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1、中国科学:技术科学2012年第42卷第6期:662~671《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文夹杂物对低碳钢焊接热影响区组织性能的影响①①*①②①①郑超超,王学敏,李书瑞,尚成嘉,贺信莱①北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;②武钢研究院,武汉430080*E-mail:wxm@mater.ustb.edu.cn收稿日期:2011-11-04;接受日期:2012-01-11国家重点基础研究计划(“973”计划)资助项目(批准号:2010CB630
2、801)摘要利用焊接热模拟技术、光学显微镜及扫描电镜对比分析了2种采用不同脱氧方式关键词冶炼的低碳钢中夹杂物特性及其对焊接热影响区组织和性能的影响;采用高温激光共聚焦低碳钢夹杂物显微镜对晶内针状铁素体形核长大行为进行原位观察;采用俄歇电子能谱仪分析夹杂物边针状铁素体界附近Mn元素分布.实验结果表明,加Ti处理的Al脱氧钢中主要夹杂物为Al2O3,MnS和焊接热影响区TiN,氧化物冶金型Ti脱氧钢中主要夹杂物为TiOx/MnS复合型夹杂和MnS夹杂.研究发现,尺寸为1~3m的TiOx/MnS夹杂物边界附近存在着一定宽度的贫Mn区,能有效诱导针
3、状铁素体形核.优先生成的针状铁素体会分割原奥氏体晶粒,阻碍低温组织生长,细化最终组织,显著提高焊接热影响区韧性.随着机械工程结构的大型化,在实际生产建造冶炼方法的进一步改善提供了充分的实验证据.中,常采用大线能量焊接技术以大幅提高焊接效率,此外,在已有的对于夹杂物与针状铁素体关系但传统低碳钢在采用该技术时会造成焊接热影响区的研究中,虽然通过金相和扫描照片能够分析夹杂晶粒粗化,材料性能急剧恶化,这就需要开发能适应物周边针状铁素体的形貌,但并不能准确反应针状[1]大线能量焊接条件的钢板.报道指出,在钢中添加铁素体组织的初始形核位置.本文采用高温激
4、光共Ti元素,使钢中形成大量弥散的TiN,可防止焊接热聚焦显微镜对样品进行升温、降温过程中的原位观察,[2]影响区晶粒粗化,提升材料焊接性能.但此种方法并采用俄歇电子能谱仪分析夹杂物边界附近Mn元素对材料焊接性能的提升有限,且需要严格控制处理分布,为针状铁素体形核、长大方面的研究提供了有过程和Ti和N含量.这就促使研究者寻求其他有效力的证据.[3~7]方法改善材料焊接性能.国外学者研究表明,采用氧化物冶金技术冶炼的钢板具有优良的焊接性能,1实验材料及方法其焊接热影响区低温冲击韧性能得到明显提升,并充分适应高效的大线能量焊接方法.本文对采用这试
5、样来自国内某大型企业大生产冶炼样品.采两种方法冶炼的钢中夹杂物特性及不同区域组织形用转炉冶炼、真空处理,来料为32mm厚热轧板.貌等进行了大量实验研究,并进行了系统的比较,为2种低碳钢的主要化学成分(质量分数,%)如表1英文版发表信息:ZhengCC,WangXM,LiSR,etal.Effectsofinclusionsonmicrostructureandpropertiesofheat-affected-zoneforlow-carbonsteels.SciChinaTechSci,2012,55:15561565,doi:10.10
6、07/s11431-012-4812-y中国科学:技术科学2012年第42卷第6期表1实验钢化学成分(wt%)SteelNo.CSiMnPSTiAlsN10.1~0.20.261.440.0120.00550.01~0.020.040.003920.1~0.20.251.390.0120.00420.01~0.02/0.0043所示,其中,1号钢采用Al脱氧,加Ti处理;2号钢采焦显微镜上进行热模拟实验.试样首先进行100°C预用Ti脱氧,运用氧化物冶金技术冶炼.热,然后以5°C/s的速度加热至1320°C,高温保温1s,从2种实验钢轧板上取
7、样加工成不同试样.从母以5°C/s的速度冷却至室温,原位观察热处理过程材轧板上切取10mm×l0mm×l0mm规格的金相试中的组织转变.样、10mm×l0mm×90mm规格的热模拟试样和7mm×3.5mm规格的高温金相试样.2实验结果金相试样经过磨抛后在OlympusBX51M型光学显微镜(OM)及JEOL-6301F型场发射扫描电子显微2.1实验钢母材组织性能镜(SEM)下观察夹杂物的种类及尺寸,并统计其尺寸2种实验钢热轧后母材的室温金相组织如图1所分布.在Gleeble1500热模拟试验机上进行焊接热模示.从图中可以看到,2种钢的母
8、材组织均为多边形拟试验,研究焊接热影响粗晶区的组织和性能.试样铁素体和沿轧向分布的珠光体组织,但1号钢的组织首先进行100°C预热,然后以200°C/s加热到峰值温
