（材料科学与工程专业论文）astm4130钢焊接热影响区组织和性能研究.pdf

摘要 a s t m 4 1 3 0 钢以优良的机械性能被应用为海洋平台高压管线材料。但作为一种中碳 调质钢，焊接热影响区是其性能薄弱的区域。本课题就是以a s t m 4 1 3 0 钢热影响区为 研究对象，采用焊接热模拟试验的方式来模拟热影响区经历的实际焊接热循环，利用光 学显微镜、扫描电子显微镜、冲击试验机、维氏硬度计等工具来研究热影响区组织和性 能特点。 研究结果表明，不经过焊后回火的a s t m 4 1 3 0 钢一次焊接热影响区组织和性能恶 化。细晶区由隐晶马氏体和铁素体组成，粗晶区由上贝氏体、针状马氏体以及板条马氏 体组成。细晶区冲击功只相当于母材的1 6 ，粗晶区冲击功仅1 0 j 左右，远远低于母材。 粗晶区由于淬硬组织的缘故硬度很高，远高于母材。而经过6 4 0 。cx 1 5 h 焊后回火，消 除了a s t m 4 1 3 0 钢次焊接热影响区的性能恶化的组织，大大提高了韧性，降低了粗 晶区的硬度，使韧性和硬度都维持在母材的水平。 在所选的线能量( e = 1 2 k j c m 、2 0 k j c m 、2 8 k j c m ) 范围内，如果不经过焊后回火， 形成的粗晶区组织脆硬，冲击功不超过1 4 j ，硬度也远高于母材。而经过6 4 0 c x l 5 h 焊 后回火，消除了淬硬组织，在所选线能量范围之内韧性都得到改善，硬度降低。 当二次热循环峰值温度超过a c l ，在临界再热粗晶区和过临界粗晶区由于组织存在 大量m a 组元，使得韧性和硬度均出现恶化。而在未转变粗晶区，由于组织粗大，性 能也较差。经过6 4 0 x 1 5 h 焊后回火，由于发生二次淬火，残余奥氏体在回火冷却时 生成脆性马氏体，削弱了回火对韧性和硬度的改善效果，使韧性提高不多，硬度值偏高。 在临界再热粗晶区，由于m a 组元沿晶界分布，使得韧性最差。 试验结果表明在焊后6 4 0 。c x l 5 h 回火下，可以选择大一点的焊接线能量以提高生 产效率，组织和性能并不恶化。另外为消除二次淬火对a s t m 4 1 3 0 钢组织和性能的影 响，应采用多层多道焊，并添加回火焊道。 关键词：a s t m 4 1 3 0 钢，中碳调质钢，焊接热模拟试验，热影响区 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fw e l d i n gh a z o f a s t m 4 1 3 0s t e e l y a n gh a o ( m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n g - y o n g a b s t r a c t a s t m 413 0s t e e li sa p p l i e dt oh i g hp r e s s u r ep i p e l i n eo fo f f s h o r ep l a t f o r mb e c a u s eo fi t s e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s h o w e v e r , a sak i n go fq u e n c h e da n dt e m p e r e dm e d i u m c a r b o ns t e e l ，w e l d i n gh e a ta f f e c t e dz o n ei st h ea r e a 诚t 1w e a kp e r f o r m a n c e t h i st h e s i st a k e s w e l dh a zo fa s t m 413 0s t e e la st h er e s e a r c ho b j e c t ，s i m u l a t e st h er e a lw e l d i n gt h e r m a l c y c l ee x p e r i e n c e db yh a zb ym e a n so fw e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t i n g ，a n dr e s e a r c h f e a t u r e so fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fh a zb yu s i n gt o o l ss u c ha so p t i c a lm i c r o s c o p e ， s e m ，i m p a c tt e s t i n gm a c h i n e ，v i c k e r sa n ds oo n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fh a ze x p e r i e n c i n g s i n g l e w e l d i n gc y c l ed e t e r i o r a t e dw i t h o u tp o s t - w e l d i n gt e m p e r i n g t h ef i n eg r a i n sz o n ew a s c o m p o s e do fg r a n u l a rb a i n i t e t h ec o a r s eg r a i n e dz o n ew a sc o m p o s e do fc r y p t o c r y s t a l l i n e m a r t e n s i t e ，a c i c u l a rm a r t e n s i t ea n dl a t hm a r t e n s i t e t h ei m p a c te n e r g yo ff i n eg r a i n sz o n ew a s o n l yo n es i x t ho ft h a to fb a s em e t a l ；t h ei m p a c te n e r g yo fc o a r s eg r a i n e dz o n ew a so n l y10 j ， w h i c hw a sm u c hl o w e rt h a nt h a to fb a s em e t a l h a r d n e s so fc o a r s eg r a i n e dz o n ew a sv e r y l l i g ha n dm u c hh i g h e rt h a nt h a to fb a s em e t a lb e c a u s eo fh a r d e n i n go r g a n i z a t i o n w i t h p o s t - w e l d i n ge m p e r i n g a t6 4 0 f o r1 5h o 峨t h em i c r o s t r u c t u r e 、椭mw o r s e n i n g p e r f o r m a n c eo fa s t m 4 13 0s t e e lh a ze x p e r i e n c i n gs i n g l ew e l d i n gc y c l ew a sr e m o v e d ， t o u g h n e s sw a si m p r o v e d ，t h eh a r d n e s so fc o a r s eg r a i n e dz o n el o w e r e dd o w n ，w h i c hm a d e t o u g h n e s sa n dh a r d n e s sb ee q u i v a l e n tt ob a s em e t a l t h em i c r o s t r u c t u r eo fc o a r s e g r a i nz o n ew i t h o u tt e m p e r i n ga f t e rw e l d i n g w h o s e h a r d n e s si sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fs u b s t r a t ei sq u e n c h - h a r d e n i n ga n d i m p a c te n e r g yi sl e s s t h a n14 jw h e nl i n ee n e r g yi s12 ，2 0a n d2 8 k j c m ；w h i l eq u e n c h - h a r d e n i n gm i c r o s t r u c t u r ei s e l i m i n a t e d ，t o u g h n e s si si m p r o v e da n dh a r d n e s si sd e c r e a s e dw i t l lt e m p e r i n ga t6 4 0 。cf o r1 5 h o u r i l d u et ot h ee f f e c to fs t r u c t u r ei n h e r i t a n c e ，t h em i c r o s t r u c t u r ei sc o a r s ea n dt o u g h n e s sa n d h a r n e s sa r ew o r s e n e dw h e nt h ep e a kt e m p e r a t u r eo fs e c o n dw e l d i n gt h e r m a lc y c l ei sh i g h e r t h a na c l t h er e s i d u a la u s t e n i t eg e n e r a t e sq u e n c h e dm a r t e n s i t ed u r i n gt h ep r o c e s so f t e m p e r i n gc o o l i n go w i n gt od o u b l eq u e n c h i n g ，w h i c hw e a k e n st h ee f f e c to ft e m p e r i n gt o i m p r o v e m e n to nt o u g h n e s sa n dh a r d n e s s t h eh a r d n e s si ss l i g h t l yh i g h e ra n dt h et o u g h n e s s i m p r o v e ss l i g h t l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t hp o s t - w e l d i n ge m p e r i n ga t6 4 0 ( 2f o r1 5h o u r , i tw a s f e a s i b l et oc h o o s eab i th i g hw e l d i n gh e a ti n p u ta n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sd i d n t d e t e r i o r a t e i na d d i t i o n ，t ow e a k e nt h ee f f e c to fd o u b l eq u e n c h i n go nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f a s t m 4 1 3 0s t e e l ，m u l t i p a s sw e l d i n ga n dt e m p e rb e a ds h o u l db ea d o p t e d k e yw o r d s ：a s t m 4 13 0s t e e l ，m e d i u mc a r b o nh a r d e n e dt e m p e r e ds t e e l ，w e l d i n g t h e r m a ls i m u l a t i o n , h e a te f f e c t e dz o n e i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：拉造日期：驯口年岁月雌日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：帕f o 年5 月d 争日 日期：伊o p 年r 月摊日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 石油被称作现代社会和工业的“血液，是世界消费量最大的基础经济能源。自 1 9 9 3 年开始，中国已经从原先的石油出口国变为石油进口国。随着中国经济的快速发展， 国内市场对石油的需求量不断增加。然而目前我国内陆油田生产产量已出现总体下跌的 趋势。而在我国3 0 0 多万平方公里的领海大陆架上蕴藏着丰富的油气资源，具有良好的 开发远景。从长期看，海洋石油肩负着我国石油产量增长的重任【1 。3 1 。 勘探开发海洋油气资源，钻采装备是关键，适用于深海钻井的浮式钻井装备之一就 是半潜式钻井平台。深水半潜式钻井平台具有抗风浪能力强、可变载荷大、适应水深范 围广、钻机能力强，同时具有多种作业功能( 钻井、生产、起重、铺管等) 等优点【4 】。 海浪、盐雾、台风、湿热等恶劣的工作环境以及平台有限的空间，对半潜式钻井平台的 高压管线系统提出了更高的要求。高压管线管汇包括高压立管管汇、高压水泥管线、节 流和压井管汇、泥浆泵高压排出管汇、水泥泵高压排出管汇、高压泥浆管线、压井与放 喷管线等。与常规陆地钻井作业相比，半潜式钻井平台高压管线系统要遭受恶劣的海况 以及海水的腐蚀，同时，由于海洋钻井对安全、环境因素要求高，半潜式钻井平台的高 压管线系统更为复杂，要求结构布置得更加紧凑，对可靠性要求更加严格( 5 棚。于是对 海洋平台高压管线的焊接提出了高的要求。 a s t m 4 1 3 0 钢以优良的机械性能被应用为海洋平台高压管线材料，但作为一种中碳 调质钢，焊接热影响区常出现性能恶化的现象，本课题就是以a s t m 4 1 3 0 钢热影响区为 研究对象，研究其在不同焊接热循环下的组织和性能。 1 2 中碳调质钢的焊接性 1 2 1 中碳调质钢的焊接缺陷 ( 1 ) 冷裂纹【7 - 9 中碳调质钢具有很大的淬硬倾向，冷裂倾向较为严重，这是由于中碳调质钢的含有 较高的碳元素以及加入的合金元素也较多，这就使得在5 0 0 。c 以下的温度区间过冷奥氏 体具有更大的稳定性。并且随着含碳量的增高，淬硬倾向增大，冷裂倾向也增大。另外 中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，不仅在于淬火倾向大，而且由于 第一章绪论 m s 点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应，并且由于马氏体中的含 碳量较高，有很大的过饱和度，点阵的畸变就更严重，因而硬度和脆性就更大，对冷裂 纹的敏感性也就更大。马氏体的硬脆程度随含碳量的提高而增加，因此钢的冷裂敏感性 也随着含碳量的提高而增加。 ( 2 ) 焊缝中的热裂纹 由于中碳调质钢含碳量及合金元素含量都较高，使得液固相区间较大，偏析也很 严重，这就促使中碳调质钢具有较大的热裂纹倾向。所以在焊接中碳调质钢时，为了避 免热裂纹的产生，应该选择含碳量较低的且含s 、p 杂质少的焊接材料。在焊接工艺上 应特别注意保证填满弧坑和良好的焊接成形，因为热裂纹容易产生在未填满的弧坑处， 特别是在多层焊时第一层的弧坑中以及焊缝的凹陷部位 7 1 。 ( 3 ) 过热区的脆化 中碳调质钢由于含碳量较高，合金元素较多，有相当大的淬硬性，因而在焊接热影 响区的过热区内容易产生硬脆的高碳马氏体。并且随着冷却速度的增大，生成的高碳马 氏体越多，脆化程度也就越严重。 ( 4 ) 热影响区的软化 中碳调质钢是在调质态下进行焊接，焊后一般要再进行调质处理。但如果焊后不能 进行调质处理，而必须在调质状态下焊接时就要考虑软化问题。当调质钢的强度级别越 高时，软化问题越严重。此外，软化程度和软化区的宽度与焊接方法、焊接线能量有很 大的联系。研究表明线能量越小，加热和冷却速度越快，受热时间越短，软化程度越小， 软化区的宽度越窄【8 - 9 。 1 2 2 中碳调质钢的焊接特点 在一般情况下，中碳调质钢焊后要进行整体调质，这是焊接调质钢的一种比较合理 的工艺方案。由于热影响区的性能可以通过焊后的调质处理来保证，焊接时所要解决的 问题主要是裂纹。因此，在这种情况下对选择焊接工艺方法几乎没有限制，常用的一些 焊接方法都能采用。目前薄板件焊接普遍采用c 0 2 保护气体焊、钨极氩弧焊和微束等 离子焊等【1 0 1 。在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹等焊接缺陷外，还要 求焊缝金属的调质处理规范尽量与母材的一致，以保证调质后的接头性能与母材相同， 因此，焊缝金属的主要合金成份应与母材相似，但要严格控制能引起焊缝热裂倾向和促 使金属脆化的元素含量。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在焊后调质的情况下，为了保证焊接接头在调质处理前不出现裂纹，应合理选择焊 接工艺参数，而接头性能由焊后热处理来保证。因此可以采用较高的预热温度和层间温 度以降低冷却速度。此外，对于焊后来不及立即进行调质处理的情况，为了保证在调质 处理前不致产生延迟裂纹，必须在焊后及时进行一次中间热处理。而对于一些焊后不再 进行调质处理的情况，从防止冷裂纹的要求出发，经常采用纯奥氏体的铬镍钢焊条和镍 基焊条。 当必须在调质状态下进行焊接时，除了裂纹外，热影响区需要考虑的主要问题有： ( 1 ) 高碳马氏体引起的硬化和脆化；( 2 ) 高温回火软化引起的强度降低。高碳马氏体 引起的硬化和脆化可以通过焊后回火处理来解决，但高温回火区软化引起的强度下降， 在焊后不能调质处理的情况下是无法补救的。为了防止过热区出现淬硬组织以及产生延 迟裂纹，必须选择合适的预热温度，并在焊后及时进行回火处理。并且必须注意预热、 层间温度、中间热处理和焊后热处理的温度，都一定要控制在比母材淬火后的回火温度 低5 0 。为了减少热影响区的软化，从焊接方法上来考虑，应该采用热量集中、能量 密度大的焊接方法，并且焊接线能量越小越好。所以采用气体保护焊比较好，特别是钨 极氩弧焊，它的热量比较容易控制，焊接质量容易保证，因此经常用它来焊接一些焊接 性很差的高强钢【1 1 1 。采用大的焊接线能量，虽然可以提高生产效率，却容易使焊接接头 产生冷裂纹而导致性能恶化。对于中碳调质钢，采用大的焊接线能量在强度提高的同时 也使其其冲击韧性发生显著下降，另外裂纹敏感性增加。因此，在焊接中碳调质钢时一 般采用小焊接线能量【协1 3 1 。 如何促使中碳调质钢热影响区晶粒细化，提高热影响区的韧性是国内外学者普遍关 注的问题【1 4 1 。一些研究结果表明，利用钢中的有益细小夹杂物，除了能有效地钉扎高温 奥氏体晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒的长大，而且还能诱导晶内铁素体的形核，从而细 化热影响区的晶粒，提高强度与韧性【1 5 l 。 1 3 焊接热影响区的组织与性能 焊接热影响区常常是焊接接头的薄弱环节，其力学性能的好坏，将关系到整个焊接 接头的性能。由于焊接时母材热影响区上各点距热源的远近不同，所以各点所经历的焊 接热循环也会不同，这就导致出现不同的组织，因而就具有不同的性能【1 6 。1 7 1 。从这个意 义上整个焊接热影响区的组织和性能是不均匀的。 3 第一章绪论 1 3 1 焊接热影响区的组织分布 根据钢材焊后空冷是否容易形成马氏体，将钢材分为不易淬火钢和易淬火钢。对于 不易淬火钢，按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征的不同，可以分为以 下三个区域：( 1 ) 过热区；( 2 ) 相变重结晶区；( 3 ) 不完全结晶区。如图1 1 所示。 图1 1 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系1 1 8 l f i g 1 - 1 r e l a t i o n s h i po ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n ds t a t eo fh e a t e de f f 优t e dz o n e 易淬火钢包括低碳调质高强钢、中碳钢、和中碳调质高强钢等。这类钢焊接热影响 区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。如果母材焊前是正火或退火状态，则焊后 热影响区的组织分布可分为【1 8 】： ( 1 ) 完全淬火区 该区所经历的温度处于a c 3 到固相线之间。由于这类钢的淬硬倾向较大，故在冷却 时将形成淬火组织。在靠近焊缝附近，由于温度很高，奥氏体晶粒长大严重，故得到粗 大的马氏体，而在温度超过a c 3 不多的部位，由于晶粒长大不严重，得到了细小的马氏 体。另外由于线能量和冷却速度的差异，还可能出现贝氏体组织，形成与马氏体共存的 混合组织。这个区在组织特征上都是属于同一类型( 马氏体) ，只是晶粒粗细不同，因 此统称为完全淬火区。 ( 2 ) 不完全淬火区 该区的加热温度处在a c i a c 3 之间。在加热条件下，铁素体部分溶入奥氏体，而珠 光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后冷却时，奥氏体转变为马氏体而原铁素 体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织，故称为不完 全淬火区。如果含碳量及合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现珠光体和索 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 氏体组织。 如果母材在焊前是调质状态，那么焊接热影响区的组织，除存在上述的完全淬火区 和不完全淬火区之外，在母材的部分区域还可能发生不同程度的回火，该区域称为回火 区( 低于a 。1 以下的区域) 。在回火区内组织和性能发生的变化程度决定于焊前调质态 的回火温度。 在多道焊时，根据第二次焊接热循环峰值温度的不同，粗晶区又大致可分为4 个区 域：亚临界粗晶区( s c c g h a z ) ，即在a c 以下温度受到再次加热的区域；临界粗晶热 影响区( i c c g h a z ) ，在a e t a t 3 之问受到再次加热的区域；过桩界粗晶热影响区 ( s c r c g h a z ) ，在a c 3 1 2 0 0 之间受到再次加热的区域；未变粗晶热影响区 ( u a c g h a z ) ，即没有受到再加热的区域或在1 2 0 0 c 以上受到再次加热的区域0 9 - 2 2 i 。 多道焊时h a z 的示意图如图1 2 所示。 目m m h 田i - 2 多道焊h a z 示意图 l a - 2s c h e m a t i c d i a g r a mo f b a z o f m l l l t i - i s s w e l d i n g 1 , 32 焊接热影响区组织转变及特点1 2 3 - 2 7 1 在焊接冷却过程中，当温度稍低于a c 3 ，开始发生铁素体转变，转变通过扩散的方 式来完成。随着冷却速度的增加，铁素体的形成温度比a e 3 更低一些，若在7 0 0 5 5 0 c 发生铁素体转变，则转变为侧板条铁索体它是从奥氏体晶界先共析铁索体的侧面一板 条状向晶内成长，若在在5 0 0 c 附近发生铁素体转变，则形成魏氏体组织。魏氏体组织 的形成时是以类似马氏体转变的切变方式进行的。 贝氏体转变属于中温转变，其转变温度约在5 5 0 * c m s ，此时合金元素已不能扩散， 只有碳还能够扩散。在贝氏体转变温度区间，除了出现常规的上贝氏体和下贝氏体，由 于化学成分和冷却条件的原因，还可能出现所谓的粒状贝氏体。粒状贝氏体是在块状铁 素体形成之后，富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的冷却条件下，这些 富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体，称为m a 组元。当m _ a 组元以粒 5 第一章绪论 状分布在块状铁素体上时，称为“粒状贝氏体 。如果以条状分布时称为“条状贝氏体 。 研究表明，粒状贝氏体不仅可在奥氏体晶界形成，也可在奥氏体晶内形成。粒状贝氏体 随着小岛所占面积的增多其抗拉和屈服强度得以提高。 经研究表明粒状贝氏体的韧性取决于贝氏体铁素体及岛状组织这两个部分，岛状组 织的大小、数量、形态及分布对韧性有着显著的影响。粗晶区冷却过程中会形成粗大的 粒状贝氏体组织，粒状m a 岛分布在大块的铁素体基体上，导致了该区低温韧性的严 重降低。粒状贝氏体的形态对材料低温韧性也有重要的影响。当粒状贝氏体中m a 组 织以较大的岛状分布在铁素体基体上时，低温韧性很差；当m a 组元均匀细小、不连 续分布在铁素体基体上时，低温冲击功升高。这是因为这些细小、不连续的m a 不易 诱发裂纹，也不提供裂纹扩展的通道，故在低线能量条件下形成的细小的粒状贝氏体韧 性有所改善。 当母材金属的含碳量较高或合金元素较多时，在较快的冷却条件下，奥氏体过冷到 m s 温度以下将发生马氏体转变。低碳低合金钢焊缝金属在连续冷却条件下常出现板条 状马氏体，其特征是在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条，板条状马氏体不仅具 有较高的强度，同时也具有较好的韧性，且随着板条马氏体越细小，性能越好。当焊缝 中碳含量较高时将出现针状马氏体，其马氏体片不相互平行，针状马氏体的硬度很高， 而且很脆，热影响区中出现这种组织将使性能严重恶化。 魏氏组织是钢的一种过热组织。魏氏组织的形成，主要是由于材料过热而引起奥氏 体晶粒严重长大，在冷却时首先铁素体针沿奥氏体晶界析出，然后富碳的奥氏体转变为 珠光体。铁素体沿奥氏体晶界析出后，还顺奥氏体晶界某惯习面上不断长大，形成粗大 的魏氏组织。魏氏组织的存在使得钢的机械性能特别是冲击韧性和塑性发生显著的降 低，并提高钢的韧脆转变温度，因而使钢容易发生脆性断裂。 1 3 3 焊接热影响区韧性恶化的成因 在焊接过程中，焊缝附近的金属经受了强烈的焊接热循环作用，产生了一系列物理 和化学变化。显微组织的形态改变、晶粒粗化、二次相变及碳氮化物溶解和重新析出过 程等，在焊接接头附近产生残余应力、热应力及体积变形等，这些都将严重影响焊接接 头，尤其是热影响区的冲击韧性。h a z 中的韧性恶化是在强烈的焊接热源作用下，熔合 线附近的热影响区晶粒严重粗化，在冷却过程中形成粗大的二次相变产物，如粗大的晶 界铁素体、侧板条铁素体及m a 组元、上贝氏体及沉淀析出物等，即h a z 存在韧性很低 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的局部脆化区f 2 8 。2 9 1 。以下是对焊接热影响区按区域分析局部韧性恶化机理： ( 1 ) 热影响区粗晶区( c g 扎屹) ：也称为过热区，其与熔合线相邻，由于受焊接电 弧热的强烈作用，c g h a z 中的奥氏体晶粒急剧长大，形成晶粒粗大的热影响区组织。 c g h a z 韧性劣化的成因是粗大的奥氏体晶粒尺寸在冷却过程中通过转变温度区时，发 生二次相变过程，形成粗大的晶界铁素体、侧板条铁素体、马氏体和上贝氏体以及冷却 过程中重新析出碳氮化物等【2 8 】。 ( 2 ) 不完全重结晶区：在一次焊接热循环情况下，峰值温度介于a q a c 3 之间形成的 区域。在这一区域基本不存在晶粒粗化。但由于存在q 吖仅循环相变过程，使碳在相变过 程中向奥氏体中富集，这是由于c 在奥氏体中的化学位远低于铁素体中的化学位，因此 造成c 从铁素体向奥氏体扩散，形成富c 的奥氏体。当奥氏体再发生分解时，易形成脆 硬相，如高碳孪晶马氏体、m - a 组元等，造成脆化【2 8 。2 9 】。 ( 3 ) 临界再热粗晶区：是一次焊接热循环形成的c g h a z 被后一道次焊接热循环加热 到峰值温度位于a c l - a c 3 之间形成的区域。该区域通常情况下是多道次焊接接头韧性最低 的区域，在被重新加热并转变而成的奥氏体中，c 高度聚集，并且奥氏体晶粒粗大，导 致了很大的组织淬硬性。当奥氏体再发生分解时，形成m a 组元，并以链状分布在原始 粗大的奥氏体晶界处。临界再热粗晶区韧性不仅取决于m a 组元的体积分数，也取决于 m a 组元的形貌和分布。m a 组元有两种基本形貌，即细长型和块型。细长型分布于贝 氏体板条之间的界面上，块型颗粒分布于铁素体与残余奥氏体之间的界面上，但细长型 m a 对韧性的危害性更大。m a 组元的c 含量很高，其硬度也很高，该处常常是裂纹萌 生的起点，脆性断裂也从m a 组元开始【2 9 1 。 ( 4 ) 亚临界再热粗晶区：此区域是一次焊接热循环形成的c g h a z 被后一道次焊接热 循环加热到峰值温度稍低于a c l 形成的。该区域易发生微合金元素碳氮化物的沉淀，尤 其当n b 0 0 3 时，则发生n b c n 沉淀，引起亚临界再热粗晶区韧性恶化【2 8 l 。 1 4 焊接热模拟试验 由于焊接热影响区的部位十分狭窄，而且热影响区又可分为组织和性能不相同的许 多更小的区域。以现有的常规的技术条件很难准确地测出每个小区域的性能，现在研究 的焊接热影响区的性能只是焊接热影响区整体性能的反映，并不能测出焊接热影响区中 各个小区的性能。 焊接热模拟技术就是在上述背景下提出来的，由此产生的焊接热模拟试验方法常用 7 第一章绪论 来研究焊接热影响区中各个小区域的组织和性能的变化规律。焊接热模拟技术是现在评 价钢材焊接性的一种有效方法，它使具有一定尺寸的小型试样，再现与实际焊接热影响 区某一点完全一致的热循环，这样就使得焊接热影响区各狭小的区域得以放大，提供了 对热影响区各特定区域组织及性能( 特别是冲击韧性) 进行深入研究的可能。焊接热模 拟试验为焊接工艺的选择、保证热影响区性能提供了可靠的依据，为冶金部门研制焊接 性良好的钢材和合金，提供了可靠的试验手段【3 0 1 。 1 4 1 焊接热模拟试验主要参数及其计算 通过大量测量实际焊接热循环曲线得出，焊接热循环曲线主要考虑以下几个参数： 峰值温度z p l 加热速度；在某一定温度以上的停留时间锄在某一温度时的瞬时冷 却速度c 或在某一温度区间的冷却时间，c 。 ( 1 ) 加热速度姗 从实测的焊接热循环曲线可知，加热速度( o h 与焊接线能量和焊接方法有关。在焊 件被加热的不同温度范围，加热速度并不相同，准确的说，焊接热模拟曲线的加热速度 应该分段设置，但是由于焊接热模拟设备温度调节系统灵敏度受到限制，很难做到在较 短的时间内快速改变加热速度，因此目前情况下热模拟试验的加热速度一般仍采用某温 度区间内的平均加热速度【3 0 l 。 ( 2 ) 峰值温度昂 峰值温度瓦是焊接热模拟曲线的主要参数之一，它标志着焊接热影响区不同的区 域，焊接热模拟试验以峰值温度表征着实际焊接热影响区不同区域的组织及性能。根据 焊接热模拟的研究实践，对不易淬火钢而言，对应焊接热影响区的不同部位，峰值温度 一般可选四个区段，粗晶区( c g h a z ) ：1 1 0 0 , - , 1 3 5 0 ；细晶区( f g h a z ) ：a c 3 1 1 0 0 ； 混合区：a c l a c 3 ；回火区：a c l 以下。 ( 3 ) 某一温度范围的冷却时削3 1 。3 5 】 在实际试验过程中，对冷却速度的测量一般比较困难，也有比较大的误差。目前更 多地采用一定温度范围内的冷却时间来代替瞬时冷却速度。对于所选择的温度范围是根 据焊接热模拟试验的目的来确定的，比如钢种在此温度范围内存在着中间组织转变等特 点。对碳钢和低合金钢热影响区的组织及性能进行研究时，往往只要求8 0 0 - , 5 0 0 或 8 0 0 - - , 3 0 0 的冷却时间。常用的冷却时间计算有如下几种： a 稻垣道夫经验计算式 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 稻垣道夫等在大量试验基础上，推算出钢的8 0 0 , , 5 0 0 。c 或8 0 0 3 0 0 c 的冷却时间计 算式，如式( 1 1 ) 所示 $ 0 0 5 0 0 1 2 k e ” 堋2 石评翮 m 1 ) 式中：弘一焊接电压，v ；坤接电流，a ；b 一焊接线能量( e = 6 0 u i v ) ，j c m ；肛 焊接速度，c m m i n ；t - 而一给定温度范围，；岫却时间；坤接线能量系数；，卜- 焊接线能量指数；扣板厚，i i i i l l ；万广板厚系数；雌头型式系数。 b 高温( 1 3 5 0 。c ) 至1 0 0 。c 区间冷却时间的计算 近年来，在对高强钢焊接冷裂纹的研究时，通常采用电弧通过后( 或1 3 5 0 c ) 冷 却到1 0 0 * c 的时间作为冷裂纹倾向的参数之一，这时可采用公式( 1 2 ) ： = 1 3 5 - 。2 ( y 4 ) ( 三形) n 2 5l i 奇一i 南j ( - 2 ) 式中：卜电弧通过后冷却到任意温度丁的冷却时间( 一般丁为1 0 0 。c ) ；v a 试 板单位面积所占有的体积，c m 3 c m 2 ；三卜试板的长宽面积，c m 2 ；乃一周围环境温度， ；卜电弧通过后冷却所求的温度，一般为l o o ；如一巩2 警+ l ，试板的热容温 度；棚接电弧的热效率，；蝴接线能量，j c m ；板上的焊道长度，c m ；胁一 试板的重量，g ；洲板的平均比热，j ( g ) ；试板的初始温度，； c 通过大量的实验验证的8 0 0 - 5 0 0 。c 之间冷却时间的计算式，提出使用这些计算式 的前提条件：首先要弄清楚计算对象的热流传播性质，即是二元热流还是三元热流，以 临界厚度磙作为判断具体焊接条件下应属于哪一类热流状态。 r8 眦5 0 0 三元热流计算式： “= 墨e ( 5 0 未- t o 一而1 i ( 1 - 3 ) ，8 眦5 0 0 二元热流计算式。 “5 坞等 南一南j c 临界厚度巩的计算式： 9 第一章绪论 么=( 1 - 5 ) 式中：f 8 5 - 8 0 0 5 0 0 的冷却时间，s ；b 一焊接线能量，j c m ；乃一板的初始温度， ；扛热系数；d 七_ 临界厚度，c m ；p 热效率系数；c 比热，j ( g ) ；严比重，g ，c i n 3 。 当实际板厚痧盔时，用三元热流计算式；当实际板厚d 4 0 j 。其化学成分( 质 量分数) 为c ：0 2 8 - 0 3 3 ，s i 0 1 5 0 3 5 ，m n 0 4 0 - 4 ) 6 0 ，c r ：0 8 n 1 1 ，m o - o 1 5 0 2 5 ， s 0 0 4 0 ，p 1 0 0 0 s ( i r a m 厚普碳钢平板试样，表面温度为5 5 0 c 的条件下水淬火) ；温度范围：0 1 2 0 0 c ， 3 8 1 7 0 0 ： 1 3 第= 章试验材料及试验方法 图2 - 3 软件开始界面 r i g a - 3i n t e r f a c e o f s t a r t i a g 2 2 2 冲击韧性试验 圈2 4 程序参数输入界面 f 椿2 4i n t e r f a c e o f p a r a m e t e r i n p u t 试验原理：将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放 置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量。 低温夏比冲击试验设备：p w 3 0 型摆锤式示波冲击试验机。将经过热模拟试验的试 样加工到冲击试验尺寸l o m m x l o m m 5 5 m m ，具体尺寸要求如图2 - 5 。试验前将试样放 到一3 0 液氮里，等试样温度稳定后即开始做冲击试验。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 i 图2 - 5 冲击试验加工尺寸h 1 】 f i g 2 - 5m a c h i n i n gd i m e n s i o no fi m p a c tt e s t 2 2 3 显微组织分析 2 2 3 1 金相组织分析 用线切割的方式截取热模拟试样均温区横截面，经镶样、粗磨、精磨以及抛光，在 g x o l y m p u s 显微镜上观察金相组织。 2 2 3 2 冲击断口形貌分析 将冲击断口用丙酮去油，并经超声波清洗，然后在l e o 1 4 5 0 型扫描电镜上观察断口 形貌。 2 2 4 维氏硬度试验 试验原理：将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力压入试 样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。 硬度计型号为h v - 3 0 z 型数字维氏硬度计，选定载荷1 0 k g ，每个试样打5 个点硬 度，去掉第一个值，将其余四个值取平均作为该试样的维氏硬度值。由于压痕微小，试 样必须制成金相制品，在磨制与抛光试样时要求保证试样上、下表面平行，不能产生较 厚的表面形变、强化层和金属扰乱层，以免影响硬度的测定精确度。 1 5 第三章不同峰值温度下a s t m 4 1 3 0 钢热影响区组织和性能研究 第三章不同峰值温度下a s t m 4 1 3 0 钢热影响区组 织和性能研究 调质高强钢焊接热影响区根据所经历的不同峰值温度可分为回火区( a c l 以下) 、 两相区( a c l a c 了) 、细晶区( a c 3 到晶粒急剧长大温度) 以及粗晶区( 晶粒开始急剧长 大温度到固相线) ，各个区域具有不同的组织和性能特点，同时也是焊接接头性能薄弱 的区域。通过研究各个区域的组织和性能，找出性能恶化的区域，分析其机理并提出改 善措施是研究热影响区的重要内容。 本章通过焊接热模拟试验，选择不同热循环峰值温度，研究a s t m 4 1 3 0 钢一次焊 接热影响区不同区域组织和性能特点。 3 1 试验参数的选择 选取焊接热循环峰值温度t p = 7 0 0 。c 、8 0 0 。c 、9 5 0 、1 2 0 0 、1 3 5 0 以分别形成 热影响区的回火区、两相区、细晶区、粗晶区以及晶粒特别粗大的区域。根据已有相关 资料选取预热温度t o = 2 0 0 。c ，加热速度o g n = 13 0 * c s ，线能量e = 2 0 k j c m ，峰值温度停 留时间铲2 s ，参数列表如表3 1 。 表3 - 1 一次焊接热循环热模拟参数 t a b l e 3 一it h e r m a ls i m u l a t i o np a r a m e t e ro fo n et i m et h e r m a lc y c l i n g 图3 1 为在给定试验参数下，焊接热模拟试验机模拟得出的a s t m 4 1 3 0 钢一次焊 接热循环曲线。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 金相组织分析 o5 01 1 5 0 2 0 02 5 03 0 0 时问，s 图3 - 1 一次焊接热循环曲线 f i g 3 - 1 c u r v eo fo n et i m et h e r m a lc y c l i n g 图3 2 为a s t m 4 1 3 0 钢一次焊接热循环下热影响区不同区域的组织，其中图3 2 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 分别是峰值温度为7 0 0 。c 、8 0 0 。c 、9 5 0 。c 、1 2 0 0 。c 、1 3 5 0 c 的热影响 区组织。 当热循环峰值温度为7 0 0 时，相当于对母材作了一次高温回火，由于低于a e l 温 度，母材未发生组织相变，只是发生碳化物的析出，但由于高温持续时间短，碳化物析 出不充分，所以冷却到室温下的组织与母材差别不大，仍然是回火索氏体组织，如图 3 - 2 ( a ) 所示。当热循环峰值温度为8 0 0 。c 时，温度介于a c l 和a c 3 之间，a s t m 4 1 3 0 钢会 发生部分奥氏体化，冷却时该部分奥氏体向马氏体发生固态相变，由于奥氏体晶粒细小， 生成的针状马氏体也细小，为“隐晶马氏体 ，该组织在光学显微镜下不能分辨出来。 最终室温下形成的组织是回火索氏体和隐晶马氏体的混合组织，如图3 - 2 ( b ) 所示。奥氏 体向针状马氏体转变是由较高含碳量以及c r 、m o 等合金含量决定的。c 在钢中形成间 隙固溶体，对奥氏体和铁素体有强化作用，对铁素体的强化作用更明显，从而显著增大 马氏体转变时的切变阻力，故增大相变的驱动力。c 又是奥氏体稳定化元素，能降低奥 氏体和马氏体的平衡温度，因此c 强烈降低钢的m s 点。而钢中的合金元素c r 、m o 也 能显著降低钢的m s 点，导致奥氏体向针状马氏体转变 4 2 - 4 3 】。 当焊接热循环峰值温度为9 5 0 时，温度己超过a s t m 4 1 3 0 钢a c 3 点，晶格发生a 叫 转变，碳化物以