钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及韧性的影响

工程科学学报，第39卷，第6期：846853,2017年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.6:846-853,June 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.005:http://journals.ustb.edu.cn 钛稀土复合处理对CMn钢粗晶热影响区组织及韧性 的影响 张圣华12，宋波2)，宋明明》，高启瑞2 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 3)武汉科技大学耐火材料与治金国家重点实验室，武汉430081 ☒通信作者，E-mail:songbo@metall.ustb.cdu.cn 摘要利用Gleeble--一l50OD热模拟机进行焊接热影响区热循环模拟实验，研究了在焊接热输入为65k·cm时稀土单独处 理和钛稀土复合处理对C一M钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的影响，并利用扫描电镜观察和分析了实验钢中的夹杂物和 冲击断口形貌，利用光镜观察了热循环模拟后实验钢中的微观组织.实验结果表明：稀土单独处理和钛稀土复合处理的试样 微观组织分别主要是晶界铁素体+块状铁素体+针状铁素体和晶界铁素体+晶内针状铁素体.经稀土单独处理的试样中夹 杂物为La,O,S+锰铝硅酸盐+MnS复合夹杂：钛稀土复合处理的试样中的夹杂主要是La2O,S+TiO,+锰铝硅酸盐+MnS复 合夹杂.钛稀土复合处理钢中的复合夹杂更细小，有利于形成细小的晶内针状铁素体.钛稀土复合处理极大地改善了实验钢 的焊接热影响区低温冲击韧性，比稀土单独处理对试样的冲击性能提升效果更好 关键词碳一锰钢：粗晶热影响区：针状铁素体：显微组织：冲击韧性 分类号TG142.1 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C-Mn steel ZHANG Sheng-hua,SONG Bo,SONG Ming-ming,GAO Qi-rui) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)State Key Laboratory for Refractories and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China Corresponding author,E-mail:songbo@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The influences of rare earth (RE)and Ti-RE complex treatment on the microstructures and toughness in the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ)of C-Mn steel were investigated using a Gleeble-1500D thermal simulator with input heat energy of 65 kJcm.The inclusions and impact fracture morphology were observed and analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray (EDX),and the microstructure was characterized using an optical microscope (OM).The results show that the microstructures in the CGHAZs of RE-and Ti-RE-treated samples are mainly grain boundary ferrite (GBF)+polygonal fer- rite (PF)+intragranular acicular ferrite (IAF)and grain boundary ferrite intragranular acicular ferrite,respectively.Inclusions in the RE-treated specimen are La,O,S Mn-Al-Si-0 MnS,while those in the Ti-RE-treated specimen are La,O,S TiO, Mn-Al-Si-0 MnS.The complex inclusions in Ti-RE-treated steel are smaller than those in RE-treated steel,and the size of IAF in Ti-RE-treated steel is smaller.The impact properties of the CGHAZ in Ti-RE-treated C-Mn steel is improved significantly,and the material is tougher than RE-treated steel. 收稿日期：2016-10-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274269)

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期: 846--853，2017 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 6: 846--853，June 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 06． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 钛稀土复合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及韧性 的影响 张圣华1，2) ，宋 波1，2) ，宋明明3) ，高启瑞1，2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 3) 武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081 通信作者，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn 收稿日期: 2016--10--10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274269) 摘 要 利用 Gleeble--1500D 热模拟机进行焊接热影响区热循环模拟实验，研究了在焊接热输入为 65 kJ·cm － 1时稀土单独处 理和钛稀土复合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的影响，并利用扫描电镜观察和分析了实验钢中的夹杂物和 冲击断口形貌，利用光镜观察了热循环模拟后实验钢中的微观组织． 实验结果表明: 稀土单独处理和钛稀土复合处理的试样 微观组织分别主要是晶界铁素体 + 块状铁素体 + 针状铁素体和晶界铁素体 + 晶内针状铁素体． 经稀土单独处理的试样中夹 杂物为 La2O2 S + 锰铝硅酸盐 + MnS 复合夹杂; 钛稀土复合处理的试样中的夹杂主要是 La2O2 S + TiOx + 锰铝硅酸盐 + MnS 复 合夹杂． 钛稀土复合处理钢中的复合夹杂更细小，有利于形成细小的晶内针状铁素体． 钛稀土复合处理极大地改善了实验钢 的焊接热影响区低温冲击韧性，比稀土单独处理对试样的冲击性能提升效果更好． 关键词 碳--锰钢; 粗晶热影响区; 针状铁素体; 显微组织; 冲击韧性 分类号 TG142. 1 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C--Mn steel ZHANG Sheng-hua1，2) ，SONG Bo1，2)  ，SONG Ming-ming3) ，GAO Qi-rui1，2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) State Key Laboratory for Ｒefractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China Corresponding author，E-mail: songbo@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The influences of rare earth ( ＲE) and Ti--ＲE complex treatment on the microstructures and toughness in the coarse grain heat-affected zone ( CGHAZ) of C--Mn steel were investigated using a Gleeble--1500D thermal simulator with input heat energy of 65 kJ·cm － 1 ． The inclusions and impact fracture morphology were observed and analyzed by scanning electron microscopy ( SEM) and energy-dispersive X-ray ( EDX) ，and the microstructure was characterized using an optical microscope ( OM) ． The results show that the microstructures in the CGHAZs of ＲE--and Ti--ＲE--treated samples are mainly grain boundary ferrite ( GBF) + polygonal fer￾rite ( PF) + intragranular acicular ferrite ( IAF) and grain boundary ferrite + intragranular acicular ferrite，respectively． Inclusions in the ＲE-treated specimen are La2O2 S + Mn--Al--Si--O + MnS，while those in the Ti--ＲE--treated specimen are La2O2 S + TiOx + Mn--Al--Si--O + MnS． The complex inclusions in Ti--ＲE--treated steel are smaller than those in ＲE-treated steel，and the size of IAF in Ti--ＲE--treated steel is smaller． The impact properties of the CGHAZ in Ti--ＲE--treated C--Mn steel is improved significantly，and the material is tougher than ＲE--treated steel．

张圣华等：钛稀土复合处理对C-M钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 ·847· KEY WORDS carbon-manganese steel:coarse grain heat-affected zone (CGHAZ);acicular ferrite (AF);microstructure:impact toughness 随着焊接技术的进步，单面埋弧焊、电渣焊和气 复合处理组织中的针状铁素体更加细小；Nako等☑ 电焊等大线能量焊接技术的广泛应用使得焊接效率 发现TiRE-Zr复合氧化物夹杂比Ti、AI氧化物更有 得到了大幅提高，同时焊接结构的体积越来越大、焊 利于针状铁素体的形核.目前，有关钛稀土复合处理 接时要求的参数越来越高，这就要求钢材具备更高 对C-Mn钢粗晶热影响区组织及性能的影响还鲜有 的焊接性能.大量研究表明钢材在焊接热循环 研究.本文利用Gleeble-l500D热模拟机研究在焊 过程中由于焊接热影响区冷速的不同会产生不同的 接热输入为65kJ·cm时稀土单独处理和钛稀土复 组织，进而导致焊接热影响区性能的差异，其中粗晶 合处理对C-M钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的 区的组织最为粗大，其韧性和强度较差.20世纪80 影响，为稀土处理改善C一M钢焊接热影响区的性 年代以来，国内外很多学者研究认为以夹杂物为形 能提供依据. 核核心形成的细小、交错的针状铁素体组织可以提 高钢焊接热影响区的韧性和强度P,60.1990年氧 1实验方法 化物治金技术被提出以后，很多学者研究了不同氧 为对比实验效果，共治炼出3种不同成分的钢，分 化物诱导形成针状铁素体的能力和机理.关于钛氧 别为未进行合金处理的TRI钢，经La单独处理的 化物的研究2-发现Ti,0,夹杂能促进Ti脱氧C-Mn TR2钢和经La、Ti复合处理的TR3钢.将5.5kgC- 钢中晶内针状铁素体的形成：Lee和Pan圆认为Ti的 Mn钢在真空感应炉中加热至熔清，精炼2min后， 硫氧化物比Ti氧化物和Ms夹杂诱导形成针状铁 TR1钢不做变质处理，TR2钢和TR3钢分别加入La 素体更有效：Song等研究表明当Mg的质量分数 和La、Ti进行变质处理，保温3min后浇铸进钢锭模中 为0.0015%~0.0026%时，含Ti0.008%左右的C- 空冷至室温.成型的锭子加热到1200℃开锻，900℃ Mn钢中的Ti-MgO+MnS复合夹杂对针状铁素体 终锻，成为直径15mm的棒材.随后对其进行700℃保 形核最有利：Song等a还发现稀土La和Ce均可促 温30min的退火处理，以消除内部应力.实验钢的成 进针状铁素体形成，且当La和Ce添加比例为3：1时 分见表1. 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of tested steels 试样编号 C Si Mn P Al T雪 La 0 TRI* 0.15 0.34 1.28 0.028 0.017 0.001 0 0 0.0025 0.0040 TR2* 0.15 0.34 1.32 0.026 0.016 0.001 0 0.019 0.0068 0.0043 TR3 0.16 0.34 1.38 0.025 0.016 0.001 0.015 0.021 0.0063 0.0044 将3种钢加工成为10.5mm×10.5mm×55mm的 观察试样显微组织，用带有能谱的JSM-6480LV型扫描 焊接热模拟试样，在Gleeble--l5OOD热模拟机上进行 电子显微镜分析钢中夹杂物的尺寸和成分 焊接热影响区热循环模拟实验，模拟焊接热输入为65 表2模拟焊接热影响区热循环参数 k·cm,峰值温度Tx=1350℃，热循环模拟相关的 Table 2 Simulated thermal cycle parameters of heat affected zone 工艺参数根据雷卡林二维导热模型确定，峰值温度 焊接线能量， 高温停留时间，tH/s T停留时间设置为Is,由室温加热到T的升温速率 E/(k小em-i) >900℃ >1100℃ tasIs 设置为300℃·s1,相关热循环模拟参数见表2. 65 62 41 129 经过模拟焊接热影响区热循环实验后的试样，加 工成10mm×10mm×55mm开V型槽的标准冲击试 注：*为800℃到500℃的冷却时间. 样，在JB300B型摆锤式冲击试验机上进行低温冲击试 2 实验结果 验，利用JSM-6480LV型扫描电子显微镜观察冲击试 样断口.取中10mm×10mm圆柱试样，清洗、打磨和抛 2.1实验钢中的夹杂物 光后，在光学显微镜1000倍视场下随机拍摄60张夹 利用Factsage6(.4热力学计算软件计算了冷却过 杂物照片，并用Imagel软件统计夹杂物的数量和尺寸. 程中3种实验钢中夹杂物随温度的析出情况.如图1 抛光后的试样用4%硝酸乙醇溶液侵蚀，在光学显微镜下 (a)所示，未加合金处理的TR1钢中的夹杂主要是

张圣华等: 钛稀土复合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 KEY WOＲDS carbon--manganese steel; coarse grain heat-affected zone ( CGHAZ) ; acicular ferrite ( AF) ; microstructure; impact toughness 随着焊接技术的进步，单面埋弧焊、电渣焊和气 电焊等大线能量焊接技术的广泛应用使得焊接效率 得到了大幅提高，同时焊接结构的体积越来越大、焊 接时要求的参数越来越高，这就要求钢材具备更高 的焊接性能． 大量研究［1--5］表明钢材在焊接热循环 过程中由于焊接热影响区冷速的不同会产生不同的 组织，进而导致焊接热影响区性能的差异，其中粗晶 区的组织最为粗大，其韧性和强度较差． 20 世纪 80 年代以来，国内外很多学者研究认为以夹杂物为形 核核心形成的细小、交错的针状铁素体组织可以提 高钢焊接 热 影 响 区 的 韧 性 和 强 度［2，6--11］． 1990 年氧 化物冶金技术被提出以后，很多学者研究了不同氧 化物诱导形成针状铁素体的能力和机理． 关于钛氧 化物的研究［12--14］发现 Ti2O3夹杂能促进 Ti 脱氧C--Mn 钢中晶内针状铁素体的形成; Lee 和 Pan［8］认为 Ti 的 硫氧化物比 Ti 氧化物和 MnS 夹杂诱导形成针状铁 素体更有效; Song 等［15］研究表明当 Mg 的质量分 数 为 0. 0015% ～ 0. 0026% 时，含 Ti 0. 008% 左右的 C-- Mn 钢中的Ti--Mg--O + MnS 复合夹杂对针状铁素体 形核最有利; Song 等［16］还发现稀土 La 和 Ce 均可促 进针状铁素体形成，且当 La 和 Ce 添加比例为 3∶ 1时 复合处理组织中的针状铁素体更加细小; Nako 等［17］ 发现 Ti--ＲE--Zr 复合氧化物夹杂比 Ti、Al 氧化物更有 利于针状铁素体的形核． 目前，有关钛稀土复合处理 对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及性能的影响还鲜有 研究． 本文利用 Gleeble--1500D 热 模 拟 机 研 究 在 焊 接热输入为 65 kJ·cm － 1时稀土单独处理和钛稀土复 合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的 影响，为稀土处理改善 C--Mn 钢焊接热影响区的性 能提供依据． 1 实验方法 为对比实验效果，共冶炼出 3 种不同成分的钢，分 别为未进 行 合 金 处 理 的 TＲ1# 钢，经 La 单独 处 理 的 TＲ2# 钢和经 La、Ti 复合处理的 TＲ3# 钢． 将 5. 5 kg C-- Mn 钢在 真 空 感 应 炉 中 加 热 至 熔 清，精 炼 2 min 后， TＲ1# 钢不做变质处理，TＲ2# 钢和 TＲ3# 钢分别加入 La 和 La、Ti 进行变质处理，保温 3 min 后浇铸进钢锭模中 空冷至室温． 成型的锭子加热到 1200 ℃ 开锻，900 ℃ 终锻，成为直径 15 mm 的棒材． 随后对其进行 700 ℃保 温 30 min 的退火处理，以消除内部应力． 实验钢的成 分见表 1． 表 1 实验钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of tested steels % 试样编号 C Si Mn S P Al Ti La O N TＲ1# 0. 15 0. 34 1. 28 0. 028 0. 017 0. 001 0 0 0. 0025 0. 0040 TＲ2# 0. 15 0. 34 1. 32 0. 026 0. 016 0. 001 0 0. 019 0. 0068 0. 0043 TＲ3# 0. 16 0. 34 1. 38 0. 025 0. 016 0. 001 0. 015 0. 021 0. 0063 0. 0044 将 3 种钢加工成为 10. 5 mm × 10. 5 mm × 55 mm 的 焊接热模拟试样，在 Gleeble--1500D 热模拟机上进行 焊接热影响区热循环模拟实验，模拟焊接热输入为 65 kJ·cm － 1，峰值温度 Tmax = 1350 ℃，热循环模拟相关的 工艺参数根据雷卡林二维导热模型确定，峰值温度 Tmax停留时间设置为 1 s，由室温加热到 Tmax的升温速率 设置为 300 ℃·s － 1，相关热循环模拟参数见表 2． 经过模拟焊接热影响区热循环实验后的试样，加 工成 10 mm × 10 mm × 55 mm 开 V 型槽的标准冲击试 样，在 JB300B 型摆锤式冲击试验机上进行低温冲击试 验，利用 JSM--6480LV 型扫描电子显微镜观察冲击试 样断口． 取 10 mm × 10 mm 圆柱试样，清洗、打磨和抛 光后，在光学显微镜 1000 倍视场下随机拍摄 60 张夹 杂物照片，并用 ImageJ 软件统计夹杂物的数量和尺寸． 抛光后的试样用4%硝酸乙醇溶液侵蚀，在光学显微镜下 观察试样显微组织，用带有能谱的 JSM--6480LV 型扫描 电子显微镜分析钢中夹杂物的尺寸和成分． 表 2 模拟焊接热影响区热循环参数 Table 2 Simulated thermal cycle parameters of heat affected zone 焊接线能量， E/( kJ·cm － 1 ) 高温停留时间，tH / s ＞ 900 ℃ ＞ 1100 ℃ t * 8 /5 / s 65 62 41 129 注: * 为 800 ℃到 500 ℃的冷却时间． 2 实验结果 2. 1 实验钢中的夹杂物 利用 Factsage6. 4 热力学计算软件计算了冷却过 程中 3 种实验钢中夹杂物随温度的析出情况． 如图 1 ( a) 所示，未加合金处理的 TＲ1# 钢中的夹杂主要是 · 748 ·

·848· 工程科学学报，第39卷，第6期 MS和锰铝硅酸盐.经La处理的TR2钢中出现了析 (b)所示.TR2钢中主要是以La,O,S和锰铝硅酸盐为 出温度高于1700℃的La,0,S和少量LaA10,夹杂.当 核心，MnS包裹在外层的复合夹杂，尺寸3um左右，呈 加入La和T处理后，TR3*钢中析出的夹杂物变成了 球形，如图2(c)所示.TR3钢中的复合夹杂核心除 MnS+La,0,S+LaAlO,+Ti,O,+锰铝硅酸盐.图2所 La202S和锰铝硅酸盐外，还含有钛的氧化物，形状与 示为扫描电镜下各实验钢中的典型夹杂微观形貌和成 TR2钢中的夹杂相同都为球形，如图2()所示.由此 分.可以看出，TRI中主要是长条状或球状的MnS夹 可知，各试样中由能谱分析得到的夹杂物种类与Fact- 杂和球状的锰铝硅酸盐复合夹杂，如图2(a)和图2 Sage软件计算的结果一致 0.09 (a) 009 0.08 0.08 0.07 0.07 0.06 MnS 0.06 MnS 0.04 0.04 0.03 0.03 La,O,S 0.02 Mn-Al-Si-0 0.02 0.01 0.01 Mn-AI-Si-0 LaAlO, 10001100120013001400150016001700.1800 100011001200130014001500160017001800 温度/℃ 温度℃ .09⊙ 0.08 0.07 0.06 MnS 0.05 0.04 0.03 LaO.S 0.02 0.01 Ti,O Mn-Al-Si-0 LaAlO; fb001100 1200130014001500160017001800 温度℃ 图1实验钢在冷却过程中夹杂物的种类和析出顺序.(a)TR1:(b)TR2:(c)TR3# Fig.1 Types and precipitated sequences of inclusions during cooling of tested steels:(a)TRI*:(b)TR2*:(c)TR3* 2.2实验钢显微组织 TR1钢，侧板条铁素体和块状铁素体在TR3钢中的数 图3所示为3组实验钢的锻后组织，从图中可以 量大幅减少 看出三组试样所得到的锻后组织均为弥散分布的块状 2.3实验钢冲击韧性 铁素体和珠光体组织，其中经钛稀土复合处理的TR3 表3所示为焊接热输入65kJ·cm'时各试样-20℃ 钢中的块状铁素体块最为细小.图4是各实验钢在焊 的夏比冲击功.从表中可以看出，与未进行焊接热影 接热输入为65kJ·cm条件下热模拟后的粗晶热影响 响区模拟的母材相比，3组试样的低温冲击韧性均有 区的金相组织.总的来看，3种试样的微观组织都是以 所降低.其中，TR1钢降低的幅度最大，下降了71%. 铁素体为主.T1钢中主要是粗大的晶界铁素体和从 TR2*钢的低温冲击功从149.5J降低为65.6J,相对母 晶界向晶内长大的侧板条铁素体，还有少量的块状铁 材降低了56%，较T1钢的冲击功有所改善.降幅最 小的T3钢的低温冲击韧性较母材仅降低了17%，且 素体，见图4(a).观察TR2钢和TR3钢中的组织，明 其冲击值155.3J比TR1钢母材的冲击值124J还要 显可以看出其中的晶界铁素体较TR1“钢中的要细小， 高.这表明钛稀土复合处理明显改善了C-Mn钢的焊 且由晶界铁素体勾勒出的晶粒尺寸也明显小很多 接热影响区低温冲击韧性，并且比稀土单独处理的冲 TR2钢中出现了一些晶内针状铁素体，侧板条铁素体 击性能提升效果更好 数量减少，块状铁素体尺寸也有所减小，见图4(b). 而TR3钢中在晶内明显可以看到很多以夹杂物为核 3实验结果讨论 心形成的晶内针状铁素体，并且这些针状铁素体更加3.1夹杂物分析 细小，在晶内也更加连锁交错，见图4（℃）.相对于 夹杂物的尺寸对针状铁素体的形成有较大影响

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 MnS 和锰铝硅酸盐． 经 La 处理的 TＲ2# 钢中出现了析 出温度高于 1700 ℃的 La2O2 S 和少量 LaAlO3夹杂． 当 加入 La 和 Ti 处理后，TＲ3# 钢中析出的夹杂物变成了 MnS + La2O2 S + LaAlO3 + Ti3O5 + 锰铝硅酸盐． 图 2 所 示为扫描电镜下各实验钢中的典型夹杂微观形貌和成 分． 可以看出，TＲ1# 中主要是长条状或球状的 MnS 夹 杂和球状的锰铝硅酸盐复合夹杂，如图 2 ( a) 和图 2 ( b) 所示． TＲ2# 钢中主要是以 La2O2 S 和锰铝硅酸盐为 核心，MnS 包裹在外层的复合夹杂，尺寸 3 μm 左右，呈 球形，如图 2 ( c) 所示． TＲ3# 钢中的复合夹杂核心除 La2O2 S 和锰铝硅酸盐外，还含有钛的氧化物，形状与 TＲ2# 钢中的夹杂相同都为球形，如图 2( d) 所示． 由此 可知，各试样中由能谱分析得到的夹杂物种类与 Fact￾Sage 软件计算的结果一致． 图 1 实验钢在冷却过程中夹杂物的种类和析出顺序 . ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# Fig． 1 Types and precipitated sequences of inclusions during cooling of tested steels: ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# 2. 2 实验钢显微组织 图 3 所示为 3 组实验钢的锻后组织，从图中可以 看出三组试样所得到的锻后组织均为弥散分布的块状 铁素体和珠光体组织，其中经钛稀土复合处理的 TＲ3# 钢中的块状铁素体块最为细小． 图 4 是各实验钢在焊 接热输入为 65 kJ·cm － 1条件下热模拟后的粗晶热影响 区的金相组织． 总的来看，3 种试样的微观组织都是以 铁素体为主． TＲ1# 钢中主要是粗大的晶界铁素体和从 晶界向晶内长大的侧板条铁素体，还有少量的块状铁 素体，见图 4( a) ． 观察 TＲ2# 钢和 TＲ3# 钢中的组织，明 显可以看出其中的晶界铁素体较 TＲ1# 钢中的要细小， 且由晶界铁素体勾勒出的晶粒尺寸也明显小很多． TＲ2# 钢中出现了一些晶内针状铁素体，侧板条铁素体 数量减少，块状铁素体尺寸也有所减小，见图 4 ( b) ． 而 TＲ3# 钢中在晶内明显可以看到很多以夹杂物为核 心形成的晶内针状铁素体，并且这些针状铁素体更加 细小，在晶内也更加连锁交错，见 图 4 ( c) ． 相 对 于 TＲ1# 钢，侧板条铁素体和块状铁素体在 TＲ3# 钢中的数 量大幅减少． 2. 3 实验钢冲击韧性 表3 所示为焊接热输入 65 kJ·cm－ 1时各试样 － 20 ℃ 的夏比冲击功． 从表中可以看出，与未进行焊接热影 响区模拟的母材相比，3 组试样的低温冲击韧性均有 所降低． 其中，TＲ1# 钢降低的幅度最大，下降了 71% ． TＲ2# 钢的低温冲击功从 149. 5 J 降低为 65. 6 J，相对母 材降低了 56% ，较 TＲ1# 钢的冲击功有所改善． 降幅最 小的 TＲ3# 钢的低温冲击韧性较母材仅降低了 17% ，且 其冲击值 155. 3 J 比 TＲ1# 钢母材的冲击值 124 J 还要 高． 这表明钛稀土复合处理明显改善了 C--Mn 钢的焊 接热影响区低温冲击韧性，并且比稀土单独处理的冲 击性能提升效果更好． 3 实验结果讨论 3. 1 夹杂物分析 夹杂物的尺寸对针状铁素体的形成有较大影响． · 848 ·

张圣华等：钛稀土复合处理对C-M钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 849· 600 400 Mn 200 0 0 能量keV 2μm (b 1500 1200 900 0 6 00 A 能量/keV (c) 400 矩形-1 La 100 0 e 6 600 矩形-2 1 um 能量kev (d) 300 矩形-1 2004 100 Si S 400 矩形-2 300 200 n 0 能量keV 图2实验钢中夹杂物的形貌和成分.(a),(b)TR1:(c)TR2:(d)TR3 Fig.2 Morphology and composition of inclusions in tested steels:(a),(b)TRI*;(c)TR2;(d)TR3* 表3试样-20℃的冲击功 见，夹杂物尺寸在3um以下的比例在各试样中均占 Table 3 Impact absorption energy of samples at -20C 90%以上，其中尺寸在1~2μm的夹杂物比例最大，占 焊接线能量/ TR1冲击功/TR2冲击功/TR3冲击功/ 50%以上，TR3钢中该尺寸的夹杂物比例较其他两种 (kJ.cm-1) J 钢略多.值得注意的是，TR3钢中尺寸小于2μm的夹 0(母材) 124.0 149.5 186.4 杂物所占比例约为80%，而TR2钢中尺寸在2~3um 65 36.1 65.6 155.3 的夹杂物所占比例近80%，这表明T的添加使得稀土 处理钢中的夹杂物更加细小.表4为试样中所统计的 图5为3种实验钢中夹杂物尺寸的统计结果.由图可 夹杂物个数，数密度和直径平均尺寸.由表4可以看

张圣华等: 钛稀土复合处理对 C--Mn 钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 图 2 实验钢中夹杂物的形貌和成分 . ( a) ，( b) TＲ1# ; ( c) TＲ2# ; ( d) TＲ3# Fig． 2 Morphology and composition of inclusions in tested steels: ( a) ，( b) TＲ1# ; ( c) TＲ2# ; ( d) TＲ3# 表 3 试样 － 20 ℃的冲击功 Table 3 Impact absorption energy of samples at － 20 ℃ 焊接线能量/ ( kJ·cm － 1 ) TＲ1# 冲击功/ J TＲ2# 冲击功/ J TＲ3# 冲击功/ J 0( 母材) 124. 0 149. 5 186. 4 65 36. 1 65. 6 155. 3 图 5 为 3 种实验钢中夹杂物尺寸的统计结果． 由图可 见，夹杂物尺寸在 3 μm 以下的比例在各试样中均占 90% 以上，其中尺寸在 1 ～ 2 μm 的夹杂物比例最大，占 50% 以上，TＲ3# 钢中该尺寸的夹杂物比例较其他两种 钢略多． 值得注意的是，TＲ3# 钢中尺寸小于 2 μm 的夹 杂物所占比例约为 80% ，而 TＲ2# 钢中尺寸在 2 ～ 3 μm 的夹杂物所占比例近 80% ，这表明 Ti 的添加使得稀土 处理钢中的夹杂物更加细小． 表 4 为试样中所统计的 夹杂物个数，数密度和直径平均尺寸． 由表 4 可以看 · 948 ·

·850. 工程科学学报，第39卷，第6期 50 um 50 pm 50 um 图3实验钢锻后组织.(a)TRI:(b)TR2:(c)TR3# Fig.3 Microstructure of forged tested steels:(a)TR1*;(b)TR2*;(c)TR3* b 50 um 50m 50n 图4实验钢粗品热影响区组织.(a)TR1“:(b)TR2:(c)TR3 Fig.4 CGHAZ microstructure of tested steels:(a)TR1*;(b)TR2*;(c)TR3 出，3种试样中的夹杂物平均尺寸差别不大，总数和数 表4试样中夹杂物的个数，数密度和直径平均尺寸统计 密度依次增加，其中TR3钢中夹杂物较其他两种钢明 Table 4 Number,number density and average diameter of inclusions in 显增多，说明的加入使得钢中的夹杂物增多.一般 samples 认为细小弥散的夹杂物所形成的针状铁素体将更加细 试样 夹杂物总数 数密度/mm2直径平均尺寸/m 小，由图6可见，实验钢中细小的夹杂物形成了更细小 TRI* 639 272 1.63 的针状铁素体 TR2* 768 372 1.77 TR3* 954 406 1.57 60 Z2☑TR1 TR2 0 TR3 平行束状贝氏体间晶界为小角度晶界.T1钢中主要 组织为晶界铁素体，平行的侧板条铁素体和较规则的 40 晶内铁素体，晶界角度小，裂纹在晶体间扩展时阻力 小，对应的钢的冲击功就小：TR2钢中出现了一定量 的针状铁素体，但形成的针状铁素体较宽（见图6 (a),而且分布在晶界的块状铁素体较多：而TR3钢 中有大量可以作为针状铁素体形核核心的尺寸较小的 钛稀土复合夹杂，形成的细小晶内针状铁素体增多 1-2 23 3-4 >4 (见图6(b)),且这些针状铁素体间的交错更复杂，角 夹杂物尺寸范围/um 度更大，裂纹扩展时需不断变化方向，遇到阻力变大， 图5实验钢中夹杂物尺寸统计 对应钢的冲击功增大.另外，从晶界铁素体勾勒出的 Fig.5 Statistics of inclusion size in tested steels 晶粒尺寸变小，也说明稀土单独处理或钛稀土复合处 3.2微观组织分析 理的钢中一些细小的夹杂可能有钉扎晶界的作用，细 通过对3组实验钢微观组织观察，发现不同的组 化晶粒，增大了晶粒间的接触面积，不利于裂纹的 织对冲击功有很大影响.Byun等网研究了Mn含量对 扩展. 钛脱氧低碳钢微观组织的影响，发现以T,O,为核心形 3.3冲击断口形貌分析 成的针状铁素体间为大角度晶界，在奥氏体内形成的 冲击断口宏观形貌可分为剪切唇区、纤维区和放

工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 图 3 实验钢锻后组织 . ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# Fig． 3 Microstructure of forged tested steels: ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# 图 4 实验钢粗晶热影响区组织 . ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# Fig． 4 CGHAZ microstructure of tested steels: ( a) TＲ1# ; ( b) TＲ2# ; ( c) TＲ3# 出，3 种试样中的夹杂物平均尺寸差别不大，总数和数 密度依次增加，其中 TＲ3# 钢中夹杂物较其他两种钢明 显增多，说明 Ti 的加入使得钢中的夹杂物增多． 一般 认为细小弥散的夹杂物所形成的针状铁素体将更加细 小，由图 6 可见，实验钢中细小的夹杂物形成了更细小 的针状铁素体． 图 5 实验钢中夹杂物尺寸统计 Fig． 5 Statistics of inclusion size in tested steels 3. 2 微观组织分析 通过对 3 组实验钢微观组织观察，发现不同的组 织对冲击功有很大影响． Byun 等［18］研究了 Mn 含量对 钛脱氧低碳钢微观组织的影响，发现以 Ti2O3为核心形 成的针状铁素体间为大角度晶界，在奥氏体内形成的 表 4 试样中夹杂物的个数，数密度和直径平均尺寸统计 Table 4 Number，number density and average diameter of inclusions in samples 试样 夹杂物总数 数密度/mm － 2 直径平均尺寸/μm TＲ1# 639 272 1. 63 TＲ2# 768 372 1. 77 TＲ3# 954 406 1. 57 平行束状贝氏体间晶界为小角度晶界． TＲ1# 钢中主要 组织为晶界铁素体，平行的侧板条铁素体和较规则的 晶内铁素体，晶界角度小，裂纹在晶体间扩展时阻力 小，对应的钢的冲击功就小; TＲ2# 钢中出现了一定量 的针状 铁 素 体，但 形 成 的 针 状 铁 素 体 较 宽 ( 见 图 6 ( a) ) ，而且分布在晶界的块状铁素体较多; 而 TＲ3# 钢 中有大量可以作为针状铁素体形核核心的尺寸较小的 钛稀土复合夹杂，形成的细小晶内针状铁素体增多 ( 见图 6( b) ) ，且这些针状铁素体间的交错更复杂，角 度更大，裂纹扩展时需不断变化方向，遇到阻力变大， 对应钢的冲击功增大． 另外，从晶界铁素体勾勒出的 晶粒尺寸变小，也说明稀土单独处理或钛稀土复合处 理的钢中一些细小的夹杂可能有钉扎晶界的作用，细 化晶粒，增 大 了 晶 粒 间 的 接 触 面 积，不 利 于 裂 纹 的 扩展． 3. 3 冲击断口形貌分析 冲击断口宏观形貌可分为剪切唇区、纤维区和放 · 058 ·