焊缝中针状铁素体行核机制及对强韧性的影响

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1、焊缝中针状铁素体形核机制及对强韧性的影响0引言AF（针状铁素体）低合金高强钢焊缝中常见的一种铁素体，其综合的机械性能优异，具有良好的韧性，可以很好的改善焊接接头的机械性能。低合金高强钢(HSLA)焊缝金属的固态相变较为复杂，其最终组织取决于焊缝金属的化学成分和冷却速度。焊缝金属性能优良的最理想组织是获得大于65%的AF组织，其平均板条尺寸约为1μm，当AF板条由2.4μm减小到1.4μm时，-40℃冲击韧性能量变化40J，相当于焊缝金属组织中AF的体积分数由30%增加到80%时V型缺口冲击试验能量的变化。因此近年来从不同的角度对AF形核及影响机理进行了大量的研究，但十分遗憾的是到

2、目前为止对于AF形核机制及其控制还没有统一的观点，AF在焊材设计中的工程应用还处于非可控的阶段。尽管如此，对AF形核及其影响研究仍然有助于在焊接材料设计中对焊缝组织有效控制和利用。此外，随着对于焊接接头抗裂性及疲劳性能要求增加，扩散氢含量最低达到3.0ml/100g，抗冷热裂性能进一步增强。焊接材料工艺性的设计主要集中在全位置焊接性能、飞溅、烟尘及高效率等的进一步改进和提高上。1.低合金高强钢焊缝金属的韧化1.1AF的形核机制目前针对焊缝金属中AF的四种形核机制存在不同的观点：(1)高能惰性基体形核理论认为夹杂物作为惰性介质形核界面，降低激活能促进了AF的形核。然而D.S.Sar

3、ma却指出，夹杂物尽管提供了形核需要的外表面，但是并不等同于晶界。铁素体在夹杂物表面上异质形核的激活能通常高于在奥氏体大角度晶界上异质形核的激活能。铁素体在夹杂物上异质形核的激活能比均匀形核的激活能低，随着夹杂物直径的增大，激活能之比降低且总小于1.0如图1。因此，夹杂物作为AF异质形核中心，其大小和数量对焊缝金属组织改善至关重要。图1夹杂物半径对铁素体异质形核能△G(het.)*及均匀形核能△G(hom.)*的影响(2)共格界面形核理论认为AF与夹杂物良好的晶格匹配性降低了形核的激活能，由于铁素体与奥氏体之间的位相关系约束作用，夹杂物和铁素体之间及铁素体和奥氏体之间要获得合适的

4、位相关系非常困难，所以AF优先在夹杂物表面形核。图2为TiC和WC两种化合物分别与δ-Fe之间晶格匹配关系，可以看出δ-Fe与TiC之间的错配度低于与WC之间的错配度，因此TiC对AF形核有利。通过对TiN、TiC、SiC、ZrN、ZrC和WC六种化合物有效形核时的平面错配度和过冷度的计算表明：TiN和TiC的点阵错配度最小；ZrC和WC具有非常高的点阵错配度及过冷度，对形核不起作用；SiC和ZrN处于两者之间。夹杂物要与铁素体间具有低的错配度，必须具有简单的晶体学取向关系，夹杂物要成为形核质点必须具有一个高的过冷度。夹杂物表面和形核铁素体之间的位相关系比铁素体和奥氏体之间重要。

5、也有研究表明，通过在钢中用TiN及其它夹杂物进行孕育处理，证明晶格匹配不是影响AF形核的主要因素。(3)热力学驱动形核理论认为夹杂物导致奥氏体基体中C、Mn、Si等强化元素的贫化，从而局部增加了夹杂物表面铁素体形核的热力学驱动力。贫Mn区(MDZ)中Mn元素含量对夹杂物表面铁素体形核能垒的影响如图3所示。可见MDZ中铁素体异质形核的激活能随着Mn含量的减少而降低。因此，在Mn含量非常低(约为0%)时，铁素体更容易在直径大于1μm的夹杂物表面形核。图3不同Mn含量的钢中MDZ中夹杂物尺寸对铁素体异质形核激活能的影响(4)高应变能形核理论认为奥氏体和夹杂物之间热膨胀系数的不同，可引起

6、奥氏体和夹杂物的界面存在热应力，热应力会降低铁素体形成的激活能。图4是奥氏体基体中不同夹杂物的热膨胀系数(△α)与AF在夹杂物上形核率的关系图。可以看出，相对于其它夹杂物，奥氏体和MnS或铁的氧化物间△α最小。夹杂物附近基体收缩诱发的应力是非常小的。MnS和铁的氧化物对于AF形核不起作用。夹杂物上AF形核率随着△α值的增加而增大。因此，Mn-Al基或Al基硅酸盐系对AF形核有用。图4奥氏体基体中不同夹杂物的热膨胀系数与AF形核率的关系[10]1.2夹杂物对AF形核的影响焊缝金属中夹杂物的大小、数量、成分、冶金等因素对AF形成至关重要。随着夹杂物直径从0到1μm的增大，夹杂物颗粒表

7、面积增大，AF在夹杂物上异质形核能垒降低。但当夹杂物直径大于1μm时，形核能垒只轻微降低，因此再进一步增大夹杂物直径将没有意义。作为AF异质形核的夹杂物颗粒直径的极限值为1μm见图5。图6为焊缝金属中所有夹杂物和可促使AF形核的夹杂物分布情况，可以看出AF形核数量最多的地方对应的夹杂物直径范围为0.5-0.8μm。然而，在这些夹杂物上AF形核率却比在直径大于1μm的夹杂物上形核率小[3]。RamirezJE却认为夹杂物直径的平均值和最大值分别在0.3-0.6μm、0.9-1.7μ