《超细晶粒钢的焊接性分析 哈工大》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超细晶粒钢的焊接性分析 哈工大（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 先进材料的连接课程论文超细晶粒钢的焊接性分析学院： 材料科学与工程 姓名： 学号： 日期： 2014.12.13 超细晶粒钢的焊接性分析摘要：作为新一代高性能钢铁结构材料代表的超细晶粒钢,因其晶粒的超细化从而实现了性能的强韧化,但在焊接时, 面临的最大障碍是热影响区晶粒过度长大。系统分析了超细晶粒钢焊接接头的组织特征和焊接性,针对这些特点，讨论了超细晶粒钢的焊接性,其中包括 HAZ性能、焊缝性能、HAZ 和焊缝的裂纹倾向等。关键词 超细晶粒钢 焊接性 HAZ 晶粒长大 局部软化和脆化前言钢铁材料由于综合性能好，资源丰富，价格便宜，成为结构件中使用最为广泛的金属材料。随着现代工业和科学技术的发
2、展，建筑、机械、汽车、铁路、船舶及海洋等行业对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。大量研究表明，晶粒细化处理是能够同时提高材料强度和韧性的最佳强化机制。添加合金元素和控制冶金组织，是实现晶粒细化的基本途径。依靠工艺措施获得强韧性好的组织，可使钢材在不增加合金含量的情况下，强度、韧性获得提高，从而提高性价比。 1980 年开始应用的 TMCP( Thermo-Mechanically Controlled Processing)技术，是控轧和激冷技术的结合。该技术依靠控轧和控制始冷温度、终冷温度和冷却速度将组织组成比（如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体的比例）控制在一定水平，从而获得所需要的强度和
3、韧性。超细晶粒钢是在 TMCP 技术基础上发展起来的新一代钢种，其依靠形变诱导形核及控轧、控冷，生成晶粒大小在微米级或亚微米级的铁素体，从而使钢的强度和韧性都大幅提高。一、超细晶粒钢 1.1 分类传统钢中，晶粒尺寸在 100m 以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢。随着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚至达到了微米、亚微米。本文提到的超细晶粒钢不包括传统细晶钢。按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小，可分为以下几类。 (1) TMCP 钢 控轧后立即加速冷却所制造的 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢。利用 TMCP 工艺在实验室中，晶粒
4、尺寸可达到几个微米，但在实际工业生产中，所得钢的晶粒尺寸小于 50 m，最小可达 10 m。这种钢满足了石油和天然气工业的需求，这种钢的高强高韧和低的碳当量为其提供了优良的焊接适应性。 (2) 新一代钢铁材料 综合低合金高强钢不断进步的成功经验，充分利用合金化作用和生产工艺技术进步相结合的优势，发展新一代钢铁材料产品并进行其基础理论研究。目前正处于研制阶段的新一代钢铁材料的主要特征：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征，强度比常用钢材提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。1.2 化学成分和冶金特点 细晶钢具有低碳和低碳当量以及低的杂质含量，不仅有益于其焊接性，同时也有
5、利于改善钢的其他性能，如接头中 HAZ 和母材的韧性以及对氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSCC)抗力等。细晶钢中也含有少量的 Nb、V、Ti 等微合金元素，其主要目的是为了形成碳、氮化合物，从而有效防止晶粒长大。由于细晶钢低的 S、P、N 元素含量和控制加入的微合金元素，其氮化物形成元素的存在将使自由氮降低，减小了时效影响，有利于韧性的改善。生产高洁净度、高均匀度的细晶钢的冶金特点主要是针对如何提高其洁净度，即减少 S、P、N、O和 H 等元素的含量，其冶金和生产工艺技术已有很大的进步：由“分段精炼”这一思想而建立的铁水“三脱”(脱硅、脱硫和脱磷)工艺和转炉少渣冶炼工艺；为满足石油
6、管线钢抗 H2S 腐蚀的要求，确立了铁水包 Mg-Ca 脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺；炉外精炼；无缺陷连铸坯的生产工艺等。二、焊接性分析超细晶粒钢因为晶粒尺寸超细化而具备高强度、高韧性的特征，要求焊接接头必须达到与钢材本身性能相当的水平，无疑对焊接技术和焊接材料提出非常严峻的挑战，主要体现在以下两个方面： 1、焊接热循环对钢材性能的影响 焊接熔焊焊道时，不可避免地会在周围金属中产生温度梯度，这一温度梯度将影响焊缝附近金属的组织和性能，产生热影响区，熔合线附近晶粒长大，这里的金属（即离熔合线更远一点的金属）被加热到高于 Ac3 温度的奥氏体区，因为冷却速度快有可能发展为马氏体或贝氏体组织，韧
7、性不理想。进一步远离熔合线的金属被加热到高于 Ac1 但低于 Ac3 的温度，在这一中间临界区发生大量的重结晶，晶粒尺寸不均匀，有时会因为第二相的长大或析出使力学性能恶化，对于某些高强钢甚至会出现能破坏钢材韧性的 M-A 组元。在这一重结晶区之外，热量不足以改变晶粒尺寸，但可能足以削弱冷加工的作用，引起马氏体/贝氏体的回火或沉淀强化钢及合金的过时效。 对于细晶粒钢而言，热影响区晶粒粗化导致的性能恶化将是最主要的问题。研究焊接热循环对母材组织、性能的影响规律及研究适合超细晶粒钢的新型焊接技术和工艺是非常有必要地。 2、焊缝金属的性能 人们常说焊缝是个铸件，因为在铸件中发现的许多特征在焊缝中也存在
8、，但焊缝金属的凝固时间不会超过数秒钟，相比较铸件的凝固时间为数分钟甚至数小时。对于这样一个“铸造组织” ，若要达到与高纯度、高均匀度、超细组织的母材相当的力学性能是非常困难的。对超细晶粒钢的焊接性进行分析可知，超细晶粒钢熔焊时晶粒长大的主要原因为：由于晶粒长大驱动力和长大速率与晶粒直径成反比，故超细晶粒钢极小的原始粒径（几个微米级）使晶粒长大驱动力变大；在超细晶粒钢的成分设计时，为降低碳当量（有利于避免裂纹、省去焊前预热工序） ，节约资源，便于循环利用以减少对环境的损害，采取了“成分低合金化”的成分设计思路（力学性能主要靠铁素体晶粒的超细化保证） ，由此使得超细晶粒钢（400MPa 级）在奥氏
9、体状态下不存在对晶粒长大有钉扎作用的第2 相粒子；对于熔焊方法而言，加热最高温度已超过其熔点，尽管焊接热循环时间（关键是高温停留时间）很短，但因温度与时间对晶粒长大的影响遵循Arrhenius 定律（长大速率随温度升高按指数规律增加） ，晶粒仍然会出现显著长大；单一的铁素体组织不能像复相组织那样具有抑制晶粒长大的作用。三、HAZ 组织性能 在新一代微合金高强高韧钢中,研究 400MPa 和 800MPa 两种强度级别的超细晶粒钢,400MPa 级细晶钢是指在普通 Q235 钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理,使其强度提高一倍,寿命增加一倍的新一代钢铁材料。400MPa 级细晶钢焊接时,薄弱环节
10、出现在 HAZ,因细晶粒本身已使得晶粒长大驱动力很大(驱动力与晶粒尺寸成反比),又因 400MPa 的细晶钢中没有或含有极少碳、氮化物形成元素,所以其焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向,粗大的晶粒将损害 HAZ 的性能,晶粒较粗大时,强度和韧性会随之下降。因此,对于 400MPa 的细晶钢最主要的问题是探索 400MPa 细晶钢的合适焊接方法、研究其晶粒长大规律、动力学和可控因素,从而寻找防止晶粒长大的有效措施。800MPa 级细晶钢是指在 X65 管线钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理,使其强度提高一倍,寿命增加一倍的新一代钢铁材料。利用高洁净度 X65 钢和普通市售 X65 钢,采取一定的工
11、艺措施获得细晶粒钢。1、 HAZ 淬硬性 在靠近熔合线的 HAZ，奥氏体晶粒易粗化和硬化。为了减少冷裂和接头韧性的损失，通常限制 HAZ 的最大硬度。如造船用结构钢和破冰船，其硬度限制在 HV300350 之间。为避免应力腐蚀，硬度值也被限制，如在湿的 H2S 环境下，管线钢的硬度限制在 HV248。HAZ 的最大硬度随着冷却时间 t8/5 的增加而减小。2、 HAZ 的软化 超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后 HAZ 会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其他因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配
12、等因素。对于低强度级别的 400MPa 钢而言，在高强匹配下，更高强度的焊缝和没有受热影响的母材对软化区有强的拘束作用，所以采用高匹配是防止或减小 HAZ 软化的有效措施之一。四、结论(1)超细晶粒钢通过形变细化、相变细化和第二相析出提高钢的强度，由此降低结构自重，从而减少其结构用量和运输费用，同时它还具有优良的强韧性，合金含量低、杂质含量低、便于回收、可重复使用等优点，因而可有效地用于生产中，符合社会可持续发展战略。 (2)焊接热循环明显影响 400MPa 和 800MPa 超细晶粒钢焊接热影响区的晶粒长大，应研究其 HAZ 晶粒长大规律和动力学，寻找 HAZ 晶粒长大的可控因素，探索超细晶粒钢合适的焊接方法、焊接工艺参数及其他焊接条件。 (3)对于 800MPa 级超细晶粒钢，除研究热影响区晶粒长大规律外，还应研制焊缝金属微观组织以超低碳贝氏体为主的焊接材料。
