1、39 外文翻译Materials Science and Engineering A 385(2004) 352-358结构钢亚临界和焊接热影响区粗晶中M-A 组织的外观形貌摘要：采用带有 Gleeble 热模拟的热模拟机重现硅含量在 0.003%0.315%内变化的钢中焊接热影响区的显微组织。小范围组织的光学金相特性分析常用于探究焊接热影响区粗晶或焊接热影响区亚临界再加热区域中 M-A 组织的形成。研究发现，硅能提高 M-A 组织的密度，以及大块状组织所占比例，并且在较宽的温度范围内验证了组织的形成。相较于热影响区内的粗晶，一个较高的亚临界的峰值能显著提高大块状 M-A 组织的比例。实验表明
2、，回火促使 M-A 组织向碳化物转变，硅含量较高能够延缓这一转变。研究表明，回火过程中 M-A 组织形态的改变由于碳的扩散不能被描述为逐步“收缩”现象。关键词：焊接，热影响区，M-A 组织，结构钢1. 前言众所周知，焊接过程中热循环对结构钢母材的显微组织和力学性能影响很深。从以往来看，焊缝强度的最低值与热影响区粗晶区（CGHAZ）有关。粗晶区靠近熔合线，在第一次加热的时候，几乎是马上就能获得很高的热量，而且，在多道次焊接过程中，对该区域再次加热只需要在低温下就能进行。在过去的二十年里，重点同样放在了亚临界再加热粗晶区的研究上，该区域脆性有时比较大。该区域对应于通过紧随其后的焊接道次在 Ac1A
3、c3 温度范围内再次加热过的粗晶区（CGHAZ ） 。亚临界区域中的组织转变导致焊接过程中部分基体组织转变为奥氏体组织（A ） 。由于焊接冷却速度快，奥氏体可能转变为珠光体（P ）或贝氏体（ B） ，在特定的区域中，也可能更多地转变为马氏体（ M） 。若基体组织的淬透性足够高，奥氏体为稳态组织。因为马氏体转变开始点低于室温。因此，M-A 组织就是以这样的方式形成的。C 和 Si 通过下述机制促进 M-A 组织的形成：如果冷却速度和钢的成分组成与 HAZ 中 B 转变相同，则形成铁素体（ F） ，同时伴随有C 向渗碳体中的迁移。由于 Si 在该组织中的溶解度非常低，该最后添加元素分布于渗碳体和未
4、转变 A 的界面上，以减缓渗碳体的生长，并有利于 A 稳定和 M-A 组织的形成。在力学性能方面， ，这些组织被认为是 HAZ 强度降低的主要原因之一。一些研究指出，HAZ 强度不仅受 M-A 组织体积分数的影响，还与这些组织的形态有关。目前的工作就是致力于这方面的研究，更为主要的是阐明焊接热循环和 Si 的添加量对亚临界再加热粗晶区（ICCGHAZ）中 M-A 组织的形成和组织形态的影响。2. 实验2.1 实验材料40 通过真空感应熔炼准备好三种 Si 含量在 0.0030.315wt.%之间变化的低碳钢。将15kg 重、60mm 厚的试样块重新加热到 1100，然后辊压称 12mm 厚的板
5、。这三种钢板（A1-A3）的化学成分如表 1 所示。此外，已经通过可控辊压和快速冷却制得一 40mm厚的钢板，检测之后用作对比（见表 1 中 B1 钢） 。在这些钢板上沿着垂直于辊压的方向加工出 11mm11mm90mm 的试样来。在铸造过程中，试样是从钢板 1/4 厚的地方加工而成。表 1 工业及实验室用钢的化学成分（wt.%）钢号 C Mn Si S P Ni Ti NA1 0.081 1.570 0.003 0.003 0.009 0.310 0.016 0.005A2 0.081 1.550 0.091 0.003 0.009 0.311 0.016 0.005A3 0.076 1.5
6、50 0.315 0.003 0.009 0.308 0.016 0.005B1 0.079 1.450 0.084 0.005 0.015 0.358 0.013 0.0062.2 焊接热循环模拟焊接热循环模拟是在一个动态的热模拟机（Gleeble1500）上进行，它的基本原理在于耐高温。尽管多道次焊接中的热循环非常复杂，实验表明热模拟最高能产生三个不同的峰值，能令人满意地描述焊接过程。将焊缝热影响区粗晶区（CGHAZ）模拟（一个峰值循环）加热到 1350（500K/s，停留时间 1s） 。采用 1350+Tp2 循环模拟焊接热影响区中亚临界再加热粗晶区（ICCGHAZ） 。Tp2 能够指出
7、第二个峰值，大约在 Ac1-Ac3 之间。通过快速加热的初步试验表明 Ac1 和 Ac3 分别相当于大概 725 和 920，Tp2 的温度根据情况来选定。最后，三个峰值的热循环通过 1350+ Tp2+ Tp3 来模拟。由于多道次运行，Tp3 能够重新产生一次回火过程，温度在 375520之间。在所有试验过程中，选择使用了一个特殊的用 s（相当于 s）来描述的冷却速度。1073t 3085t2.3 M-A 组织的特点将模拟试样进行机械抛光和电解腐蚀之后，对 M-A 组织进行观察。随着 Ikawa et al.，采用碱性苦味酸钠溶液（2g 苦味酸，25g 氢氧化钠，100ml 蒸馏水）在 6V
8、 电压下腐蚀 2min。结果是，铁素体基体保持未腐蚀状态（图 1 中光学显微镜下的灰色组织） ，同时，碳化物优先腐蚀，显示为黑色，M-A 组织为白色。在 1500放大倍数下用光学显微镜进行观察。标准的特点描述应包括含有几百个 M-A 组织的 15 个视野的组织观察。41 图 1 含有 M-A 组织的 ICCGHAZ 显微组织示意图。采用碱性苦味酸钠腐蚀，光学显微镜观察用 Noesis 公司研发的一种软件“Visilog” ，对光学显微图片进行数字加工。第一步，将数字图片通过提供一个磁滞临界点转变为二进制图片。图片处理连续的“侵蚀”和“修复”功能有助于抑制在金相制备过程中因表面效应一些产物的产生
9、。但并没有改变真正的 M-A 组织。对 M-A 组织的边界进行精加工，以防高估了周边长度。从二进制图片（见图 2）起，开始测定 M-A面积分数和累积周长（对应于 M-A 组织和基体之间的边界长度）等参数。遏制与图像边界相连的 M-A 组织显示之后，开始对每一种组分进行鉴定。 “被标定”的图像如图 3 所示。图 2 通过图像处理技术（来自图 1 所示的初始显微图像）鉴定过的 M-A 组织的二进制图像42 图 3 与边界无关的独立的及被标定的 M-A 组织每一个 M-A 组织的特点都分别用形貌参数描述过了，包括：面积，最大尺寸了Lmax 和最小尺寸 Lmin（在图像分析过程中，该值以最小和最大费雷
10、特直径来表示，如图 4 所示） 。图 4 L max 和 Lmin 的定义例如，图 5 显示了图 1 中所示 M-A 组织的最大尺寸的重新划分。图 5 对应于图 1 中显微组织的 M-A 组织最大尺寸的重新划分最大尺寸与最小尺寸之比 Lmax/Lmin 表明了每个粒子的伸长率，并相当于许多研究人员所用的“长度”或“长宽比” 。在接下来的实验中，结果都与面积分数、最大尺寸、长宽比有关。3. 结果与讨论43 3.1 热循环和硅含量对未回火 ICCGHAZ 的影响图 6 显示了含有第二个峰值温度的 M-A 组织表面分数的变化：从一个较低的值开始（对应于 M-A 组织在初始 CGHAZ 组织中很稀少的
11、情况） ，M-A 组织的面积分数上升到一个最大值（M-Amax ） ，然后在高于 850的温度下降低至一个极低的值（可忽略不计） 。图 6 硅含量和第二峰值温度对 ICCGHAZ 中 M-A 表面分数的影响这种行为可用两种相反现象的叠加效果来解释：1）一方面，在加热过程中，参与转变的奥氏体所占分数增多，因为第二（亚临界处理）峰值的温度比较高。这类奥氏体可转变为 M-A 组织。2）另一方面，奥氏体的均匀化因 C 的扩散使温度升高。因此，当亚临界处理温度升高时，这种新形成的奥氏体的淬透性降低，并且 M-A 组织也将会不易生成。max 指出了能形成最多 M-A 组织的温度，大约为（Ac1+20-50
12、） ，比（）的转变温度降低了 10%。一个值得注意的结果是 M-A 组织的形成是在低于 Ac1 的温度下开始的：这一明显矛盾的产生是由于用膨胀仪在“宏观”范围内测定的 Ac1，没有把一些发生在局部区域的非常有限的向奥氏体的转变考虑在内，这些区域的化学组成与名义上的相差甚远（高的 C 含量，偏析带，等等） 。因此，名义上的 Ac1 应认为是对钢整体组成的描述，而早期形成的 M-A 组织是依附于局部构成而形成的 M-A 颗粒（Lmax 2m，长宽比 4） 。先前的研究表明 M-A 面积分数不应看作判定强度退化可能性的唯一标准，因为 M-A组织的形态也很重要：特别是，最大的 M-A 或 M-A 的最
13、大部分对强度尤为不利。图 7 表明温度对这些脆化组织外观的影响总体来说与图 6 中所显示的相同。在2030下，亚临界区域内形成的脆化组织的最大密度比在 Ac1 温度下形成的高，即后面44 所说的（NM-A）max 。图 7 硅含量和 ICCGHAZ 中第二峰值温度对脆化最严重的 M-A 组织密度的影响由图 7 可以看出，硅不仅能提高最大密度（NM-A）max，还增大了 M-A 脆化发生的温度范围。换言之，可以预测到，在实际的焊接过程中，硅不仅能提高 M-A 的密度，还能增大这些组织所在的 HAZ（例如，局部脆性区域）的宽度。图 8 总结归纳了这些结果，而且表明硅对 M-A 组织（无论是（M-A
14、）max 表示的还是（NM-A）max 表示的）的影响在所研究的区域中是线性相关的。图 8 硅含量对 M-A 最大表面分数和 ICCGHAZ 中脆化最严重的 M-A 颗粒密度的影响45 图像分析是一个描述和量化不同 HAZ 热循环下 M-A 组织形态变化的比较方便的途径：每一个 M-A 颗粒都可以用它的最大长度 Lmax 和长宽比或者长度来描述其特性。为了简单起见，大于 2m 的颗粒定为大颗粒，而长宽比大于 4 的颗粒为长颗粒。因此，对于一个给定的 HAZ 热循环，M-A 的量完全可以通过在一个平面里的空间表现形式（长宽比）来描述，在这个平面里，每个数据都可用一个单独的 M-A 颗粒来表述其特
15、性。考虑到 A1-A3 三种钢的化学成分，并参考对 2000 个组织的分析，图 9 给出了在（1350+s，CGHAZ 热循环）下加热后的 M-A 组织的形态。通过对比，亚临界区域1073t（1350+810 ）中的 M-A 组织形态如图 10 所示。在粗晶区和亚临界区域中，M-A 组织以小尺寸（小于 2m）和块状（长宽比4）为主。根据热循环，脆化最严重的组织（大块状 M-A）占全部 M-A 的 20%30%。图 9 CGHAZ 中的 M-A 组织形态（最大尺寸和长宽比）46 图 10 ICCGHAZ（1350+810 ， s）中的1073tM-A 组织形态（最大尺寸和长宽比）通过比较图 9
16、和图 10，表明对亚临界区域进行加热对大尺寸和长条状的 M-A 组织的比例几乎没影响，但能增大 M-A 组织的平均尺寸。主要结果是小块状组织的相对减少（从 80%减少到 64%） ，而大块状组织含量增加（从 18%增加到 35%） 。同时，大块状组织的尺寸明显增大：成分大于 5m，这在 CGHAZ 中非常罕见，但在 ICCGHAZ 中却能清楚的显示出来。表 2 显示了大于 3m 的 M-A 颗粒在 CGHAZ 中仅占 M-A 总量的 5%，但在 ICCGHAZ 中却占了 15%。此外，ICCGHAZ 中的 M-A 的平均尺寸比 CGHAZ 中的大了约 0.5m。这个结果与先前 Yokoyama
17、 et al.所做的研究相符。表 2 CGHAZ 或 ICCGHAZ 中 M-A 组织尺寸的描述M-A 总量Lmax 2m的 M-ALmax3m的 M-ACGHAZ 平均尺寸 1.4m 2.8m 3.9m（1350） 在 M-A 总量中所占比例100% 20% 5%ICCGHAZ 平均尺寸 2m 3.2m 4.3m（1350+810）在 M-A 总量中所占比例100% 36% 15%测微计中的值为平均尺寸。对于一个给定的 M-A 面积分数，在这些组织的尺寸增大的同时，组织之间的距离也47 在变化。这就增大了 M-A 岛状组织上的有效应力，而且促进了 M-A 组织与基体间晶界上裂纹的产生。因此，
18、这种组织形态的改变也许就是 ICCGHAZ 比 CGHAZ 更脆的原因。3.2 回火处理和硅含量对 M-A 组织形态的影响正如 2.2 中所阐述的那样，第三循环温度 Tp3 由于多道次焊接可以再次产生一次快速回火的过程，以用于试样 ICCGHAZ 的模拟。就结果而言，一定比例的 M-A 组织有向Fe-C 化合物转变的趋势。图 11 显示了第三峰值温度对 M-A 总量的影响，或者更具体的说，对大块状 M-A 组织的量的影响（见图 12） 。图 11 第三峰值温度 Tp3（循环： 1350+ max+ Tp3）对亚临界 HAZ 中 M-A 表面分数的影响图 12 第三峰值温度 Tp3（循环： 13
19、50+ max+ Tp3）对48 亚临界 HAZ 中脆化最严重的 M-A 组织的影响M-A 组织的转变要在第三峰值回火过程高于一定的温度才能发生，这要根据硅的含量来确定：250对应于 Si=0.09%，400对应于 Si=0.31%。即使在高的回火温度下，M-A 组织也是在硅含量高的钢中出现的较多。因此，硅对于多道次焊接过程中形成的局部脆化区域而言是有害的，包括未回火区和回火区。这些数据也验证了其他研究人员所得出的结论，即伴随着回火处理，M-A 岛状组织的平均尺寸和最大尺寸减小。尽管图 11 和图 12 指出了一种 M-A 组织的转变，但它们却没有针对基本现象给出任何表示：是否会有一种特定的组
20、织转变发生在其它组织之前，或者是否可能看到所有的M-A 组织的转变同时发生的现象？为了回答这个问题，按照不同的步骤对 M-A 组织的尺寸分布进行了测定：在初始阶段（亚临界 HAZ） ，和分别在 375、425、470、520 回火之后（见图 13） 。图 13 第三峰值温度 Tp3（循环： 1350+ max+ Tp3）对A3 钢中 M-A 组织的最大尺寸分布的影响同时，从与图 13 中相同的初始分布开始，对同时发生的和同种类的 M-A 组织转变的基础进行计算：由于这个事件的产生受 C 的扩散的控制，假设当所有的组织从它们的边界开始逐步减少时能够看到这种现象，那么这种假设就是可信的。该现象相当于 M-A组织明显的“收缩” 。这种情况已经通过计算和图像分析以及 M-A 组织统一的片层移动的数码图片进行了模拟。因此，尺寸分布可以在统一的片层移动（“腐蚀” ）之后计算，这些片层大小为 0.16m、 0.32m、0.48m、（相当于图像分析中的 1、2、3、像素） 。计算结果如图 14 所示。
