超低碳贝氏体钢HAZ组织、性能及硼分布

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.0M.009 第21卷第4期 北京科技大学学报 Vol.21 No.4 1999年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1999 超低碳贝氏体钢HAZ组织、性能及硼分布 王学敏)杨善武”贺信莱”汪美蔷” 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)武钢技术中心 摘要用Gleeble-1500热模拟机对Cu-Nb-B系超低碳贝氏体钢进行不同焊接工艺下热模拟试 验，选定峰值温度为1340℃，高温停留0.5s,1,分别取30,45,60s.研究了焊接热影响区(HAZ) 组织、性能和硼的分布.结果表明：此类钢在不同焊接条件下，焊接热影响区均具有较好的低温 韧性和较低的韧脆转变温度.进一步探讨了不同：对钢中贝氏体组织组成及形态的影响，以 及组织和低温韧性的关系.用径迹显微照相技术(PTA)显示了硼在热影响区的行为， 关键词低碳贝氏体钢；焊接热影响区；硼分布 分类号TG111.7 超低碳贝氏体钢(ULCB钢)是近20多年来 1.2试验过程 国际上新发展起来的一大类高强度、高韧性、多 热轧板厚6mm,平行于轧向取样，尺寸为5.5 用途钢种.这类钢强韧性匹配极佳，尤其是焊接 mm×12mm×70mm.加工面经粗磨后在Gleeble- 性能较传统的铁素体珠光体钢种有大幅度提高， 1500上进行一次焊接热循环实验.根据生产中的 因此，近年来该钢种被广泛用于寒冷地带的油汽 实际焊接过程及三维传热模型，选定实验参 管线、海洋设施及舰船等方面. 数：加热速率v为300℃s,蜂值温度0，为1340℃， 同时，硼作为提高淬透性、控制组织结构的 高温停留时间t4为0.5s,冷却时在800-500℃间 微量元素，在超低碳贝氏体钢的发展中有很特殊 的冷却时间ts选用30,45,60s来分析冷速对钢 的作用，分析硼在钢中的分布状况对了解硼的作 焊接热影响区的影响.典型的热模拟曲线如图1. 用十分重要.PTA技术四是目前国内外分析不同 热模拟后的样品加工成5mm×10mm×55mm的 显微区域硼浓度及分布状态的有效方法.当前， 冲击试样进行示波冲击实验 此技术探测灵敏度为10，空间横向分辨率为 表2模拟曲线参数 2um,并可区分直径为0.2um以上的小硼相.本文 组号 v/℃·s 0/℃ ta/s tuys 通过对一类含Cu超低碳贝氏体钢进行焊接热模 D 300 1340 0.5 30 拟试验，分析其焊接热影响区组织、性能等，从而 E 300 1340 0.5 45 了解此类钢的焊接性能，为实际生产提供依据. F 300 1340 0.5 60 1试验材料与方法 1204 1.1试验材料 所用钢板是在武钢80t转炉上采用氧气顶底 937 实际跟踪曲线 复合吹技术冶炼的，并进行了真空炉外精炼后连 669 铸、连轧.其化学成分如表1所示.试验钢板含 0.16%Cu,碳和硼含量均偏高. 401 程度设定曲线 表1试验钢成分（质量分数） % C Si Mn S P Cu Nb Ti Ba 134 0.0630.331.430.0070.0150.160.0570.0160.0016 0 0 19.6 39.258.8 76.496.1 tis 1999-03-01收稿王学敏男，27岁，博士 图1典型热模拟曲线

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 超低碳贝氏体钢 组织 、 性能及硼分布 王 学敏 ‘ ’ 杨善武 ” 贺信莱 ‘ ’ 汪 美蔷 ， 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 武钢技术中心 摘 要 用 一 热 模拟机对 一 一 系超低碳 贝 氏体钢 进行不 同焊 接工 艺 下 热 模拟 试 验 ， 选定峰值温度为 ℃ ， 高温停 留 ， ， 分 别取 ， ， 研究 了焊接 热 影 响区 组织 、 性能和 硼 的分布 结果表 明 此类钢 在不 同焊接条件下 ， 焊接热 影 响区均具有较好 的低温 韧性和 较低 的韧脆转变温度 进一 步探讨 了不 同 介， 对 钢 中贝 氏体组织 组成及 形 态 的影 响 ， 以 及 组织和 低温韧性 的关系 用径迹 显 微 照 相 技术 显 示 了硼 在热 影 响区 的行 为 关键词 低碳 贝 氏体钢 焊 接热 影响 区 硼 分 布 分 类号 超低碳 贝 氏体钢 「，〕 钢 是近 多年来 国际上新发展起来的一大类高强度 、 高韧性 、 多 用途钢种 这类钢 强韧性 匹配极佳 ， 尤其是焊接 性 能较传统 的铁素体珠光体钢种有大 幅度提高 因此 ， 近年来该钢种被广泛用于 寒冷地带 的油汽 管线 、 海洋设施及舰船等方面 同时 ， 硼 作为提高淬透性 、 控制组织结构 的 微量元素 ， 在超低碳 贝氏体钢 的发展 中有很特殊 的作用 ， 分析硼在钢 中的分布状况对 了解硼 的作 用十分重要 技术 ‘ 是 目前 国内外分析不 同 显微区域硼浓度及分布状态 的有效方法 当前 ， 此技术探测 灵敏度 为 一 ， 空 间横 向分 辨 率 为 娜 ， 并可 区分直径为 林 以上 的小硼 相 本文 通过对一类含 超低碳 贝 氏体钢 进行焊接热模 拟试验 ， 分析其焊接热影响区组织 、 性 能等 ， 从而 了解此类钢 的焊接性能 ， 为实际生产提供依据 试验过程 热轧板厚 ， 平行于轧 向取样 ， 尺寸为 们 加工面经粗磨后在 上进行一次焊接热循环 实验 根据 生产中的 实际焊接过程及 三维传热模型 【，’ ， 选定 实验参 数 加热速率 为 ℃ ， 峰值温度氏为 ℃ ， 高温停 留时间 扣 为 ， 冷却 时在 一 ℃ 间 的冷却 时间 ， 选用 ， ， 来分析冷速对钢 焊接热影响区 的影响 典型的热模拟 曲线如图 热模拟后 的样 品加工成 ‘ 巧 的 冲击试样进行示波冲击实验 表 模拟 曲线参数 组号 ℃ 一 ‘ 肠 ℃ 八 ， ，呼月了 ︸七甘飞 一 门内 ︸ 试验材料与方法 试验材料 所用钢板是在武钢 转炉上采用氧气顶底 复合吹技术冶炼的 ， 并进行 了真空炉外精炼后连 铸 、 连轧 其化学成分如表 所示 试验钢 板含 ， 碳和硼含量均偏高 表 试验钢成分 质 分数 总 十一 ， 实际跟踪 曲线 程度设定曲线 ‘峙，月护几卫 趁尸 一 收稿 王学敏 男 ， 岁 ， 博士 图 典型热模拟曲线 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．04．009

·350 北京科技大学学报 1999年第4期 2试验结果与讨论 的冲古功在153.3J.其他2种样品的韧性也比较 好，在一40℃时，=60s的样品，冲击功达 2.1试验钢原始组织及力学性能 92.4J,-30s的样品，冲击功为65.4J. 试验钢的原始状态为热连轧态，其纵向样经 硝酸酒精浸蚀，组织如图2()所示.由图看出，它 囊2热横拟后样品冲击试验结果 主要由粒状贝氏体组成，在基体中混杂有部分板 组号 心 E/ E/ E/ 平均值kg.m kg'm kg'm EJE 条贝氏体及极少量沿晶界渗碳体或离散形珠光 25179.3617.3163.6081.000.78 体，由于热连轧非再结晶区变形量很大，样品上 0177.5016.1564.5380.040.81 变形条带（及M-A岛排列）比较明显.同样的试样 D -20165.1316.0558.4574.630.78 再经抛光后，进行中子活化实验，累计热中子辐 -40 65.389.68 20.3230.04 0.68 -60 16.984.263.78 8.090.47 照通量为1×10”个/cm,探测膜用7.5mol的 25217.0715.8681.1397.020.84 NaOH水溶液侵蚀，显示对应样品的硼分布状态 0210.8716.8073.5890.420.81 如图2b.由图可见，这时样品中存在有少量细小 E -20164.0516.37 60.93 77.570.78 -40 153.3016.16 54.13 70.34 硼相，主要集中在变形条带区，同时，在拉长的原 0.77 -60 16.754.66 4.03 8.780.46 奥氏体晶粒内部的细小的亚晶（或粒贝）边界上 25197.3816.3172.6789.040.82 也看到有少量阴的偏聚 0186.4517.6166.9084.500.79 F -20 97.199.90 35.0845.03 0.78 -40 92.4011.8331.16 43.05 0.72 -60 39.987.6511.6119.350.60 图2试验钢的轧态组织与哪分布 ()金相组织，(b)丽分布 试验钢的轧态力学性能为：a,为610MPa,G 为685MPa,6为20%，屈强比为0.89，冷弯试验 (d=2a,180)完好，纵向韧性很好，-40℃冲击功 250 (b) 为207J.其冲击性能明显优于国际同类钢水平. 200 2.2试验钢焊接热影响区组织、性能分析 焊接热模拟后的样品在TORSEE CIEM-30- 150 D30kgm冲击试验机上进行示波冲击试验，试 3 100 验温度范围为-60-25℃.同一温度下选用3个试 D 样进行了试验，表中所列值为3个值的平均，各组 50 E F 试样的试验结果如表2所示，表中同时给出冲击 0 功中裂纹形核功E,和撕裂功E,,典型示波冲击 -60-40-20 02040 曲线如图3a,试样冲击功-温度曲线如图3b所 a/℃ 示. 图3典型示波冲击曲线()和冲击功曲线() 由冲击功一温度曲线确定的韧脆转变温度 2.3焊接热模拟后样品的金相组织 分别为1=30s时-35℃：a,=45s时-45℃：1，= 热模拟后样品金相组织如图4.由图可见，在 605时一20℃.由上述结果可见，3种不同冷却速 所采用的1，范围内，冷却后得到的是2种类型组 率下，焊接热影响粗晶区均能得到较低的韧脆转 织的混合物.冷却速度为10℃s(图4a,1.=30s) 变温度，其中，1s=45s的样品韧性最好，一40℃ 时，主要由板条状贝氏体组成(>80%)，板条状

VoL.21 No.4 王学敏等超低碳贝氏体钢HAZ组织，性能及睡分布 351· 贝氏体团的尺寸较大，板条细长而平直，几乎贯 比较小，板条也更窄.随着冷却速度的进一步降 穿整个原始奥氏体晶粒，有的板条被少量粒状贝 低，在5℃5（图4c,1,=60s)的样品中，粒状贝氏 氏体团分剂.冷却速度为6.7℃s时（图4b,1= 体的比例明显增大，占70%以上，粒状贝氏体团 53),样品中板条状贝氏体所占比例下降，约为 的尺寸也明显变大，少量板条贝氏体混乱分布在 60%,大量细小的粒状贝氏体团弥散分布在原始 粒贝团之间. 奥氏体晶粒内，具有相同取向的板条贝氏体长度 从组织观察中发现，在，=455时，由于在板 图4焊接热模拟后样品中的金相组织a30s(b45s(c160s 条贝氏体生成以前L心经有一定量的粒状贝氏体 在本文中，研究的钢中碳含量较高并加入了 生成，这些尺寸比较小、所占比率足够大（约占 少量Cu,钢的屈服强度比文献[6]所用钢板高100 40%)、弥散分布的粒状贝氏体团（具有各种形 MPa左右，韧性略有下降.与此同时钢材的淬透 状，以长条状为主)可有效地分隔后续转变的板 性进一步提高.因此在，=30s冷却时，得到的组 条贝氏体，所以相对于t=30s的样品，其板条贝 织80%以上是板条状贝氏体，并儿乎贯穿整个原 氏体的板条变得更细，同时板条长度变小.看来 始奥氏体晶粒，少量的粒状贝氏体对分割奥氏体 这种组织具有良好的低温韧性，在一40℃时冲击 晶粒、细化板条状组织的作用效果尚未充分发 功仍可达到153】.而，=60s样品中粒状贝氏体 挥.而当1，=45s时，相当比例(30%~40%)的粒 团的尺寸比较大，比率已达70%以上，生成的板 状贝氏体在板条贝氏体形成前形成，它们分割原 条贝氏体数量不多，所以其韧性不如，=45s的 始奥氏体晶粒，使进步转变时生成的板条贝氏 样品，但其一40℃冲击功仍可达到92.4J. 体变短，变窄，这时的效果很好.当然冷速更慢时 文献)]中曾研究了不含Cu的超低碳贝氏体 变成以粒状贝氏体为主，韧性义有所下降.看来 钢焊接热影响区的韧性.工作中发现，在采用与 在贝氏体组织中，粒状贝氏体占一定比例时（本 本文相似工艺热模拟后，=30s的试样低温韧 试验在30%~40%)它可以有效分割后续生成的 性最好，该作者认为由于这类钢淬透性较高，在 板条贝氏体，这种情况下，低温韧性最好.本试验 所示工艺范围（冷速在5~10℃/s)冷却后都能得 钢由于淬透性提高，在1=45s时出现这种情况， 到全贝氏体组织，但在不同冷速时，贝氏体的类 低温韧性最佳， 型不相同，在=305主要是板条贝氏体（约 24焊后样品中的需分布 80%),但在大的奥氏体晶粒内也产生少量粒状 径迹显微照相显示的不同冷却速度冷却后 贝氏体（又称为贝氏体（铁），它们分割了板条贝 试样中硼的分布状态如图5所示，从图可以看出： 氏体区.而在一45s或更长时间时，所得组织绝 ①3种样品中硼在原始奥氏体晶界上的偏 大部分是粒状贝氏体，板条贝氏体量较少(20% 聚均非常明显，在1=45s样品中，有的奥氏体晶 ~30%).由低温下断裂过程直接观察发现，以板 粒内部分为几个区域，各个区域的边界也显示有 条贝氏体为主并含有少量粒状贝氏体的组织对 比较弱的硼偏聚.在相应的金相组织中可以看 阻碍裂纹扩展最有效。这时，板条边界近似地起 到，一个奥氏体晶粒往往被分成好儿个贝氏体区 到了晶界作用，裂纹扩展时在板条边界处发生弯 域，看来，硼是偏聚在那些板条贝氏体团或粒状 折s,1. 贝氏体团的边界上，以前的工作表明，这种偏

0352- 北京科技大学学报 1999年第4期 聚主要是在贝氏体团形成过程中产生，贝氏体团 匀 之间有较大位相差，团的边界在定程度上也可 ②由照片可见，随着的增加，样品的原始 起晶粒边界作用.1=30s的样品中，由于生成的 奥氏体晶粒也越大，但样品的冲击韧性值却并未 板条贝氏体贯穿原始奥氏体晶粒，贝氏体团与原 随原始奥氏体晶粒增大而降低，在4，=45s时出 奥氏体晶界重合，所以奥氏体晶粒内部的硼比较 现最佳韧性.看来，在这类钢种所具有的组织情 均匀，，=605时，大的粒状贝氏体团几乎贯穿整 况下，Hal-Patch公式中的晶粒度概念应由贝氏 个奥氏体晶粒，奥氏体晶粒内部硼分布比较均 体团的尺寸来取代. 图5热惯拟后样品中的圆分布(aM-305.(b加一45sc)从60s 3结论 Elements on the Structure and Mechanical Propertes of ULCB Steels.J Mater Sci,1993,28:5169 (1)含少量Cu的贝氏体钢在不同的模拟焊接 2 He X L,Chu Y Y.Jonas JJ.The Grain Boundary Segreg- 条件下，热影响粗晶区均能获得良好的韧性，= ation of Boron during the Thermal Holding.Acta Metall. 45s的样品在-40℃时，冲击功达到153J. 1989,37:147 3陈楚焊接热模拟技术北京：机械工业出版柱，1988.53 (2)这类钢焊接模拟过程中，在很宽的范 4王立根，含锰铌罐超低碳贝氏体钢的可焊性研究：硕十： 围内焊接热影响区都能获得高强韧性的贝氏体 论文1.北京：北京科技大学，1992 组织，当原始奥氏体晶粒在相变时产生一定呈弥 5谭佃龙超低碳贝氏体钢的焊接影响区研究.焊接学报， 散分布的粒状贝氏体时，最终得到的板条状贝氏 1996.17(3):139 体组织更细小，这时低温韧性值更高 6 Edmonds D V.Structure-property Relationship in Bainitie Steels.Met Trans,1990,21(6):1527 参考文献 7杨兽武，醒在超低碳钢贝氏体相变中行为：博上论文] 1 Wang Shyichin .Rongiuan Hsieh.The Effect of Alloying 北京：北京科技大学，1997 Microstructure,Property and Boron Distribution of HAZ in An Ultra-low Carbon Bainitic Steel Bearing Cu-Nb-B Wang Xuemin.Yang Shanwu".He Xinlai",Wang Meiqiang" I)Material Science and Enginecing School.UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Technology Center,Wuhan Iron&Steel Group ABSTRACT Microstructure,properties and boron distribution of HAZ in an ultra-low carbon bainitic steel bearing Cu-Nb-B were investigated.Results indicated that excellent low temperature toughness could be ob- tained the HAZ.The influence of cooling time()from 800 to 500'C on bainitic morphology and the effect of microstructure on low temperature toughness were discussed.When cooled at medium rate,a part of granu- lar bainite forms at higher temperature and then the most part of austenite transforms into a finer lath bainite forms at lower temperature,this microstructure has better low temperature toughness. KEY WORDS ULCB steel;HAZ;impact toughness;boron distribution