型的预测结果具有一 定的可靠性，并且对进步准确的预测焊接接头的性能提供了重要的信息，起着重 要的指导作用耳 关键词：低合金高强钢7 数学模型计算机模拟当量碳扩散 偏析焊缝组织、合金成分 一一 i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = 2 = = = = = # = = = 目= # ；= 目= = = = = = = ；= 自 a b a s t r a c t e x p e r i e n t i a l l y , t h ea l l o y i n gc o n t e n t so f t h ew e l dm e t a l sh a v ec u r i a le f f e c t s0 1 3 t h e p r o p e r t i e so f t h ew e l d j o i n t s t ob e a c c u r a t ei np r e d i c t i n gt h ec o n t e n t so f v a r i o u sa l l o y si n t h ew e l dm e t a l si st h eb a s i cf o u n d a t i 0 1 3 f o rc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dn u m e r i c a la n a l y s i s o f m a n y w e l d p h e n o m e n a i n t h ep r e s e n tw o r k ，a i m e da tt h em a n u a lm e t a la r c ( m m a ) o r s h i e l d e da r cw e l d i n g ( s m a w ) a n db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ep a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea r t i f i c i a ln e t w o r k ( a n n ) s u c ha sn o n - l i n e a ra n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g , ab p - a n n m a t h e m a t i c a lm o d e lc o m b i n e dw i t ht h ec o m p l e x i t yo ft h ew e l dp r o c e s s i n ga n dt h e v a r i e t yo f t h ec o a t i n gc o m p o n e n t sa n da l s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n n i se s t a b l i s h e d t o p r e d i c t t h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o ft h ew e l d m e t a l s c o m p a r i n g t h ea c t u a l e x p e r i m e n t a l r e s u l t st ot h eb p a n nc a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o w st h a tt h ee s t a b l i s h e d b p - a n nm o d e lh a se x c e l l e n ta b i l i t yo f p r e d i c t i n g ，i tc a ng e ta m i n u t ee r r o rt h a ts a t i s f i e s t h ea n t i c i p a t e dr e q u i r e m e n t s b ym e a n so ft h i sm o d e l ，w ec a ns a v eag r e a tm a n yo f e x p e r i m e n t s ，r e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na s w e l la st h es i g n i f i c a n tg u i d a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f n e wc o v e r e de l e c t r o d e s s i n c et h es i z eo fa u s t e n i t eg r a i nh a v e i m p o r t a n c ee f f e c t s o nc o m p o n e n t sa n d p r o p o r t i o n so fv a r i o u sf e r r i t e sw h i l ef c r r i t ei sp r e v a i l e di nl o wa l l o yw e l dm e t a l ，t h e r ei sa n e e df o rf u n d a m e n t a lm o d e lw h i c hc a np r e d i c tt h es i z eo f a u s t e n i t e g r a i n i nt h i sp a p e r ，a m o d e lb a s e du p o nt h ee q u i - c a r b o nd i f f u s i o nr a t ei sp r o p o s e df o rc o m p u t i n ga u s t e n i t e g r a i ns i z ei nl o w - a l l o ys t e e lw e l dm e t a ld u r i n gc o n t i n u o u sc o o l i n g b o t ht h ee x p e r i m e n t a l t h e r m a lc y c l i n gf o rw e l d i n ga n dt h ee f f e c t so fv a r i o u sa l l o ye l e m e n t so nt h ea u s t e n i t e g r a i ng r o w t ht h em o d e lh a v eb e e nt a k e nf u l l yi n t oa c c o u n ti nt h i sm o d e lw h i c hc a n d e s c r i b ea c c u r a t e l ya u s t e n i t eg r a i ng r o w t hi n l o w a l l o ys t e e lm e t a l t h ec a l c u l a t i n g r e s u l t sa g r e er e a s o n a b l yw i t l lr e p o r t e de x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s i ti ss h o w nt h a tt h e m o d e li sa v a i l a b l et o d e a l i n gw i t ht h ee f f e c t s o fm a n yk i n d so fa l l o ye l e m e n t so n a u s t e n i t e g r a i ng r o w t h i nl o wa l l o yw e l dm e t a lw h e n i n t r o d u c i n gs p e c i a l m o d e l a s s u m p t i o n s b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h et t a n s f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fp fa n ds f m l c r o s t r u c t u r e sa n dt h e p r o p e re v a l u a t i o no ft h ee f f e c t st h a tt h ea l l o ye l e m e n t sa n d i n c l u s i o n s i m p o s e o nt h et r a n s f o r m a t i o n so f m i c r o s t r u c t u r e s ，a w e l le s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e dt oc a l c u l a t et h ev o l u m ef r a c t i o no f p fa n ds fi nh s l a s t e e lw e l dm e t a l s ，i na d d i t i o n ，s o l i d i f i c a t i o n - i n d u c e ds e g r e g a t i o ni st a k e n i n t oa c c o u n ti n h i t i f f sm o d e l 砸s 鼢s f o m l a d o nm o d e lw o r k sv e r yw e l lf o rc - m n s i ，c - m n - n i - m o a n d c ，m l l 币w e l dm e t a l s a l lt h e s es u g g e s tt h a tt h i sm o d e lc a nb e u s e df o rb o t hd i f f e r e n t w e l d i n gp r o c e d u r e s a n dv a r i o u st y p e so f h s l a s t e e l s a na fc o n t i n u o u st r a n s f o r m a t i o n m o d e l sh a sb e e n p r e s e n t e d b a s e do nt h e d i s p l a c i v e f o r m a t i o na tt h ei n c l u s i o n i n e r ti n t e r f a c e n ed e t a i l s s u c h a sa f t r a n s f o r m a t i o nd y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l sb e f o r es u c h m o d e l e s t a b l i s h e d r e a s o n a b l ea g r e e m e n ti sf o u n db e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s t o i m p r o v e t h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i n gm o d e l s ，t h r e ec o n s i d e r a b l ei s s u e sr e l a t e d t ot h ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni nh s l as t e e lw e l d sa r et a k e ni n t oa c c o u n t ：( g an e w c o n c e p t i o no f “e q u i c a r b o nd i f f u s i o n i s i n t r o d u c e di nt h ep r e s e n tw o r ki no r d e rt o e x p r e s st h ed i f f u s i o no f c a r b o nt h a tc o m b i n e st h ee f f e c t so fa l lt h ea l l o y si nh s l a s t e e l w e l d s t h u s a l lt h em o d e l sb a s e do nt h e e q u i c a r b o n d i f l u s i o nc a r lb eb e t t e ri n r e f l e c t i n gt h er e a l i t yo f t h ew e l d s t h ec o m m o np h e n o m e n o n o fs o l i d i f i c a t i o n - i n d u c e d s e g r e g a t i o n i ss oc 0 1 “n a o ni nw e l dm e t a l s ，a n di th a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h e m i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n i nt h ep r e s e n tw o r k ，f lm e t h o do fs e g r e g a t i o n s e g m e n ti s i n t r o d u e e di no r d e rt od e n lw i t ht h e s ej n f l u e n c e sa n dm a k et h em o d e lt ob em o r e a p p l i c a b l e t h ei n c l u s i o n se x i s t e di nw e l dm e t a l sp l a ya ni m p o r tr o l ei nt h ec o u r s eo f t h e e s t a b l i s h i n g m i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n m o d e l s ，a n de s p e c i a l l y f o rt h ea f t r a n s f o r m a t i o n ，b e c a u s eo ft h e s e i n c l u s i o n si st h e n e c e s s a r yp r e c o n d i t i o n s f o ra f n u c l e a t i o na n dg r o w t h t ob e r e re v a l u a t et h ee f f e c t se x c e e db yt h ei n c l u s i o n si sc r u c i a l f o rt h e i m p r o v e m e n t o fa l lt h e s ec a l c u l a t i n gm o d e l s t h ew o r k p r e s e n t sas i m p l ea n dc o n v e n i e n tm o d e l f o rt h ec a l c u l a t i o no fm a n dm a s t r u c t u r ew h i c h ，h a sb e e ni g n o r e do rb e e ne v a l u a t e da sas m a l la m o u n t t h ec a l c u l a t i o n r e s u l tw i t ht h i sm o d e lh a sag o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e o t h e r w i s e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fs u c hm o d e lp r o v i d e ss o m ec o n s i d e r a b l ei n f o r m a t i o nf o rt h ef u r t h e r s t u d y a b o u tt h ew e l d j o i n t s k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hl o wa l l o y e ds t e e l m a t h e m a t i c a lm o d e l c o m p u t e rs i m u l a t i o ne q u i c a r b o nd i f f u s i o ns e g r e g a t i o n w e l dm i c r o s t r u c t u r e ， a l l o y i n g c o n t e n t i v 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = 目= = = = = = ；= = # = = = = # = = # = = = = = = = = = = ；= = 1 1 引言 1 绪论 钢铁材料是最重要的工程结构材料之一，应用范围极其广泛。随着科学技术的 发展和进步，焊接结构设计日益趋向高参数、轻量化及大型化。低合金高强钢( h i g h s t r e n g t hl o wa l l o y e ds t e e l ，简称h s l a 钢) 因其本身具有高的强度、良好的低温冲 击韧性及可建造同样承载能力而重量较轻的结构等系列优异的机械性能和显著 的经济效益，而广泛用于船舶、海洋平台、桥梁、高层建筑、压力容器、石油和天 然气输送管线等各种工业领域。目前，全世界低合金高强钢的年消耗量约为l r 2 一 1 5 亿吨并以每年5 一8 的速度增长；我国发展的更为迅速，近几年每年产量 增长约为1 5 l q 。在过去的几十年中，低合金高强钢取得了显著进展，精炼技术、 微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理( t m c p ) 等些先进技术的应用，使 得低合金高强钢的焊接性大大改善；另一方面，随着与低合金高强钢相匹配的焊接 材料的不断开发，其焊接接头的强度和韧性得到了进一步的提高，使得低合金高强 钢更加广泛地发展起来，同时，这也引起了广大材料科学者浓厚的兴趣。 焊接过程是一个极其复杂的高温、动态和瞬时的过程：焊材与母材经熔化、凝 固、相变等一系列的物理、化学、冶金变化而成形为焊接构件的重要部分。这一系 列的过程，难以直接观察。而为了获得优质的焊接接头，还必须控制焊材的成分、 工艺参数等，使组织与性能处于最佳状态，同时使焊接缺欠减少到最低程度。这些 都难以实现实时的观察，间接测试也十分困难。传统研究更多的是建立在经验或试 验数据之上的，然而依靠试验方法积累数据，不但时间漫长，花费甚大，而且在某 些情况下还常常是不可能的，难以体现出科学性。比如，用新的高强钢制造新的工 程结构，特别是压力容器、输气钢管、反应堆元件等重要结构，没有多少经验可以 凭借，如果只依靠经验方法积累数据要用很长的时间和昂贵的费用，而且任何尝试 和失败都将造成重大的经济损失。随着计算机技术在焊接领域中应用的目益普及与 深入，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法 求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，已成为一种强有力的 手段。计算机模拟方法为焊接科学的发展创造了有利的条件并提供了有力的工具， 引起人们的越来越广泛的重视f 2 j 。 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = 目= = = = = = ；= = # = = = = # = = # = = = = = = = = = = ；= = 1 1 引言 1 绪论 钢铁材料是最重要的工程结构材料之一，应用范围极其广泛。随着科学技术的 发展和进步，焊接结构设计日益趋向高参数、轻量化及大型化。低合金高强钢( h i g h s t r e n g t hl o wa l l o y e ds t e e l ，简称h s l a 钢) 因其本身具有高的强度、良好的低温冲 击韧性及可建造同样承载能力而重量较轻的结构等系列优异的机械性能和显著 的经济效益，而广泛用于船舶、海洋平台、桥梁、高层建筑、压力容器、石油和天 然气输送管线等各种工业领域。目前，全世界低合金高强钢的年消耗量约为l r 2 一 1 5 亿吨并以每年5 一8 的速度增长；我国发展的更为迅速，近几年每年产量 增长约为1 5 l q 。在过去的几十年中，低合金高强钢取得了显著进展，精炼技术、 微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理( t m c p ) 等些先进技术的应用，使 得低合金高强钢的焊接性大大改善；另一方面，随着与低合金高强钢相匹配的焊接 材料的不断开发，其焊接接头的强度和韧性得到了进一步的提高，使得低合金高强 钢更加广泛地发展起来，同时，这也引起了广大材料科学者浓厚的兴趣。 焊接过程是一个极其复杂的高温、动态和瞬时的过程：焊材与母材经熔化、凝 固、相变等一系列的物理、化学、冶金变化而成形为焊接构件的重要部分。这一系 列的过程，难以直接观察。而为了获得优质的焊接接头，还必须控制焊材的成分、 工艺参数等，使组织与性能处于最佳状态，同时使焊接缺欠减少到最低程度。这些 都难以实现实时的观察，间接测试也十分困难。传统研究更多的是建立在经验或试 验数据之上的，然而依靠试验方法积累数据，不但时间漫长，花费甚大，而且在某 些情况下还常常是不可能的，难以体现出科学性。比如，用新的高强钢制造新的工 程结构，特别是压力容器、输气钢管、反应堆元件等重要结构，没有多少经验可以 凭借，如果只依靠经验方法积累数据要用很长的时间和昂贵的费用，而且任何尝试 和失败都将造成重大的经济损失。随着计算机技术在焊接领域中应用的目益普及与 深入，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法 求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，已成为一种强有力的 手段。计算机模拟方法为焊接科学的发展创造了有利的条件并提供了有力的工具， 引起人们的越来越广泛的重视f 2 j 。 华中科技大学硕士学位论文 作为焊接计算冶金学的重要组成部分，对焊缝成分和组织的预测和分析一直是 人们所关注的重点i a - j 题。最终决定着焊缝结构性能的是焊接接头的组织，而各种不 同的组织与接头的合金成分是分不开的，即在成分一组织一性能三者中是必定存在 着某种特定的关系或变化规律的。所以，只要能找出其中的变化规律，就可以在已 知成分的条件下推测焊接接头的性能或在要求的接头性能条件下确定焊材的选取 ( 郎控制合金成分) 。从而可以指导焊接生产制造，具有很大的实用价值。本文将 针对两个大的问题进行研究，其一是低合金钢手工电弧焊焊缝熔敷金属化学成分的 预测，其二是低合金钢焊缝组织组成情况的计算与模拟。 1 2 焊缝熔敷金属合金成分的研究与计算的发展概况 关于对焊缝熔敷金属合金成分计算的研究，已经有很多科研人员进行过这方面 的工作，其所使用的方法也个不相同，因为本论文主要针对的是低合金钢手工电弧 焊焊缝熔敷金属合金成分的研究，所以，在此也只是简述该方面的发展概况。 对焊缝金属成分的研究一直都是焊接工作者所关注的问题，为获得更安全、可 靠、经济的焊接结构，从事该方面的研究是非常有必要的。从当前的研究结果看， 对焊缝金属成分的研究主要有以下两种方法： 研究各种元素的过渡系数，以建立焊条( 焊丝+ 焊剂) 成分与熔敷金属合金 成之间的某种经验关系，以此来计算和预测与此相类似情况下的熔敷金属的成分。 如，姚寿山等人在收集了8 0 余种普通焊条药皮配方及其熔敷金属的化学成分分析 结果的基础上，采用了多元回归的分析方法，对焊条中合金元素m n 和s i 的过渡进 行了统计分析研究，并考虑了焊条焊芯的合金元素的成分及焊条熔渣碱度的影响。 建立了焊条中元素m n 、s i 过渡的经验公式，采用v i s u a lb a s i c 编制了计算手工焊条 中元素m n 、s i 过渡到熔敷金属的量的程序【3 。国外的t i e e r 等人也进行了类似的元 素过渡系数的研究以及焊条药皮成分与熔敷金属成分之间关系的实验研究f 训。 以化学反应实质为基础，抓住焊接过程中某些主要的化学反应来确定最终熔敷 金属的合金成分。康龙等人就是从这一点出发研究了手工焊条熔敷金属的成分预测问 题。首先是确定手工焊过程氧的吸入量的计算公式；然后再根据实验结果对主要的氧 化还原反应结束时渣与金属生成物的比例迸行回归计算，得到从渣的碱度、焊接条件 等因素到生成物的比例的计算公式，最后确定熔敷金属成分的递推公式阁【6 】a 总之，由于焊接冶金、电弧燃烧等过程的复杂性，使得焊缝金属成分的计算与 预测存在着很大的难度，任何的方法和途径都有着其固有的适用范围和使用的局眼 2 华中科技大学硕士学位论文 作为焊接计算冶金学的重要组成部分，对焊缝成分和组织的预测和分析一直是 人们所关注的重点i a - j 题。最终决定着焊缝结构性能的是焊接接头的组织，而各种不 同的组织与接头的合金成分是分不开的，即在成分一组织一性能三者中是必定存在 着某种特定的关系或变化规律的。所以，只要能找出其中的变化规律，就可以在已 知成分的条件下推测焊接接头的性能或在要求的接头性能条件下确定焊材的选取 ( 郎控制合金成分) 。从而可以指导焊接生产制造，具有很大的实用价值。本文将 针对两个大的问题进行研究，其一是低合金钢手工电弧焊焊缝熔敷金属化学成分的 预测，其二是低合金钢焊缝组织组成情况的计算与模拟。 1 2 焊缝熔敷金属合金成分的研究与计算的发展概况 关于对焊缝熔敷金属合金成分计算的研究，已经有很多科研人员进行过这方面 的工作，其所使用的方法也个不相同，因为本论文主要针对的是低合金钢手工电弧 焊焊缝熔敷金属合金成分的研究，所以，在此也只是简述该方面的发展概况。 对焊缝金属成分的研究一直都是焊接工作者所关注的问题，为获得更安全、可 靠、经济的焊接结构，从事该方面的研究是非常有必要的。从当前的研究结果看， 对焊缝金属成分的研究主要有以下两种方法： 研究各种元素的过渡系数，以建立焊条( 焊丝+ 焊剂) 成分与熔敷金属合金 成之间的某种经验关系，以此来计算和预测与此相类似情况下的熔敷金属的成分。 如，姚寿山等人在收集了8 0 余种普通焊条药皮配方及其熔敷金属的化学成分分析 结果的基础上，采用了多元回归的分析方法，对焊条中合金元素m n 和s i 的过渡进 行了统计分析研究，并考虑了焊条焊芯的合金元素的成分及焊条熔渣碱度的影响。 建立了焊条中元素m n 、s i 过渡的经验公式，采用v i s u a lb a s i c 编制了计算手工焊条 中元素m n 、s i 过渡到熔敷金属的量的程序【3 。国外的t i e e r 等人也进行了类似的元 素过渡系数的研究以及焊条药皮成分与熔敷金属成分之间关系的实验研究f 训。 以化学反应实质为基础，抓住焊接过程中某些主要的化学反应来确定最终熔敷 金属的合金成分。康龙等人就是从这一点出发研究了手工焊条熔敷金属的成分预测问 题。首先是确定手工焊过程氧的吸入量的计算公式；然后再根据实验结果对主要的氧 化还原反应结束时渣与金属生成物的比例迸行回归计算，得到从渣的碱度、焊接条件 等因素到生成物的比例的计算公式，最后确定熔敷金属成分的递推公式阁【6 】a 总之，由于焊接冶金、电弧燃烧等过程的复杂性，使得焊缝金属成分的计算与 预测存在着很大的难度，任何的方法和途径都有着其固有的适用范围和使用的局眼 2 华中科技大学硕士学位论文 t = ；= = j = ；= = ；= j = ；_ = ；= = = ； 性，但都是值得思索和借鉴的。 t 3 低合金钢焊缝组织及其模拟 1 3 1 低合金钢焊缝组织的特征 焊缝金属最终的组织是在焊接 熔池凝固结晶后的一次组织的基 础上，由随后不同温度时发生固态 相变形成的二次甚至三次组织所 组成。低合金高强钢焊缝金属的组 织转变过程如图卜i 所示【7 j ( s j ，分 为以下几个步骤：( i ) 在2 3 0 0 k 1 8 0 0 k 温度范围内，氧与脱氧元素 在熔池内发生反应形成o 1 1um 的复合氧化物夹杂。( i i ) i8 0 0 k 1 6 0 0 k ，液态焊缝金属开始凝固为 6 铁，逐渐包围先期形成的氧化物 夹杂。( 珊) 6 铁向y 铁进行转变。 ( i v ) 奥氏体向各种铁索体形 式的转变，如先共析铁索体( p f ) 、 侧板条铁素体( s f ) 和针状铁素体 ( a f ) 等以及少量的m a 组元，在 特定的条件下焊缝组织中也会出 现马氏体( m ) 和贝氏体( b ) 组 织。 图1 1h s l a 钢焊缝连续冷却组织转变过程 ( i ) 夹杂物彤成( ) 液态凝固为6 铁 ( i i i ) 奥氏体( i v ) p f 形核( v ) p f 沿 y 边界长大( ) s f 形成( v i i ) a f 形成 p f 是焊缝金属冷却过程中在丘温度以下首先形成的铁素体相。它一般连续的 分布于奥氏体的晶界部位，成为裂纹扩展的通道，对焊缝金属的韧性有着不良的影 响。s f 的形成温度介于p f 和a f 之间。关于s f 的形成机制，有几 唾i 观点。有人认 为s f 是和p f 存在共生现象，也有人认为s f 的形成是奥氏体和铁索体边界处非稳 定性增长持续发展的结果，还有观点认为s f 是在先共析铁素体上共感形成的次生 铁索体，也有作者认为s f 可以分为两种，初生s f 和次生s f ，前者一旦形成，即 华中科技大学硕士学位论文 t = ；= = j = ；= = ；= j = ；_ = ；= = = ； 性，但都是值得思索和借鉴的。 t 3 低合金钢焊缝组织及其模拟 1 3 1 低合金钢焊缝组织的特征 焊缝金属最终的组织是在焊接 熔池凝固结晶后的一次组织的基 础上，由随后不同温度时发生固态 相变形成的二次甚至三次组织所 组成。低合金高强钢焊缝金属的组 织转变过程如图卜i 所示【7 j ( s j ，分 为以下几个步骤：( i ) 在2 3 0 0 k 1 8 0 0 k 温度范围内，氧与脱氧元素 在熔池内发生反应形成o 1 1um 的复合氧化物夹杂。( i i ) i8 0 0 k 1 6 0 0 k ，液态焊缝金属开始凝固为 6 铁，逐渐包围先期形成的氧化物 夹杂。( 珊) 6 铁向y 铁进行转变。 ( i v ) 奥氏体向各种铁索体形 式的转变，如先共析铁索体( p f ) 、 侧板条铁素体( s f ) 和针状铁素体 ( a f ) 等以及少量的m a 组元，在 特定的条件下焊缝组织中也会出 现马氏体( m ) 和贝氏体( b ) 组 织。 图1 1h s l a 钢焊缝连续冷却组织转变过程 ( i ) 夹杂物彤成( ) 液态凝固为6 铁 ( i i i ) 奥氏体( i v ) p f 形核( v ) p f 沿 y 边界长大( ) s f 形成( v i i ) a f 形成 p f 是焊缝金属冷却过程中在丘温度以下首先形成的铁素体相。它一般连续的 分布于奥氏体的晶界部位，成为裂纹扩展的通道，对焊缝金属的韧性有着不良的影 响。s f 的形成温度介于p f 和a f 之间。关于s f 的形成机制，有几 唾i 观点。有人认 为s f 是和p f 存在共生现象，也有人认为s f 的形成是奥氏体和铁索体边界处非稳 定性增长持续发展的结果，还有观点认为s f 是在先共析铁素体上共感形成的次生 铁索体，也有作者认为s f 可以分为两种，初生s f 和次生s f ，前者一旦形成，即 华中科技大学硕士学位论文 迅速长大，次生s f 沿着前者的外缘向外生长【9 m 1 。i c h i k a w a 等人认为在焊缝金属的 固态相变过程中，在部分区域将会出现p f 和s f 的重复，如图卜2 所示l l l 】，其中黑 色的部分为s f 和p f 的共生区域。p f 和s f 共生模型从另外一个角度描述了焊缝固 态相交中高温阶段的p f 和s f 转变特征以及影响它们转变的重要因素，是最近时期 来较为被广泛接受的p f 和s f 转变机制模型。 针状铁素体组织是低合金高强钢焊缝中经常出现的组织。在奥氏体分解过程 中，初生的p f 与s f 相形成之后，细晶粒的a f 可能在奥氏体晶粒内部合适的夹杂 y 先一- 晶界 图1 - 2s f 和p f 的共生模型 物表面上形核，贮存能大约为4 0 0 j m o l 【”】【1 3 j 。针状铁素体首先在奥氏体内氧化物或 其它化合物表面形成并不断长大，然后在相邻的针状铁索体片间新的针状铁索体片 会自动生成。在针状铁索体数目与有效夹杂物数目之间并不存在一一对应关系。针 状铁索体在空间呈现兰维的长棒状。在两维平面上，针状铁素体更象片状结构。这 些针状铁索体片的长宽比从来没有人实测出来，但在一个自由平面上，往往测出大 约为1 0 l am 长和接近1 | lm 宽，所以针状铁素体片的实际长宽比将会远远大于 l o ：l 1 4 1 。针状铁素体的转变遵从非完全反应特征。针状铁素体的形成伴随着不同方 向的平面应变行为。由于其形成是在相对较高的温度，屈服强度较低，所以形状改 变往往伴随着塑性变形。引起组织内部位错密度的增加。t u l i a n i 报道说针状铁素体 内的位错密度大约为1 0 1 1 - 1 0 1 4 m - 2 【1 5 】，b h a d e s h i a 研究认为低合金高强钢焊缝熔敷金 属位错密度大约为5 1 0 m _ 2 【旧，可以使a f 相的强度增加1 4 5 m p a 。 一般情况下，贝氏体和马氏体往往出现于碳含量较高的低合金高强钢焊缝金属， 而且马氏体也多存在于相邻铁素体的边界部位，构成焊缝中少量存在的二次显微 4 华中科技大学硕士学位论文 i i -1 相。这两种组织的出现要满足以下条件【l g 】： a g a g + a g s a g d a g p 式中，g 一贝氏体或者马氏体组织形成所需要的最小能量；g 。一相界面的应变能； g 。一新界面产生所需要的表面能；a g 。一贝氏体或者马氏体异质形核向系统提供 的自由能；g ，一晶核的化学自由能。 国内外的很多学者都在从事这方面的研究工作，期望能以数学模型来描述和计 算焊缝中马氏体和贝氏体组织的演变过程及其在焊缝组织中所占的比例a 美国o a k r i d g e 国家实验室的d a v i d 等人，对此进行了全面而深入的研究，并试图发展一个 通用的、集成的模型来预测它们的演变过程，它是焊缝金属成分和焊接参数的函数。 d a v i d 等人从焊接熔池、凝固和固态相变角度出发，阐明了焊缝组织形成的原理和 方法，并且该模型可适用于大部分的低合金钢焊缝成分【1 9 】【2 0 1 。英国剑桥大学的 b h a d e s h i a 等人从相变原理出发，建立了计算贝氏体等温转变动力学的数学模型， 并着重研究其形成的机制u u 【2 1 】【2 2 1 。d f w a t t 与h e n w o o d 等人以及国内的张初冬等 也从相变动力学角度出发，并考虑钢材的成分与焊接条件建立了较为系统的数学模 型，利用状态图，在已知钢材成分、焊接条件和焊件几何形状的条件下，可以计算 出低合金钢焊接接头任一瞬间、任意一点处各处显微组织的体积分数【2 3 l 【2 4 t z 引。 焊缝金属组织组成情况的不同源自于焊缝组织转变过程的差异。应该承认，焊缝 组织的转变是一个有着众多影响因素的复杂过程，在既定的焊接规范下，焊缝金属的 化学成分、非金属夹杂物以及奥氏体晶粒尺寸的大小都是焊缝组织的转变过程中相当 重要的影响因素，决定着最终焊缝组织的组成情况。 1 3 2 低合金钢焊缝金属合金成分对组织转变的影响 c 是扩大奥氏体相区的元素，也是低合金高强钢中的基本合金元素。为了获得 良好的韧性和强度的结合，均把碳降低到o 1 以下，其目的是为了防止在焊缝中出 现粗大的板条马氏体。碳量低还可以控制碳化物的形成，防止低温转变产物的形成、 保证韧性。研究结果表明，碳含量在较低程度上适度增加，对针状铁索体的形成有 利【2 6 - 28 1 。 m n 元素是扩大奥氏体相区的元素，其作用是使奥氏体的分解反应移向较低的 温度，同时可以使共析反应在较低的碳浓度下进行，降低m s 点。e v a n s 等人研究 结果表明，m n 元素显著影响着奥氏体的转变动力，增加焊缝中m n 元素的含量可 以增加a f 的含量而缩减p f 的所占比例，而且随着m n 含量的增多，a f 板条逐渐 华中科技大学硕士学位论文 变细。一般认为，当m n 含量控制在1 5 w t 时，效果最佳”口” s i 是缩小奥氏体相区的元素，它对焊缝组织的影响较为复杂，不同的学者对此 的认识有很大的不同，甚至得出相互矛盾的结论。b h a d e s h i a 等人认为s i 及其氧化 物对针状铁素体的形成几乎没有影响，对m s 点的影响较小，但却显著提高珠光体 的相变温度，一般认为s i 含量在o 2 一0 5 w t 左右时，下限要求低氧和高铝配合， 在上限时要求高氧与低铝配合。e v a n s 等人认为，焊缝中s i 含量在0 2 一o 4 w t 以内，随s i 含量的增加会促进a f 的形成而减少侧板条铁素体( s f ) 的含量，特别 是当焊缝中m n 含量小于1 0 w t 时，随m n 含量的增加，s i 的影响明显减弱。陈 剑虹等研究发现，在高锰低硅情况下，a f 较为粗大，而且随硅含量的增加( 从o 0 5 - - 0 7 2 w t ) ，p f 含量逐渐减少，a f 的含量增加，但是硅含量过高时，虽然p f 减 少，而粒状贝氏体组织相对增加。而d o r s c h u 和s t o u t 认为，s i 含量在0 3 5 一0 8 w t 以内其对焊缝组织没有影响。另外，s i 还可以改变a f 板条的长宽比。必须强调指 出，m n 和s i 同时存在时，可作为脱氧剂，对焊缝组织和性能都有重大影响：随 m n s i 含量增加，可是连续冷却使得相变温度逐渐降低、组织细化。从焊缝性能 角度考虑，为了获得最佳韧性，在s i 含量为0 1 一o 2 5 w t 和m n 含量为0 8 一1 0 w t 范围内，获得中等粒度的p f 和晶内细a f 才是期望的良好的焊缝显微组 织【2 8 】。 n i 的作用与m n 相似，只是较m n 的作用弱，是弱合金元素。一般认为，随着 n i 含量的增加，晶界铁索体的含量下降，而且针状铁素体细化。n i 还降低奥氏体 向p f 转变的温度，使得有利于a f 的形成。n i 在焊缝中的含量最高可达3 5 w t ( 若 超过3 5 w t 时，在针状铁索体板条会出现马氏体组织) 。h a r r i s o n 等人的研究结果 表明，在焊缝金属的整个冷却速度范围内，n i 都可以使相变温度降低，并且使s f 开始转变温度降低程度明显大于a f 开始转变温度的降低，若焊缝金属中含有m n 时，n i 的这种效果有利于a f 的形成。另外，在有c 存在的情况下，n i 和m n 使焊 缝组织中残余奥氏体的数量和稳定性都增大【1 7 】【2 8 】。 瓢元素被认为是提高焊缝韧性的重要元素，它能够缩小y 相区，使得a 3 的温 度升高，温度降低。t i 的氧化物是非常有利于a f 异质形核的质点，n a f i e c k 等人的研究表明，随着t i 含量的增加，a f 的含量增加，当t i 的含量超过0 0 0 4 w t 时，对a f 的影响非常的明显。此外，t i 的加入还有利于控制焊缝中自由氮的含量， 生成的t i n 硬质点对焊缝金属又可以起到弥散强化的作用。t i 和b 共同作