（材料加工工程专业论文）夹杂物对16mnr钢埋弧焊缝常温冲击值的影响.pdf

i l 海大学碳i ： o f 究生论文摘要 摘要 焊缝冲击值的高低是反映接头质量好坏的重要因素，而夹杂物又是影响焊缝 冲击值的关键因素之一。在焊缝形成过程中，夹杂物可以为晶粒提供形核核心， 促进针状铁素体的形成，提高焊缝的冲击值：在熔池冷却过程中，夹杂物又会成 为裂纹的起裂源，引起裂纹开裂，降低焊缝的冲击值。因此，夹杂物与焊缝冲击 值之间的关系是一个值得研究的课题。 本文首先针对1 6 m n r 钢埋弧焊焊缝夏比v 型缺口冲击值偏低的问题，对冲 击试样进行化学成分、宏微观断口、显微组织等分析，发现焊缝中大颗粒夹杂物 是引起1 6 m n r 钢焊缝冲击值偏低的主要原因；提出新的试验方案，并现场施焊， 取得较好的效果。 然后用h j 4 3 1 和s j l 叭两种焊剂焊接1 6 m n r 钢板，制备焊缝的对比冲击试 样。对试样进行一系列试验，发现冲击值高的s j l 0 1 焊缝中针状铁素体含量也高。 因此，文章提出一种新的观点：由于s j l 0 1 焊剂能为焊缝提供更多适合针状铁素 体形核的夹杂物粒子，因而能提高焊缝的冲击值。采用s e m 、t e m 等先进分析 方法对两种焊缝进行分析，证实了以上新观点的正确性。以试验结果为基础，文 章提出了种更适合本试验的针状铁素体形核机理。 关键词：1 6 m n r 、夹杂物、冲击值、针状铁素体、形核机理 夹杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲m 值的影响 a b s t r a c t i m p a c tv a l u eo f t h ew e l dm e t a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st or e f l e c tt h e q u a l i t y o ft h ej o i n t ，w h i l et h ei n c l u s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st o i n f l u e n c et h ei m p a c tv a l u e 。i nt h ef o r m i n gp r o c e s so f w e l dm e t a l ，t h ei n c l u s i o nw i l l s u p p l yn u c l e u st op r o m o t et h ef o r m i n go fa e i c u l a ef e r r i t e ( a f ) s ot h a t t h ei m p a c t t o u g h n e s so fw e l dm e t a lw i l lb ei n c r e a s e d w h e nt h ep o o li sb e c o m i n gc o o l i n g ，t h e i n c l u s i o nw i l la c ta st h en u c l e u so ft h ec r a c k i n gt oa c c e l e r a t ec r a z i n gs ot h a tt h e i m p a c tt o u g h n e s s w i l lb ed e c r e a s e d a i m i n g a tt h e p r o b l e m t h a tt h e i m p a c tc a p a b i l i t i e s o ft h e c h a r p y v - n o t c h s p e c i m e n sw e l d e db ys u b m e r g e d a r cw e l d i n gw e r el o w , as e r i o u so ft e s t sw e r e c o n d u c t e di nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , s u c ha sa n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o no fw e l d ， f r a c t u r e a n a l y s i sa n dm e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n s i tw a sf o u n dt h a tt h ei n c l u s i o n w i t hb i gd i m e n s i o ni nt h ew e l dw a st h ep r i m a r yr e a s o nf o rl o wi m p a c tv a l u e s t h e na n e wp l a nw a sr a i s e dt os o l v et h i s p r o b l e ma n dt h es a t i s f y i n gr e s u l tw a sg o ta f t e r w e l d i n g i nt h es p o t t h e n ，t h ec o n t r a s t i v ei m p a c ts p e c i m e n sw e r em a d eb yw e l d i n go n1 6 m n rs t e e l u s i n gs j l 0 1 f l u xa n dh j 4 3 1f l u x a f t e rd o i n gs o m et e s t si tw a sf o u n dt h a tt h e s p e c i m e n sw i t hh i g hi m p a c tv a l u eh a d ah i g hc o n t e n to fa f s ot h i sp a p e rr a i s e da n e wp o i n tt h a tt h es j l 0 1f l u xc a ni n c r e a s et h ei m p a c tv a l u eo fw e l db e c a u s ei tc a l l s u p p l ym o r es u i t a b l e i n c l u s i o n sf o rt h ef o r m i n go fa eu s i n gal o to fa d v a n c e d m e a s u r e ss u c ha ss e ma n dt e m t oa n a l y s et h es p e c i m e n s , t h en e w p o i n ta b o v ew a s i m p r o v e d o n t h eb a s eo f t e s t sr e s u l t st h i sp a p e rr a i s e dam o r es u i t a b l et r a n s f o r m a t i o n k i n e t i c so f a fs u r r o u n d i n gt h ei n c l u s i o n k e yw o r d s ：1 6 m n r 、i n c l u s i o n 、i m p a c t v a l u e 、a c i c u l a t ef e r r i t e ( a f ) 、 t r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s 州海人学硕i 二研究生论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着工业生产和科学技术的迅速发展，对钢材各种性能的要求越来越高。冲击 值作为钢材的一种重要力学性能，更加受到重视。尤其对那些在非常温条件下使用 的钢材，确保其冲击值达到规定值是国家强制执行的一项内容。焊接是钢材之间相 互连接的最主要最常用的方法，焊接接头是工件的一部分，要确保整个工件的使用 性能首先必须保证焊接接头的使用性能。 影响钢材性能的因素很多，而钢中非金属夹杂物是关键因素之一。早期的理论 研究表n t l ，由于非金属夹杂物的存在破坏了钢的连续性，使得钢材的加工性能和 机械性能大幅度降低。所以，长期以来，非金属夹杂物一直被认为是钢中的有害物 质。近年来的一些研究结果对非金属夹杂物的作用提出了置疑【2 】，因为夹杂物既可 以作为粒子钉扎晶界，减小晶粒度，还可以作为针状铁素体的形核核心，提高钢材 的力学性能。 1 2 文献综述 1 2 1 非金属夹杂物的分类 钢中非金属夹杂物的分类，不同书籍其分类方法也不尽相同，但主要分为氧化 物夹杂和硫化物夹杂，而本文所涉及的主要是氧化物夹杂，所以这里简要介绍氧化 物夹杂的分类情况。氧化物夹杂按其变形能力不同可分为三类【3 l ： a ，脆性夹杂物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物( 如a 1 2 0 3 等) 、双氧化物( 如f e a 1 2 0 3 、m g o a 1 2 0 3 等) 和不变形的球状( 或点状) 夹杂物( 如球状 铝酸钙等) 。当基体中含有这类夹杂物时，裂纹会在夹杂物尖角处萌生，在夹杂物内 部扩展，如图1 1 ( a ) 所示。 b 塑性夹杂物 这类夹杂物在经受n t 变形时具有良好的塑性，属于这类的 夹杂物有含s i 0 2 量较低的铁锰硅酸盐等。当基体中含有这类夹杂物时，裂纹会在夹 杂物尖角处萌生，并在基体内扩展，如图1 1 ( b ) 所示。 c 半塑性变形的夹杂物般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物。复合夹杂物中的 基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物不变形，基体 夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状， 因此将阻碍临近的塑性央杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变 形方向自由延伸。当基体中含有这类夹杂物时，其产生裂纹的模式为：夹杂物和基 夹杂物对1 6 m n r 钢理弧焊缝常温冲击值的彬响 体的韧性相近，受到切应力时，夹杂物与基体会脱离，如图1 1 ( c ) 所示。 焊缝形成过程中各区域要经受不同的加热和冷却过程，而且会引入很多其它的 材料，例如埋弧焊时因为要引入焊丝和焊剂，所以会有很多合金元素的添加和烧损 以及各种元素之间的冶金反应。 ( a ) 脆性夹杂物 ( b ) 塑性夹杂物( c ) 半塑性变形夹杂物 图1 1 夹杂物在金属材料中的起裂与扩展模式 f i g1 1c r a c k i n ga n do p e n i n gm o d e lo f i n c l u s i o n si nm e t a l s 1 2 2 非金属夹杂物的来源“1 据某些资料报道，钢中大型夹杂物主要来源于浇注用的复合渣、耐火材料以及 钢包渣等，而钢中小型的夹杂物则主要产生于钢材内部。在冶金过程中由于钢中某 些元素会与0 2 、n 2 等气体发生反应，例如用来脱氧的a i 、m n 、s i 等元素会与钢中 的氧发生反应生成a 1 2 0 3 。这些反应会生成很多夹杂物粒子，一部分随着金属的冷却 逐渐上升而成为渣排到钢液外面；另一部分由于熔池的冷却收缩来不及排出钢液， 成为夹杂物残留在钢中。对于焊缝金属来说，除了因为母材中本身含有的夹杂物以 外，焊接材料的日1 入以及焊接过程发生冶金反应，也会形成很多大大小小的夹杂物。 所以焊缝中的夹杂物要比钢铁中的夹杂物更多更复杂。而且其来源及产生过程也要 复杂得多。 1 2 3 非金属夹杂物的国内外研究现状 1 夹杂物对焊缝金属力学性能的影响 夹杂物对材料的力学性能的影响，总的来说，包含夹杂物对材料弹性性能、热 学性能及断裂性能的影响。近年来很多研究人员对这方面做了广泛的理论分析与实 验研究。 ( 1 ) 弹性性能方面 就材料的弹性性能丽言，“弹性孔中的小球”，即把夹杂物比作弹性孔中的一个小 州海人掌坝l 研究生论立帮一章 绪论 球，这种模型比较适合于夹杂物在金属材料中的受力情况【5 1 。由于夹杂物与基体之 间具有不同的化学成分、晶体结构以及力学性能，所以两者之间存在很多差异。这 种模型就是基于这些差异提出的。夹杂物与基体之间具有弹性模量的差异，当受到 相同的於力作用时，所产生的应力应变曲线不一样，发生的弹塑性变形就不同，至 少也会不同步。这种不同或不同步会导致夹杂物或者基体产生应力集中，而形成开 裂。 ( 2 ) 热学性能方面 对于热学性能而言，夹杂物与基体具有不同的线膨胀系数。当材料经历升温和 降温过程，会发生热胀冷缩。由于线膨胀系数不同，夹杂物与基体之间会产生内应 力或是间隙，微裂纹比较容易产生于夹杂物与基体的界面上。 ( 3 ) 断裂性能方面 对于焊缝金属的断裂而言，尽管因为焊缝金属微观组织的复杂性而导致对夹杂 物与焊缝基体在变形与断裂过程中相互作用的研究变得十分困难，但是由于金属的 断裂性能是其力学性能的最直接的表现形式之一，所以仍有很多研究者对这方面进 行了比较深入的研究。其中： 国外专家k j l o t t i q 和d l o l s o n l 7 1 等人详细研究了c m n 钢焊缝的断裂行为，得 出结论：焊缝中解理断裂通常起裂于氧化物夹杂，尤其是那些分布于粗晶铁素体上 的夹杂物。这些夹杂物的尺寸分布对断裂韧性有明显影响。 国内专家马杭教授认为碍l 【9 】，断裂韧窝的形核阶段是夹杂物与基体界面在最大切 应力作用下产生的局部剥离；而解理过程实际上就是夹杂物在正应力作用下断裂为 两半，形成一圆片状微裂纹，微裂纹在一定的条件下进入基体造成解理。 2 夹杂物改善焊缝金相组织的研究 ( 1 ) 夹杂物在焊缝相变过程中的作用 相变过程其实是一个晶粒的重新形核长大的过程，一般都是非自发形核过程。 夹杂物可以充当晶粒的形核核心，这是夹杂物对相变的一个作用。在晶粒长大的时 候，夹杂物又会钉扎晶界，细化晶粒，这是夹杂物对一次相变产物的作用，也就是 夹杂物的作用之二。当焊缝中发生二次相变时，夹杂物又会成为二次产物的核心， 也会阻碍二次相变产物的长大。 ( 2 ) 夹杂物能促进针状铁素体( a f ) 的形核 在对微合金钢的研究中发现【l ，当焊缝中含有大量的a f ( a c i e u l a r f e r r i t e ) 时， 可以显著提高焊缝金属的强韧性。这是由于a f 非常细小，平均尺寸约为l 微米， 而且a f 取向自由，呈大角度晶界，晶内有大量的位错，具有较强的抗裂纹扩展能 力。因此，大家致认为焊缝中是否含有足够的a f 是提高焊缝金属强韧性的关键。 央杂物对1 6 m n rt t * t 埋弧焊缝韶温冲击值的影响 由于焊接过程是一个复杂的非平衡转变过程，对a f 的形核研究比较困难，所以目 前对于a f 的形核机理还没有较为一致的认识，只是在非均质形核理论的基础上， 提出了三种a f 在夹杂物上的形核机理【l l 】： a 形核剂与核心共格界面的形核机理： 该理论认为夹杂物作为a f 的形核剂应与a 相形成错排度最小的共格界面，使得 a f 形核时表面能最小。 b 高能惰性基体的形核理论： 该理论认为充当a f 形核核心的夹杂物作为一种惰性介质的表面，降低了a f 的 形核功，使得a f 易于在夹杂物表面上形核长大。 c 高应变能区的形核机理： 该理论认为夹杂物与母相在冷却过程中因收缩系数不同造成的应变高能区促使 a f 在兴杂物表面形核。 1 3 课题的研究内容及意义 1 3 1 研究内容简介 本文主要的研究内容包括以下两点： ( 1 ) 实际问题的解决 本文主要是围绕“如何提高1 6 m n r n 埋弧自动焊焊缝常温夏比v 型缺口冲击值” 这一问题展开分析讨论的。通过对冲击试样进行系列的失效分析( 包括化学成分 分析、金相组织分析、断口分析以及断口扫描电镜分析等) ，寻找导致焊缝冲击值偏 低的主要原因；提出改进方案，现场施焊并获得满意效果；通过对比新旧方案中表 现出来的各种不同现象，从理论上提出新方案为何能提高焊缝冲击值的新观点，并 进一步用试验来论证这种观点的正确性。 ( 2 ) 理论探讨 在解决实际问题的同时，文章围绕“夹杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝冲击值的影响” 这条线索进行分析，以求在对夹杂物与焊缝金属冲击值之间的关系上得到一个突破。 失效分析结果表明：焊缝中含有大颗粒氧化物夹杂是降低焊缝冲击值的主要原因： 对比试验结果又表明：当焊缝中含有大量细小的夹杂物时，由于这些夹杂物更容易 引发针状铁索体的形核，会使焊缝冲击值大幅度提高。在试验结果的基础上，文章 又从理论上探讨了更适合本文的针状铁素体形核机理。 1 3 2 课题的研究意义 ( 1 ) 虽然关于夹杂物对焊缝会属力学性能及其余相组织形貌影响上，国内外学 l i 海人学坝i j 研究生论文螭一章绪论 者已经进行了很多的研究，也已经取得了一定的成果，但仍有很多问题有待解决， 例如： 普遍适用的针状铁素体的形核机理； 最适合针状铁素体形核的夹杂物形貌及类型； 很多夹杂物如a 1 2 0 3 等是否适合针状铁素体形核等。 ( 2 ) “对于夹杂物这类具有争议的物质，我们究竟如何来对待它们，才能充分 发挥其有利于材料性能的一面，而尽量避免其不利于材料性能的一面”，这一直是个 非常值得研究的课题。 本文所进行的这些研究为以上课题的展开提供了一定的试验准备和理论依据， 因此具有较大的理论意义和实际意义。 夹杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲击值的影响 第二章16 m n r 钢埋弧焊缝常温v 型冲击值偏低的失效分析 2 1 背景介绍 焊接是一种重要的材料加工方法，而对于压力容器的生产来说，保证焊接接 头的质量尤其重要。1 6 m n r 这种低合金钢常用于制造中、低压的压力容器和中 小型的高压容器，由于具有良好的焊接性和可加工性，且其屈服点大概在3 5 0 m p a 左右【1 2 i ，所以应用最为普遍。但也有不少企业反映：按相应国标进行1 6 m n r 钢 的埋弧焊焊接时，经常发现焊缝的冲击值低于国标的要求。本文就是针对某公司 在实际生产中发现“当采用h j 4 3 1 与h 0 8 m n a 配合，对板厚1 2 m m 的1 6 m n r 热 轧钢板进行对接埋弧焊时出现常温v 型夏比冲击功波动较大，甚至出现低于标 准要求”这一睛况，根据构件失效分析原理，探讨和分析导致1 6 m n r 钢埋弧焊缝 常温v 型夏比冲击功偏低的原因，提出相应的改进措施，使冲击功达到国标要 求，满足用户要求。 具体情况介绍： 采用1 6 m n r 钢作为母材，成分见表2 1 ，板厚1 2 r a m ，力学性能见表2 2 ， 按相关行业标准进行埋弧自动焊，焊接接头示意如图2 1 所示，焊接工艺参数如 表2 3 所示。所用焊丝为h 0 8 m n a ，焊剂为h j 4 3 1 ，成分见表2 4 。焊后按国标 g b 厂r 2 6 4 9 焊接接头机械性能实验取样方法进行试样的制备。每块试板取三 个冲击试样，对其进行常温夏比v 型冲击试验，所得冲击功见表2 5 所示。由表 2 5 可知，5 块试板中有两块试板其焊缝的平均冲击值达不到国标要求的 2 7 j 。 表2 11 6 m n r 钢的化学成分 t a b l e2 1c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no f1 6 m n rs t e e w ( c )w ( m n )w ( s i ) v ( s )w ( p ) 国家标准兰d 2 01 2 0 1 6 00 2 0 0 5 51 0 0 3 01 ，o 0 3 5 l0 1 41 4 4o 3 90 0 0 7o 0 1 6 2o 1 4 1 4 4o 3 9 0 0 0 7o 0 1 6 实际 30 1 71 50 4 80 0 0 10 0 1 8 母材 4 o 1 71 5 0 4 8o 0 0 10 0 1 8 50 1 61 4 20 3 30 0 0 7o 0 2 1 6 坩海人学颂l j 研究生论文 第二幸1 6 m n r 铡埋弧焊缝常温v 型冲击值偏低的失散分析 表2 2 国家标准与母材力学性能比较 t a b l e2 2 c o m p a r i s o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e ng ba n db a s em e t a l s 牌号种类交货状态板厚力学性能 ( r a m ) a b ( m p a )a s ( m p a ) 6 t ( ) a k 。( j ) 1 6 m n r国标 热轧或正火 6 1 6 5 1 0 6 4 0兰3 4 52 1三2 7 母材热轧 1 2 5 2 0 6 0 03 4 5 4 l o2 4 3 l3 0 1 0 4 表2 3 试板对接焊工艺参数 t a b l e2 3t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f b u t t j o i n ts p e c i m e n s 焊层焊接方法电流种类焊丝直径( r a m ) 干伸长( r a m )电流( 1 ) 电压( v )焊速( m h ) ls a w 直流反极 0 4 02 5 4 04 8 0 6 0 03 0 3 42 8 3 2 2s a w直流反极巾4 o2 5 - 4 05 8 0 6 8 03 0 3 42 8 3 2 表2 4 所用焊丝及焊剂的成分 t a b l e2 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ff l u xa n dw i r e 焊丝 h 0 8 m n a w ( c )w ( m n )w ( s ow ( s ) fw ( p )w ( c ow 甜pw ( c u ) 牌号如1 00 8 1 1 0：d 0 71 _ 。0 3j 郢0 31 抑2 01 抑3 0 0 2 0 焊剂 h j 4 3 1 s i 0 2 c a f ： c a 0 m g o m n o a 1 2 0 3 f e o s sp s 牌号4 0 4 4 3 71 85 83 2 3 8i 野! 1 8 o 0 6 o 0 8 表2 5 冲击值一览表 t a b l e2 5 i m p a c tv a l u e so f s p e c i m e n s 试样编号123 4 5 冲击值( j ) 5 0 ，6 4 6 23 2 ，2 8 3 22 9 ，1 8 】93 2 3 0 ，3 43 l 2 3 ，1 9 平均冲击值( j ) 5 8 6 73 0 6 7 2 2 3 2 2 4 3 3 是否合格是是否是否 i嫩爿 图2 1 焊接接头示意幽( 其中焊道1 为打底，焊道2 为盖面) f i g2 is k e t c hm a po f w e l d i n g j o i n t 7 央杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲 值的彬响 焊缝金属 样 图2 2 冲击试样取样方法 f i g2 2t h es a m p l i n gm e t h o df o ri m p a c tt e s t s 2 2 失效分析过程 在失效分析过程中，为了判断失效类型，进而寻找失效原因，往往需要进行 一系列实验，包括化学成分分析、断口以及金相分析等。后文将采用这一分析思 路对冲击试样进行失效分析，以期找出使焊缝冲击功偏低的原因。 2 2 1 母材的化学成分、力学性能和金相分析 根据g b 6 6 5 4 1 9 9 6 压力容器用低合金钢标准，对本实验所用母材的化学 成分和力学性能进行检验，并对照钢材的供货质量保证书，对比结果见表2 1 ， 表2 2 。可见，母材成分及力学性能符合国家标准。 对合格试样与不合格试样的母材分别进行取样，制成金相试样，比较它们的 金相组织，结果如图2 3 所示。为了保证所取母材未受焊接的影响，在离焊缝3 0 5 0 r a m 之外的区域取样。 a 不合格试样母材b 合格试样母材 4 的硝酸酒精溶液 1 0 0 4 的硝酸酒精溶液 1 0 0 图2 3 母材金相组纵比较 f i g2 3c o m p a r i s o no f m e t a l l o g r a p h i cp h a s e si nb a s em e t a l 8 霪 海大学颀l 研究生论空帮二章1 6 m n r 俐埋弧焊缝常温v 型冲轩值偏低的失效分析 从图2 3 可发现：1 6 m n r 钢的金相组织为铁索体与珠光体相问的带状组织， 其中白色块状组织为铁素体，而黑色组织为珠光体，带状级别为4 5 级。经比 较可知，这两类试样的母材均为带状组织，且晶粒度基本相同，组织无明显差异， 符合国家标准要求。因此焊缝冲击值偏低不是由母材造成的。 2 2 2 焊缝化学成分分析 化学成分是影响焊缝性能的主要因素之一。低合金钢本身含有一定量的合金 元素，例如m n 、s i 等，加上焊接过程中存在剧烈地冶金反应。焊丝、焊剂中的 各种元素都会向焊接熔池中过渡，必将改变原来母材的合金体系。而且实际焊接 过程中，不同焊接接头熔敷系数不同，即母材向焊缝中过渡的比例不一样，更会 导致焊缝中合金元素含量发生差异。这种差异的存在，会导致焊缝中某些地方某 些合金元素含量偏高，某些合金元素含量偏低，即出现所谓的成分偏析【l ”。成分 不同使焊缝形成不同的组织，不同的组织导致不同的力学性能。所以，对焊缝进 行化学成分分析是失效分析中不可缺少的一步。 对各试样焊缝金属进行化学成分能谱分析( 所测点为焊缝的几何中心) ，结 果见表2 , 6 。 由表2 6 可以看出，5 个试样所测点的化学成分差别不是很大。无论是m n 、 s i 还是c 元素，其含量与焊缝冲击功之间没有明显的线性或非线性关系。合格 试样与不合格试样的焊缝金属中所含m n 、s i 元素没有明显的差别。差别比较大 的只有5 号试样，其c 含量较高，m n 、s i 含量较低。5 号试样具有最高的碳当 量，这可能造成焊缝强度和硬度的提高，而导致焊缝塑性和韧性的降低。但这只 是5 号试样中存在的个别情况，无法解释3 号试样冲击值偏低的原因。有必要对 冲击试样进行断口分析，以找出更准确的理论依据。 表2 6 焊缝化学成分( 带# 号者为不合格试样) t a b l e2 , 6c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f w e l dm e t a i ( u n q u a l i f i e dw i t h # m a r k ) 编号备成分的含量 w ( f e )w ( m n )w ( s i )w r c ) 19 8 3 51 oo 3 8o 1 7 29 8 2 71 10 4 2o 2 0 3 #9 8 3 01 0 40 4 6o 2 0 49 8 2 01 1 20 4 8o 2 0 5 #9 8 2 71 0 60 3 6o 3 1 夹杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲击值的影响 2 2 3 冲击试样断口分析 ( 1 ) 断口宏观分析 根据有关资料i l ”，v 形缺口的冲击试件断口的通常分为三个宏观特征区，即 中间的纤维区、放射区和边缘的剪切屠区。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴垂直， 呈粗糙的纤维状，断裂从这一区开始。放射区是裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定 扩展转化的标志，其特征是放射线花样，放射线方向为裂纹扩展方向。剪切唇是 最后断裂区，表面较光滑，与外力的交角约为4 5 0 。对于不同材料，不同温度和 受力状态，三个区域的位置、形状、大小及分布有所不同。根据断裂前所产生宏 观塑性变形量的大小，金属断裂可分为塑性断裂、脆性断裂。脆性断裂的宏观断 口表面是平坦的，与作用力垂直，基本无塑性变形；而塑性断裂，在断裂前存在 大量的塑性变形。 本实验中，用肉眼和放大镜观察1 5 号试样断口特征，结果发现：5 个试样的 冲击断口均为塑性断裂，因为在断裂前存在明显的塑性变形，且断口上存在三个 区域，即纤维区、放射区和剪切唇区。只是对应不同的试样，其三个区域所占的 比例不一样。仔细观察试样断口，可以发现：1 号、2 号试样断口颜色较灰暗， 呈凹凸不平状，边缘剪切唇非常明显；4 号试样断口颜色较l 号的白亮，断口四 周同样存在剪切唇；3 号和5 号试样宏观断1 5 1 较其他试样平整，颜色也更亮一些， 边缘剪切唇较小，图2 4 为典型的断口形貌图。 ( 2 ) 断口微观分析 从宏观角度观察试样断口。总的来说，5 个试样的断裂形式均为塑性断裂。 用x l 3 0 扫描电镜分析断口微观形貌，得到一系列断口扫描照片，如图2 5 和图 2 6 所示。其中，图2 5 为断口上三种断裂形式共存的区域，图2 6 所示为典型韧 窝型断口和准解理型断口形貌。通过对各试样扫描电镜观察可知，5 个试样在纤 维区均为韧窝状断口，在放射区和剪切唇区均为准解理断口，但值得注意的是： l 、2 、4 号试样的断口韧窝面积要大于3 、5 号试样。 韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征，它是材料在微区范围内塑性变形产 生的显微空洞，经形核、长大、聚集最后相互连接而导致断裂后，在断口表面上 所留下的痕迹。而准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间一种过渡断裂形 式。准解理断裂首先在许多不同部位同时产生许多解理裂纹核心，然后按解理方 式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕 裂岭”。一般，准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子，裂纹 的传播途径是由裂纹源向四周不连续扩展【m 1 。由于裂纹传播的路径不一样，所需 能量不一样。韧窝断裂时，裂纹会在某一个韧窝所形核的夹杂物处产生，并逐渐 扩展到更多的韧窝中，而此过程中可能会导致夹杂物的开裂，然后再相互连接起 来，当达到极限时，才会导致材料的丌裂，过程比较复杂，所需能量较大：而准 o w 海人学顾l ： i j f 究生论文第二章1 6 m n r 钳埋弧焊缝常温v 型冲击值偏低的失散分析 解理断裂类似于解理断裂，启裂后可以沿着晶粒的密排面进行扩展，过程相对简 单，所需能量要小于前者。 图2 4 断口的宏观形貌2 0 f i g2 4m a c r o s t a t eo f f r a g m e n t s 图2 5 断口的三个典型区域x 3 0 0 f i g2 5 t h r e et y p i c a lz o n e so f f r a g m e n t s ( a ) 1 号试样韧窝断裂区形貌图x 4 0 0( b ) 3 号试样准解理断裂区形貌图4 0 0 图2 6 焊缝断口的s e m 照片 f i g2 6s e mp h o t o so f t h ew e l dm e t a lf r a g m e n t s 6 0 0图2 , 7焊缝中夹杂物形貌 4 0 0 f i g2 7f i g u r eo f i n c l u s i o n si nt h ew e l dm e t a l 央杂物对1 6 m n r 铡埋弧焊缝常温冲击值的始响 这就可以从断口形貌上解释不合格试样冲击值低于合格试样的原因：韧窝面 积大时，裂纹在扩展过程中沿曲折的路经扩展，耗费的能量较大。图2 6 为1 号 和3 号试样断口形貌，比较1 号合格试样与3 号不合格试样s e m ( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 高倍照片可以看出，两者断e l 都是由韧窝和解理组成，即 为准解理断裂。但前者断口上发现韧窝面积较大，后者韧窝面积较小。从3 号试 样的断口s e m 照片可以看出，断口中含有明显的河流花样，沿着河流的流向可 以找到裂纹起始于晶粒内部。 图2 7 为不合格试样中所含的夹杂物形貌，从图上可以看出，裂纹起裂于夹 杂物，并逐渐向外扩展。 c 断口金相及夹杂物能谱分析 以上分析只是找到了裂纹扩展的路径，而裂源才是产生断裂的关键。通常， 准解理断裂源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子等【1 “。所以可以对不合格 试样进行金相分析，寻找裂源。 将3 号和5 号不合格试样的断口进行打磨、抛光后，不对其进行腐蚀，直接 观察其抛光面，发现抛光面上有明显的夹杂物存在，如图2 8 所示。图2 8 中可 以非常清楚的观察到焊缝中存在夹杂物。而且夹杂物的形貌呈三角形或多边形， 是典型的氧化物型夹杂物( i l 。 为进一步分析夹杂物的来源及其产生机理，对夹杂物的成分进行能谱分析。 将试样置于扫描电镜下，用e d a x 能谱仪对不合格试样中的夹杂物进行定量分 析。从中选择a 、b 、c 三处夹杂物，其能谱如图2 9 所示，表2 9 为测得的所选 三处夹杂物化学成分。由表2 7 可知，夹杂物的主要化学成分为o 、a 1 、m g 、 c a 、f e 等元素，其中各点0 含量都达到4 0 左右，此外a l 含量最高，其次是 m g 、c a 、f e 、s i 等。由此可知，断口中所含夹杂物为氧化物型夹杂物。 ( a ) 3 号试样( b ) 5 号试样 4 的硝酸酒精溶液x1 0 0 。 图2 8 不合格试样焊缝中夹杂物分布情况 f i g2 8d i s t r i b u t i n gs t a t eo f i n c l u s i o n si nu n q u a l i f i e ds p e c i m e n s 河海人学坝i ：研究生论文第一二章1 6 m n r 俐埋弧焊缝常溢v 型冲寸r 值偏低的失效分析 01 02 o3 o 4 0 51 36 0 ( a ) 能量k e y 10 203 0 ( b ) 能量，k e v 1 020 3040 ( c ) 图2 9 夹杂物的能谱分析示意图( 图中纵坐标反映元素的含量) f i g2 , 9e d xs k e t c hm a po fi n c l u s i o n s ( y - c o o r d i n a t er e f l e c tt h ec o n t e n to f t h ee l e m e n t ) 表2 7 夹杂物成分统计 t a b l e2 8s t a t i s t i co f t h ei n c l u s i o nc o m p o s i t i o n s 取样点 州a i )w ( o )州c a )w ( m 曲w ( f e )“s i ) 爿3 5 4 23 4 7 21 2 ，7 81 0 7 4 5 1 81 1 6 b5 7 2 94 2 7 10ooo c4 4 7 33 9 4 41 5 8 3000 d 夹杂物的定量分析 夹杂物按其产生场所不同可分为内生夹杂物和外生夹杂物。熔敷金属中内生 央杂物含量通常为1 0 7 1 0 9 个m m 3 ：尺寸较小的夹杂物，直径 l 2 岍， 会增加熔敷金属对裂纹的敏感性，并造成韧性及疲劳强度等的下降。因此，夹杂 物的大小和分布对焊缝的力学性能影响很大。 表2 8 焊缝中夹杂物的定量分析( 其中带# 号的试样为不合格试样) t a b l e2 8 q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fi n c l u s i o n si nt h ew e l dm e t a l 试样号 123 #45 # 夹杂物总量 l23 82 29 总观察面积( p m 2 ) 1 0 01 0 01 0 0j 0 01 0 0 个数( p m 2 ) 8 1 3 2 1 1 5 夹杂物平均直径( u m ) 0 1 2 50 1 5 3i 90 21 8 央杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲击值的影响 为了更清楚的分析夹杂物对焊缝金属的影响，在会相显微镜下对夹杂物进行 了定量分析。对其中5 个试样分别选取几个不同的金相视场，测量各视场下所含 失杂物数量以及夹杂物平均尺寸大小，结果见表2 8 。 分析这些数据可知，不合格试样中夹杂物的平均晶粒度要明显大于合格试 样。3 号和5 号试样中夹杂物粒经平均值为21 a m 左右，而合格试样中夹杂物粒经 平均值在0 1 o 2 p m 之间。 2 2 4 焊缝金相组织观察 对试样进行金相处理，用4 的硝酸酒精溶液腐蚀、吹干后，放在1 0 0 倍的 金相显微镜下进行金相观察，所得金相照片如图2 1 0 、图2 1 1 所示。 ( a ) 2 号试样焊缝 4 的硝酸酒精溶液x 1 0 0 ( b ) 3 号试样焊缝 ( c ) 4 号试样焊缝( d )5 号试样焊缝 4 的硝酸滔精溶液x 1 0 0 豳2 1 02 4 号冲击试样焊缝金相组纵比较 f i g2 1 0m e t a l l o g r a p h i cp h a s e sc o m p a r i s o na m o n g2 4 w e l d m e t a l s 河海人学砸l 研究生论文 第一章1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温v 型冲击值偏低的失效分析 图2 1 0 为2 、3 、4 、5 号试样焊缝区域的金相组织。观察焊缝金相组织，白 色为铁素体组织，黑色或灰色为珠光体组织。整体上，这四个试样的金相组织是 基本相同的，都是由铁素体与珠光体组成，其中，铁素体又由晶界块状铁素体、 晶内板条状铁素体组成，基本上不含针状铁素体组织。但仔细观察这四幅照片可 以发现，各金相组织的含量上存在一定的差别。首先比较一下各焊缝金相照片中 晶界铁素体的含量，合格试样2 号和4 号，其晶界铁素体含量要略小于不合格试 样3 号和5 号。而且，后者的晶界块状铁素体尺寸要大于前者。再比较其原始奥 氏体( 即柱状焊缝组织) 的晶粒度大小，虽然从图上看得不是很明显，但合格试 样比不合格试样晶粒尺寸要略大一些。 ( a ) 2 号试样熔合区( b ) 3 号试样熔台区 4 的硝酸酒精溶液x 1 0 0 ( c ) 4 号试样熔合区( d ) 5 号试样熔合区 4 的硝酸酒精溶液 1 0 0 幽21 1不同试样熔合区显微组织比较 f i g2 11c o m p a r i s o no f m i c r o s t r u c t u r e si nf u s i o nz o n ea m o n gd i f f e r e n ts p e c i m e n s _ j i 杂物对1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温冲击值的影响 ，图2 1 i 为2 、3 、4 、5 号试样熔合区的会相组织。图中位于左边的是焊缝， 位于右边的是热影响区，中问是熔合线部分。5 号试样的熔合区看上去比较杂乱 无章，而且存在大量的铁素体组织。3 号试样的组织比5 号试样要分明一些，但 与2 号和4 号相比，原始奥氏体的晶粒要小一些，且h a z 区中有明显的魏氏组 织，焊缝中的晶界铁素体宽度也比较大。 2 2 5 失效分析结果 从以上一系列失效分析试验结果可以得到这样一个结论：焊缝中由于含有大 颗粒的氧化物夹杂物，破坏了焊缝金属的连续性，使焊缝在受切应力的作用下， 容易在夹杂物处引发裂纹，在周围区域产生解理断裂。由于解理断裂比韧窝断裂 所需的能量少，所以表现为焊缝金属冲击值偏低。 2 3 理论分析及讨论 2 3 1 夹杂物来源分析 从以上分析结果可以看出，引起焊缝金属冲击值偏低的原因主要是焊缝金属 中存在大颗粒的夹杂物。从对夹杂物的能谱分析可以看出，夹杂物的主要化学成 分为o 、a 1 、m g 、c a 、f e 等元素，其中各点0 含量都达到4 0 左右；除此以 外a j 含量最高，其次是m g 、c a 、f e 、s i 等。由此可知，断口中所含夹杂物为 氧化物或复合型氧化物。夹杂物也是由各种元素组成，因其所含元素众多，故其 产生途径相对较复杂。但无论成分有多复杂，夹杂物的来源总是与其各组成元素 的来源有关。 ( 1 ) 氧的来源 埋弧焊中，焊缝中的氧主要来自于焊材和母材。 埋弧焊由于其中电弧受到焊剂的保护，与空气接触较少，故焊缝金属中氧少 部分来自熔池与空气的接触，而主要来自焊接材料。焊接材料，如焊丝、焊剂中 的氧化物或合金元素，高温下在熔池中会发生剧烈的冶金反应，会生成各种碱性 或酸性的氧化物，导致焊缝增氧。可能会发生如下反应： 4 【a i f e + 3 ( s i 0 2 ) 2 2 ( a | 2 0 3 ) + 3 【s i f 。( 4 - 1 ) 2 a i f e + 3 ( m n o ) 2 ( a 1 2 0 3 ) + 3 m n f 。( 4 - 2 ) s i f 。+ 0 2 = ( s i 0 2 )( 4 - 3 ) 2 m n f e + 0 2 2 2 ( m n o )( 4 - 4 ) 同时，焊剂由很多不同的氧化物或矿物质组成，这些物质在冶会反应过程中 会相互反应，生成其它的氧化物。这些化合物具有爿二同的化学、物理性能，随着 熔池的流动和冷却，密度较小的会上浮，形成焊渣排出熔池；如果熔池存在的时 1 6 l ；海人学顾一i ：硼f 究生论义第一= 章1 6 m n r 钢埋弧焊缝常温v 型冲m 值偏低的失效分析 间比较短。那些密度较大的，颗粒度较大的夹杂物可能来不及上浮，而成为夹杂 物而留在焊缝金属内部。 此外，母材和焊接材料( 焊丝和焊剂) 的不洁净( 潮湿、含锈及油污等) 和 空气侵入电弧气氛中都会使焊缝金属中的氧含量增加。 ( 2 ) 铝的来源 铝的来源比较简单，主要是来源于母材或者焊材。母材是1 6 m n r 钢，轧制 状态。随着炼钢技术的发展，很多钢材都用铝作为脱氧剂。为了充分脱氧，铝的 用量往往会过量，因而在钢中会残留一定量的铝。对于焊材，其一，焊丝本身是 一种钢材，所以焊丝中会含有少量的铝，其二，焊剂中本来就含有a 1 2 0 3 这种类 型的氧化物。这些铝的综合作用导致焊缝金属中含有铝。 ( 3 ) 分析镁、钙的来源1 4 j 镁、钙的来源也较简单，