超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析林震欧①(温州市苍南县立瓯石化设备有限公司　浙江温州325000)摘要　根据传统金属学和焊接冶金学理论,对800M Pa和400MPa两个强度级别新一代钢铁材料进行焊接热模拟试验,分析了焊接热影响区HAZ晶粒长大规律。

结果表明,随着TP 和t8/5的逐渐增大,新一代钢铁材料焊接HAZ的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且400MPa级比800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重。

对冶金设备制造具有重要意义。

关键词　新一代钢铁材料　焊接　晶粒长大　热影响区Ana lysis of the Rule of W eld i n g HAZ Gra i n Growthi n the Ultra2f i n e Gra i n SteelL in Zhenou(W enzhou Cangnan County L i ou Petr oche m icals Equi pment L i m ited Company)ABSTRACT　Based on physical metallurgy and welding metallurgy,The ne w generati on steel materials with 400M Pa and800MPa yield strength was measured by welding ther mal si m ulati on and the rule of welding HAZ grain gr owth was studied.It’s show that the welding HAZ austenitic grain of new generati on steel materials has a seri ous gr owth,and the HAZ grain gr owth of400MPa strength has more seri ous than800MPa.KE YWO R D S　Ne w generati on steel materials　W elding　Grain gr owth　HAE(Heat acti onfarea)1　引言目前,国内已经对新一代钢铁材料进行了探索,新一代钢材只有在实现了超洁净度、超细晶化、超均匀化(即“三超”)才能在成分基本不变的情况下实现高强、高韧性(“两高”)。

对于新一代钢铁材料来说,在焊接热作用下,其晶粒长大是必然存在的。

而且晶粒越小,晶粒长大速度和长大驱动力就越大,因此新一代钢铁材料经过焊接后,焊接接头,尤其是焊接的HAZ性能能否保持具有“三超”特征母材的性能水平将成为重点关注的问题[2]。

但由于超细晶粒具有“三超”、“两高”特点,其长大规律不一定完全符合根据传统钢材建立起来的HAZ 晶粒长大规律,因此有必要研究新一代钢铁材料HAZ晶粒长大规律,这对推广和应用新一代钢铁材料均具有重要意义。

2　实验材料与方法采用上海宝山钢铁总公司生产的400MPa级(ss400钢,板厚为3mm)和由钢铁研究总院提供的800MPa级(x52钢,板厚为1.8mm)新一代钢铁材料,成分列于表1。

表1　400M Pa级和800M Pa级新一代钢铁材料的化学成分(wt%)试验材料C Si M n P S A l Nd Ti 400M Pa级0.170.090.360.0130.0130.025// 800M Pa级0.090.181.370.0110.0070.0010.0510.017 首先分别将400MPa级和800MPa级新一代钢铁材料制作成3.0×10.5×80mm和1.8×10.5×80mm的板状热模拟试样,其板面的粗糙度为Ra=1.60,然后在Gleel2 ble21500热模拟试验机上进行两系列的焊接热模拟,如图Extra Editi on2007 冶　金　设　备MET ALLURGI CAL E QU I P M E NT2007年特刊①作者简介:林震欧,男,主要从事特种设备的检验工作1和图2所示。

图1是固定加热峰值温度T P ,变化冷却时间t 8/5,目的是模拟不同焊接热输入条件下HAZ 粗晶区的状况;图2是固定冷却时间t 8/5,变化加热峰值温度T P ,目的是模拟在同一焊接热输入条件下,焊接HAZ 不同部位的状况。

经过焊接热模拟后的试样,沿均温区中心截开制成晶相磨片,在光学显微镜下用截线法测量并统计奥氏体晶粒的平均尺寸,400MPa 级和800M Pa 级新一代钢铁材料板状热模拟试样的尺寸分别制作成3.0×10.5×100mm 和1.8×10.5×65mm 。

3　试验结果及讨论3.1　800MPa 级焊接HAZ 晶粒长大规律经焊接热模拟实验后,800MPa 级新一代钢铁材料HAZ 中奥氏体晶粒尺寸测定结果如图3所示。

图3a 为峰值温度为1350℃时,不同t 8/5对奥氏体晶粒尺寸的影响规律;图2b 为t 8/5=5s 时,不同峰值温度T P 对奥氏体晶粒尺寸的影响规律。

从图3a 可以看出,t 8/5由小到大变化时,奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大,当t 8/5<12s 时,奥氏体平均晶粒尺寸较小,且长大速度缓慢;当t 8/5>12s 时,奥氏体平均晶粒尺寸较大,且长大速度急剧增加。

这说明,当t 8/5较小时,对应的焊接热输入低,高温停留时间短,此时800MPa 级新一代钢铁材料所含的第二相粒子还没有来得及完全溶解,因而奥氏体晶粒尺寸长大程度较低,长大速度增加也较小,当t 8/5较大时,对应的焊接热输入高,高温停留时间变长,母材中第二相粒子溶解数量和程度都较大,使得对奥氏体晶粒尺寸长大的阻碍作用降低,这样,奥氏体晶粒长大速度就增加,最终奥氏体的尺寸就增加。

从图3b 看出,奥氏体晶粒尺寸随着峰值温度的升高逐渐增大,当T P =1200℃时,奥氏体平均晶粒尺寸为30μm,说明此时奥氏体晶粒开始粗化。

这意味着,随着峰值温度的提高,800MPa 级新一代钢铁材料中的第二相粒子已经开始溶解、粗化,阻碍奥氏体晶粒长大的能力越来越弱。

3.2　400MPa 级焊接HAZ 晶粒长大规律400M Pa 级新一代钢铁材料经焊接热模拟后,HAZ 中奥氏体晶粒尺寸测定结果如图4所示。

图4a 为峰值温度为1350℃时,不同t 8/5对奥氏体晶粒尺寸的影响规律;图4b 为t 8/5=5s 时,不同峰值温度T P 对奥氏体晶粒尺寸的影响规律。

冶　金　设　备2007年特刊　图4　模拟各种热循环条件下400M Pa级焊接HAZ奥氏体平均晶粒尺寸测定结果 从图4a可以看出:即使在焊接热输入很小的情况下(t8/5<8s),HAZ中奥氏体晶粒也明显长大,且随着t8/5的增加,HAZ中奥氏体晶粒不断增加,这说明采用溶化焊方法,HAZ晶粒粗化是不可避免的。

晶粒粗化的程度受焊接热输入影响很大。

从图4b可以看出,随着峰值温度TP的升高,奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大,当TP介于1100℃～1200℃之间时,奥氏体晶粒尺寸开始粗化,当TP大于1350℃时,奥氏体晶粒尺寸不再增大,反而开始逐渐减小,这可是奥氏体晶粒边界局部溶化导致晶粒尺寸有所减小。

4　讨论分析图3和图4可以看出,新一代钢铁材料在焊接奥氏体晶粒有明显的长大倾向,在同样条件下,与800M Pa 相比,400MPa新一代钢铁材料的HAZ晶粒长大倾向更严重。

在图3b和图4b中,当t8/5=5s时,800M Pa级新一代钢铁材料在TP>1200℃时,奥氏体开始粗化,而400M Pa级新一代钢铁材料在TP>1100℃时,奥氏体开始粗化,这说明800MPa级新一代钢铁材料比400MPa级的晶粗化温度更高。

钢的化学成分对晶粒长大有重要影响,当钢中含有碳、氮化物形成元素时,都可降低晶粒长大倾向,因为这些碳、氮化物元素一般在晶内和晶界上形成细化而分布均匀的难溶质点,加热时这些碳、氮化物会阻碍晶粒长大,只有加热到很高温度或时间较长时,才使这些难溶质点溶解在奥氏体中,晶粒才会显著长大。

800M Pa级新一代钢铁材料中含有Nd和Ti,在焊接过程中会形成碳、氮化物,尤其是钢中形成的Ti N粒子是有效阻止奥氏体晶粒粗化的析出相[3,4]。

再加上焊接加热的速度极快,使得Ti N粒子的溶解有明显的延迟滞后效应,因而在高温阶段仍有一小部分Ti N保持稳定,可有效阻止晶粒长大,所以在相同条件下,800MPa级超细晶粒钢比400M Pa级超细晶粒钢的焊接HAZ晶粒长大程度更小,奥氏体的晶粒粗化温度也要高一些。

然而,尽管800M Pa级新一代钢铁材料中含有能阻碍晶粒长大的碳、氮化物形成元素,由于母材原始晶粒尺寸小,细小晶粒形成的晶粒长大驱动力远远大于因碳、氮化物在晶粒中形成的阻力。

峰值温度较低时,碳、氮化合物在晶粒中形成的阻力较大,随着峰值温度的提高,碳、氮化合物在晶粒中形成的阻力越来越小,温度提供的晶粒长大驱动力增加,最终的晶粒粗化程度严重。

由图3b和图4b知,HAZ中奥氏体和晶粒尺寸受t8/5影响很大,且随着t8/5的增大而增加。

因此,对新一代钢铁材料而言,为了防止奥氏体晶粒粗化,应尽可能地降低t8/5,也就是说,实际焊接时在条件允许的情况下,应尽可能地提高冷却速度。

5　结论1)模拟焊接HAZ试验的结果表明,无论是400M Pa 级还是800MPa级新一代钢铁材料,其HAZ中的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且晶粒尺寸随着冷却时间的加长和峰值温度的增高都出现增大趋势。

2)T P=1350℃时,随着t8/5的逐渐增加,新一代钢铁材料焊接HAZ粗晶区中的奥氏体平均晶粒尺寸不断增加;当t8/5=5s时,随着缝值温度的不断升高,新一代钢铁材料焊接HAZ中的奥氏体平均晶粒尺寸不断增大。

3)在相同焊接热循环下,400MPa级比800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重,其原因是800M Pa级新一代钢铁材中含有碳、氮化物形成元素,对于HAZ中奥氏体晶粒长大有一定的抑制作用。

参考文献[1]Our o C.R,Bott IDe S,Bastian F L.I nfluence of LocalB rittle Zone Size on the Heat Affected Zone Toughness ofStructural Steel for Offshore App licati ons.Tends in W eld2 ing Research[C].Pr oceeding of the4#internati onal Con2 ference,1995:519～524(转36页)　林震欧:　超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析2007年特刊泵启动指示灯亮,这时就可以启动主泵,按主泵启动按钮,主泵启动,延时5s后,主泵启动指示灯亮,等主泵启动指示灯亮后,再按主泵加载按钮,主泵加载,主泵加载指示灯亮。