（材料学专业论文）针状铁素体形成对焊接接头组织细化的影响.pdf

分类号： u d c ： 密级： 烈虞舞哆锉夫擎 硕士学位论文 针状铁素体形成对焊接接头组织细化的影响 万响亮 指导教师姓名： 申请学位级别： 论文定稿日期： 学位授予单位： 学位授予日期： 吴开明教授 武汉科技大学 答辩委员会主席： 评阅人： 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：互! 壹五日期：近：丝万， 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： w u h a n u n i v e r s i t y o f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y m a s t e r t h e s i s 摘要 焊接是低合金高强度钢能否实现其应用价值的最重要的加工手段。大焊接 热输入条件下的焊接接头组织的粗化以及由此而造成的接头强度的降低是低合 金高强度钢焊接中的主要问题。具有细小尺寸和连锁式结构的针状铁素体被认 为是一种很有价值的组分，通过针状铁素体来细化组织可以使钢铁材料焊接接 头同时获得高的强度和优良的韧性。 本文对采用热机械处理弛豫析出控制相变工艺生产的低碳高强度钢焊接 接头组织中针状铁素体的三维形貌、e b s d 分析、晶体学取向和纳米硬度进行 了研究。 焊缝组织主要为细小的针状铁素体。对焊缝组织进行扫描电子显微镜观察 和能谱分析的结果表明，焊缝区域针状铁素体以夹杂物为核心多维形核呈放射 状生长。研究认为，该夹杂物主要是以砧2 0 3 为核心形成的钛氧化物，以钛氧 化物为核心形成铁素体。可能由于是m n 扩散进t i 2 0 3 夹杂而致t i 2 0 3 外围生成 m n 贫乏区促进晶内铁素体形核。利用e b s d 对焊接接头组织进行晶体学取向研 究的结果发现，焊缝针状铁素体晶粒取向并不完全随机分布，在某些晶体学方 向上存在取向择优。各针状铁素体之间呈大角度晶界，从同一夹杂物上长出的 针状铁素体，观察到沿同一方向背向生长的针状铁素体具有相同取向。可能的 原因是针状铁素体与原奥氏体晶粒保持一定的晶体学取向关系。 粗晶区组织主要是贝氏体和少量的针状铁素体，粗晶区原奥氏体晶粒内从 晶界向晶内有多个方向生长的贝氏体板条束，沿某一方向生长的贝氏体板条束 具有明显的优势。生长方向不同的贝氏体束之间呈大角度晶界。针状铁素体呈 现板状或者条状而不是通常认为的针状或者棒状。通过回火实验显示针状铁素 体比贝氏体稳定，表明针状铁素体先于贝氏体形成。针状铁素体板条有效的把 原奥氏体晶粒分割成一些细小且相互分开的区域，然后在低温时限制贝氏体在 这些小区域内转变，导致粗晶区晶粒有效细化。e b s d 分析表明粗晶区有效晶 粒直径被细化至乱9 微米。 关键词：晶粒细化，焊缝，热影响区，晶体学取向，三维形貌 l i w u h a n u n i v e r s i t y o f s c i a l c ea n d t e c h n o l o g y m a s t 口t h e s i s a b s t r a c t t h es t e e lw i t hh i g hs t r e n g t ha n dg o o dt o u g h n e s sc a nb er e a l i z e db yt h e r e f i n e m e n to fi t sm i c r o s t r u c t u r e s h o w e v e r , t h ep r o p e r t i e so fw e l dj o i n to ft h es t e e l t e n dt ob ed e t e r i o r a t e dd u et ot h ec o a r s e n i n go fm i c r o s t r u c t u r e sd u r i n gt h ew e l d i n g a c i c u l a rf e r r i t ei sah i g h l yd e s i r a b l ec o n s t i t u e n ti ns t e e lw e l dj o i n td u et oi t sf i n e g r a i ns i z ea n di n t e r l o c k i n gn a t u r e ，i tc a ni m p r o v et h et o u g h n e s so fw e l dm e t a la n d t h eh e a t a f f e c t e dz o n eo fs t e e lw e l dj o i n t i nt h i s t h e s i s ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g y , e l e c t r o nb a c ks c a t t e r e d d i f f r a c t i o na n a l y s i s ，c r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o na n dn a n o h a r d n e s so fa c i c u l a rf e r r i t e i nah i 曲s t r e n g t hl o wc a r b o ns t e e lw e l dj o i n th a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，w h i c hw a s p r o c e s s e db yat h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s sr e l a x a t i o np r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e d t r a n s f o r m a t i o nt e c h n i q u e m i c r o s t r u c t u r eo fw e l dm e t a lw a sm a i n l ym a d eu po ff i n ea c i c u l a rf e r r i t eg r a i n s s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yo b s e r v a t i o n sa n de l e c t r o nd i s p e r s e ds p e c t r u ma n a l y s i s o fw e l dm e t a lw e r ec o n d u c t e d i ti sf o u n dt h a ts e v e r a lf e r r i t el a t h so rp l a t e sw e r e n u c l e a t e do no n ei n c l u s i o n t h ei n c l u s i o nc o n s i s t e do fa l la l u m i n u mo x i d ec o r ea n d a no u t e rl a y e ro ft i t a n i u mo x i d e t h en u c l e a t i o no f i n t r a g r a n u l a rf e r r i t ew a sp r o m o t e d b yt h ef o r m a t i o no fm a n g a n e s ed e p l e t e dz o n e ，p r o b a b l yd u et om a n g a n e s ed i f f u s i o n i n t ot i t a n i u mo x i d e e l e c t r o nb a c ks c a t t e r e dd i f f r a c t i o na n a l y s i sw a su s e dt oo b s e r v e t h ec r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o no f w e l dm e t a lm i e r o s t r u c t u r e s r e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ec r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o no fa c i c u l a rf e r r i t ew a sn o tc o m p l e t e l yr a n d o m a c e r t a i nc r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o nw a sd o m i n a n tf o ra c i c u l a rf e r r i t e a c i c u l a rf e r r i t e w a ss e p a r a t e db yh i g ha n g l eb o u n d a r i e s s o m ea c i c u l a rf e r r i t el a t h so rp l a t e sw h i c h w e r ef o r m e do no n ei n c l u s i o na n dg r e wi n o p p o s i t ed i r e c t i o n s h a dt h es a m e c r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o n ，p r e s u m a b l yb e c a u s et h e yh a v es o m ec r y s t a l l o g r a p h i c o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep r i o ra u s t e n i t eg r a i n s i tw a sr e v e a l e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ei n t h ec o a r s e g r a i n e dr e g i o no ft h e h e a t a f f e c t e dz o n ec o n s i s t e do fp r e d o m i n a n t l yb a i n i t ep a c k e t sa n das m a l lp r o p o r t i o n o fa c i c u l a rf e r r i t e s o m eb a i n i t i cf e r r i t ep a c k e tg r e wi nac e r t a i nc r y s t a l l o g r a p h i c w u h a nu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a s t e f t h e s i si l l o r i e n t a t i o nw e r ed o m i n a n ta m o n gt h ep a c k e t si nap r i o ra u s t e n i t e b a i n i t i cf e r r i t e p a c k e t sg r o w ni nd i f f e r e n td r e c t i o n sw e r es e p a r a t e db yh i 曲a n g l eb o u n d a r i e s t h e a d c u l a rf e r r i t em o r p h o l o g yw a sl a t ho rp l a t e - l i k er a t h e rt h a nn e e d l eo rr o d l i k e t e m p e r i n go ft h ec o a r s eg r a i n e dr e g i o no fh e a ta f f e c t e dz o n es h o w e dt h a tt h e a c i c u l a rf e r r i t ew a sm o r es t a b l et h a nt h eb a i n i t e ，i n d i c a t i n gt h a tt h ea c i c u l a rf e r r i t e w a sf o r m e dp r i o rt ob a i n i t e t h ea c i c u l a rf e r r i t el a t h so rp l a t e sd i v i d e dt h ep r i o r a u s t e n i t eg r a i n si n t os m a l l e ra n ds e p a r a t er e g i o n s ，a n dc o n f i n i n gb a i n i t et r a n s f o r m e d a tl o w e rt e m p e r a t u r e si nt h es m a l l e rr e g i o n sa n dh e n c el e a d i n gt ot h eg r a i n r e f i n e m e n ti nt h ec o a r s e g r a i n e dr e g i o no ft h eh e a t - a f f e c t e dz o n e e l e c t r o nb a c k s c a t t e r e dd i f f r a c t i o na n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ea v e r a g ee q u i v a l e n tg r a i ns i z eo ft h e c o a r s e - g r a i n e dr e g i o no f t h eh e a t a f f e c t e dz o n er e a c h e das m a l l e rs i z eo f 6 9 ：1 1 k e yw o r d s ：g r a i nr e f i n e m e n t ；w e l dm e t a l ；h e a t - a f f e c t e dz o n e ；c r y s t a l l o g r a p h i c o r i e n t a t i o n ；t h r e ed i m e n s i o n a lm o r p h o l o g y i v w u h n au n i v e r s i t yo f s c i e n c 七a n dt e c h n o l o g ym a 虬c r1 1 i 酋讧 c o n t e n t s 摘要i a b s t r a c t i i c o n t e n t s p r e f a c e v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n l 1 1s t e e la n dw e l d i n g l 1 2m i c r o s t r u c t u r eo f w e l dj o i n t 2 1 2 11 v v r e l dm e t a l 2 1 2 2h e a t a f f e c t e dz o n e 2 1 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l dj o i n t 3 1 4t r a n s f o r m a t i o nf i ：o ma u s t e n i t ei nw e l dj o i n t 3 1 4 1a l l o t r i o m o r p h i cf e r r i t e 4 1 4 2w i d m a n s t 2 i t t e nf e r r i t e 4 1 4 3a c i c u l a rf e r r i t e 5 1 4 4b a i n i t e 5 1 4 5m a r t e n s i t e 6 1 5r o l eo fa l l o y i n ge l e m e n t si nw e l dj o i n t 6 1 5 1c a r b o n 7 1 5 2m a n g a n e s e 7 1 5 3s i l i c o n 7 1 5 4p h o s p h o r u sa n ds u l f u r 8 1 5 5c o p p e r , n i c k e la n dm o l y b d e n u m 8 1 5 6n i o b i u m t i t a n i u ma n db o r o n 9 1 6n u c l e a t i o no fa c i c u l a rf e r r i t ei nw e l di o i n t 9 1 7t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c h 10 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a l 1 2 2 1m a t e r i a l sa n dw e l d i n g 12 2 2t e m p e r i n gp r o c e s s 1 3 2 3o p t i c a lm i c r o s c o p y 13 2 4t h r e ed i m e n s i o n a lm o r p h o l o g y 1 3 2 5s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n do r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p 14 2 6t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y 1 4 2 7n a n oi n d e n t a t i o nt e s t 15 c h a p t e r 3c r y s t a l l o g r a p h i cc h a r a c t e r i z a t i o no fa c i c u l a rf e r r i t ei nw e l dm e t a l 16 3 1 i n t r o d u c t i o n 1 6 3 2 r e s u l t s 1 6 3 2 1a n a l y s i so f a c i c u l a rf e r r i t ei nw e l dm e t a l 1 6 3 2 2c r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so f a c i c u l a rf e r r i t ei nw e l dm e t a l 1 9 w u l n mu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a s t e rt h e s i s v 3 3 d i s c u s s i o n 2 0 3 3 1n u c l e a t i o no f i n t r a g r a n u l a ra c i c u l a rf e r r i t e 2 0 3 3 2o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i po f a c i c u l a rf e r r i t e 2 1 c h a p t e r 4e f f e c to fa c i c u l a rf e r r i t ef o r m a t i o no ng r a i nr e f i n e m e n ti nt h e c o a r s e g r a i n e dr e g i o no f h e a t - a f f e c t e dz o n e 2 4 4 1i n t r o d u c t i o n 2 4 4 2r e s u l t s 2 5 4 2 1 o p t i c a lo b s e r v a t i o n so ft h ec o a r s e - g r a i n e dr e g i o no fh e a t - a f f e c t e d z o n e 2 5 4 2 2a n a l y s i so f a c i c u l a rf e r r i t e 2 7 4 2 3t h r e ed i m e n s i o n a lm o r p h o l o g ya n ds i z eo fa c i 饥l a rf e r r i t e 2 9 4 2 4e l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o na n a l y s i so fm i c r o s t m c t u r o si nt h e c o a r s e - g r a i n e dr e g i o no f h e a t a f f e c t e dz o n e 3 0 4 2 5n a n o h a r d n e s so fm i c r o s t r u c t u r e si nt h ec o a r s e - g r a i n e dr e g i o no f h e a t - a f f e c t e dz o n e 3 3 4 3d i s c u s s i o n 3 3 4 3 1f o r m a t i o no fa c i c u l a rf e r r i t e 3 3 4 ：；2s t a b i l i t yo f m i c r o s t r u c t u r e s 3 4 4 3 3g r a i nr e f i n e m e n to f t h ec o a r s e - g r a i n e dr e g i o no f h e a t - a f f e c t e dz o n e 3 4 c h a p t e r5s u m m a r y 3 6 c h a p t e r6 f u t u r ew o r k 3 7 c h a p t e r7r e f e r e n c e s 3 8 a c k n o w l e d g e m e n t s 4 6 l i s to fp u b l i c a t i o n s 4 7 w u h n nu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt 矗：h n o l o g ym a s t e rt h r i l l p r e f a c e t o u g h n e s si sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rf o rm a t e r i a l sd e s i g na n da p p l i c a t i o n h i 曲 i m p a c tt o u g h n e s si nw e l dm e t a la n dh e a t a f f e c t e dz o n e si sr e q u i r e df o rh i 曲s t r e n g t h s t e e lw e l dj o i n t 1 - 3 】t h ei m p o r t a n c eo fa l la c i c u l a rf e r r i t em i c r o s t r u c t u r et o w a r d s o p t i m i z i n gt o u g h n e s sw a si d e n t i f i e d i n t r a g r a n u l a r a e i c u l a rf e r r i t ef o r m e di n a s s o c i a t i o nw i mi n c l u s i o n si su t i l i z e df o rg r a i nr e f i n e m e n ti ns t e e l sa n di m p r o v i n g s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fs t e e lw e l dj o i n ti nr e c e n ty e a r s 4 ，5 】e x t e n s i v es t u d i e so n t h en u c l e a t i o no fi n t r a g r a n u l a rf e r r i t ea ti n c l u s i o n si ns t e e l sh a v eb e e nc o n d u c t e d 4 1 2 s i n c el a s td e c a d e sv a r i o u st e c h n i q u e so ft h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s h a v eb e e nd e v e l o p e dt or e f i n em i c r o s t r u c t u r eo fs t e e l s 【4 5 】i tw a sr e p o r t e dr e c e n t l y t h a tat h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o l l e d p r o c e s sr e l a x e dp r e c i p i t a t i o n c o n t r o lw a s a t t e m p t e dt or e f i n et h em i c r o s t r u c t u r e so fal o wc a r b o nm i c r o a l l o y e ds t e e l s 5 】f o r t h ep a s td e c a d e ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i z a t i o ni s a p p l i e dt os t u d yt h em i e r o s t r u c t u r e u s i n gn a n o i n d e n t a t i o n 1 3 - 1 6 i nr e c e n ty e a r s ，c o m p u t e ra i d e dt h r e ed i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na n dh a sb e e np r o v e dt o b eau s e f u la p p r o a c ht ou n d e r s t a n d i n gm i c r o s t r u c t u r e s 17 - 2 2 t h e r eh a sr e c e n t l y b e e nag r o w i n gt e n d e n c yt oi n v e s t i g a t ew e l dj o i n tu s i n gt h o s et e c h n i q u e s i nt h i s s t u d y , t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g y , e l e c t r o nb a c ks c a r e r e d d i f f r a c t i o na n a l y s i sa n dm i c r om e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa c i c u l a rf e r r i t ei n ah i g h s t r e n g t h s t e e lw e l dj o i n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hw a s p r o c e s s e db y a t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s sr e l a x a t i o np r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e dt r a n s f o r m a t i o n t e c h n i q u e w u h n au n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o k 喀ym a s t e r t h e s i s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1s t e e la n dw e l d i n g s t e e li st h o u g h tt ob et h em o s t “a d v a n c e d m a t e r i a li nt h i sm o d e r nw o r l d i ti sav e r y u s e f u lm a t e r i a lw i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so na t t r a c t i v ep r o p e r t i e sa n dc a nb e p r o d u c e da tav e r yc o m p e t i t i v ep r o d u c t i o nc o s t 【2 3 m o r e o v e r , i th a saw i d e a p p l i c a t i o n r e s e a r c ho f i r o na n ds t e e li sp r o b a b l yo n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n go fa l l t h em a t e r i a le v e ni nt h ew h o l es c i e n c ef i e l d s 【2 3 s t e e li su s u a l l yd e f i n e da saf e r r o u sa l l o y , w h i c hc o n t a i n sl e s st h a n2 0 o d l l b o n a n ds o m ea l l o ye l e m e n t s 【2 3 t h ec o m p l e xm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs t e e la r i s e sw i t ht h ea d d i t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t si n t ot h ei r o nc a r b o na l l o ys y s t e m t h ed i f f e r e n c eo ft y p ea n dq u a n t i t yf o ra l l o y sc o n t e n ti nt h ei r o nc a r b o na l l o ys y s t e m c a nl e a dt oi m m e n s ed i f f e r e n c ef o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sv a r i a t i o n s t h e n , t h e p r o c e s so fh e a tt r e a t m e n ta l s oh a sas u b s t a n t i a li m p a c t i nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 2 3 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m o r e a n dm o r er e s e a r c h e sa r el a u n c h e do nt h eh i g hs t r e n g t hl o wc a r b o nl o wa l l o ys t e e lw i t h s i m p l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h r o u g ht h el a s tf e wd e c a d e sal a r g en u m b e ro f r e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dat y p eo f s t e e lk n o w na st h eh i g hs t r e n g t hl o wc a r b o nl o wa l l o ys t e e l t o d a y ，n e wa n dg r e a t e r c h a l l e n g e sa r ep r e s e n t e dt od e s i g n e r sa n de n g i n e e r s ，a st h e s es t e e l sa r eg r e a t l yu s e di n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n ss u c ha sb r i d g e s ，p i p e l i n e s ，c r a n e s ，h o u s e ，r a i l w a y ，c a r ，s h i pa n d s oo n i nm a n yo ft h ea p p l i c a t i o n s ，i ti se s s e n t i a lt oc o n s i d e rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h es t e e la f t e rw e l d i n g g e n e r a l l y ，w e l d i n gi so n eo f j o i n i n gm e t h o df o rs t e e l t h e w e l d j o i n ti sam i c r o s t r u c t u r ec o n t a i n i n gw e l dm e t a la n dh e a t - a f f e c t e dz o n e i nm a n y c i r c u m s t a n c e sc a s e s ，t h ew e l dm e t a lu s u a l l yn e e dh a v eo v e r - m a t c h i n gs t r e n g t h c o m p a r e dw i t ht h eb a s es t e e li no r d e rt oa v o i dd e s i g nl i m i t a t i o n s t h e s er e q u i r e m e n t s a r ep o s s i b l et oa c h i e v et h r o u g ha d d i n ga l l o y si n t ow e l dm e t a l h o w e v e r ，i ti sn o tf i t f o rt h eh e a t - a f f e c t e dz o n e t h e r eh a sr e c e n t l yb e e nag r o w i n gt e n d e n c yt oi n v e s t i g a t e 2 w u h mu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a s u 舳 h o wt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n dt