铈对工程机械用700 MPa级高强钢焊接性能的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 铈对工程机械用700MPa级高强钢焊接性能的影响 陆斌陈芙蓉刘伟建智建国 Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery LU Bin,CHEN Fu-rong.LIU Wei-jian,ZHI Jian-guo 引用本文： 陆斌，陈芙蓉，刘伟建，智建国.铈对工程机械用700MPa级高强钢焊接性能的影响.工程科学学报，2020,42(11)：1481- 1487.doi10.13374.issn2095-9389.2019.11.21.004 LU Bin,CHEN Fu-rong,LIU Wei-jian,ZHI Jian-guo.Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(11):1481-1487.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2019.11.21.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.11.21.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钇基稀土对E36钢板显微组织及冲击性能的影响 Effect of Y-base rare earth on the microstructure and impact toughness of E36 steel plate 工程科学学报.2017,392：244htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.012 富Nh复合碳氮化物对22Crl5Ni3.5 CuNbN奥氏体钢焊接模拟热影响区组织和性能的影响 A simulation of the effect of Nb-rich carbonitride on the structure and properties of weld HAZ of 22Cr15Ni3.5CuNbN austenitic steel 工程科学学报.2019,41(7)：889 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.007 1800MPa热成形钢与CR340LA低合金高强钢激光焊接性能 Laser welding properties of 1800 MPa press hardening steel and low-alloy high-strength steel CR340LA 工程科学学报.2020.42(6：755 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.06.24.005 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报.2017,395)：643 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.001 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 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C-Mn steel 工程科学学报.2017,396：846 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.06.005 700MPa级别热轧高强钢氧化铁皮结构转变规律 Structural transformation of oxide scale of 700-MPa grade hot rolled high strength steel 工程科学学报.2019,41(12：1591 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.04.24.001

铈对工程机械用700 MPa级高强钢焊接性能的影响 陆斌 陈芙蓉 刘伟建 智建国 Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery LU Bin, CHEN Fu-rong, LIU Wei-jian, ZHI Jian-guo 引用本文: 陆斌, 陈芙蓉, 刘伟建, 智建国. 铈对工程机械用700 MPa级高强钢焊接性能的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(11): 1481- 1487. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.21.004 LU Bin, CHEN Fu-rong, LIU Wei-jian, ZHI Jian-guo. Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1481-1487. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2019.11.21.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.21.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 钇基稀土对E36钢板显微组织及冲击性能的影响 Effect of Y-base rare earth on the microstructure and impact toughness of E36 steel plate 工程科学学报. 2017, 39(2): 244 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.012 富Nb复合碳氮化物对22Cr15Ni3.5CuNbN奥氏体钢焊接模拟热影响区组织和性能的影响 A simulation of the effect of Nb-rich carbonitride on the structure and properties of weld HAZ of 22Cr15Ni3.5CuNbN austenitic steel 工程科学学报. 2019, 41(7): 889 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.007 1800 MPa热成形钢与CR340LA低合金高强钢激光焊接性能 Laser welding properties of 1800 MPa press hardening steel and low-alloy high-strength steel CR340LA 工程科学学报. 2020, 42(6): 755 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.005 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel 工程科学学报. 2017, 39(5): 643 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.001 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 Influence of Ti-rare earth addition on microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone in C-Mn steel 工程科学学报. 2017, 39(6): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.005 700 MPa级别热轧高强钢氧化铁皮结构转变规律 Structural transformation of oxide scale of 700-MPa grade hot rolled high strength steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1591 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.001

工程科学学报.第42卷，第11期：1481-1487.2020年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.11:1481-1487,November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.21.004;http://cje.ustb.edu.cn 铈对工程机械用700MPa级高强钢焊接性能的影响 陆斌2)，陈芙蓉)区，刘伟建)，智建国2) 1)内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特0100512)包头钢铁（集团）有限责任公司，包头0140103)北京科技大学钢铁冶金新 技术国家重点实验室.北京100083 ☒通信作者，E-mail:cfr7075@vip.163.com 摘要针对工业生产700MPa级高强度调质态钢板，通过Gleeble3500热模拟机进行模拟焊接试验，利用光学显微镜、硬度 仪、场发射扫描电镜等设备对比研究了稀土C对高强钢焊接热影响区(HAZ)显微组织、晶粒度和力学性能的影响.研究结 果表明，焊接热输入为25kJcm和50kJcm时，无稀土钢焊接热影响区冲击功分别为84.8J和24.5J,Ce质量分数为 0.0018%的钢焊接热影响区冲击功分别为110.0J和112.0J.因此钢中加入适量C能够有效改善钢板焊接韧性.对比分析两 种实验钢焊接热影响区晶粒尺寸和显微组织可以看出，随着焊接热输入值增大，高强钢焊接热影响区显微组织均逐渐从马氏 体、下贝氏体转变为上贝氏体和粒状贝氏体组织，且奥氏体晶粒尺寸明显增大.但相同焊接热输入下，含C钢焊接热影响区 晶粒尺寸显著减小，组织更加细小，且脆性的上贝氏体组织减少，从而显著提高了7O0MP级高强钢的焊接性能. 关键词稀土：焊接热影响区；氧化物治金；700MPa级高强钢：冲击性能 分类号TG142.71 Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery LU Bin2,CHEN Fu-rong,LIU Wei-jian,ZHI Jian-guo 1)School of Materials Science and Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China 2)Baotou Iron and Steel Group Corp.,Baotou 014010,China 3)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:cfr7075@vip.163.com ABSTRACT As the use of high-strength thick plates is increasing in marine engineering,bridge engineering,petroleum pipelines,and other fields,the required performance level of thick welded plates is also increasing.Oxide metallurgy technology,which is used to improve the toughness of heat-affected zones by controlling the formation and dispersion of high-melting-temperature oxide particles in steel,has attracted increasing attention by researchers in recent years.The effect of cerium on the welding performance of industrial quenched and tempered high-strength steel was investigated.Using a Gleeble 3500 thermal simulator,the coarse-grained heat-affected zones of high-strength steel were simulated with different cerium contents.The microstructures,austenite grains,and mechanical properties of the heat-affected zone were investigated by using optical microscopy,scanning electron microscopy equipped with energy dispersive spectrometry,and hardness testing.The results show that when the heat inputs are 25 kJ-cm and 50 kJ-cm,the impact energies of the heat-affected zone of Ce-undoped steel are 84.8 J and 24.5 J,respectively.When the mass fraction of Ce is 0.0018%,the impact energies of the heat-affected zone are 110.0 J and 112.0 J,respectively.The different degrees of toughness of the two experimental steels indicate that the appropriate content of rare earth element can effectively improve welding performance.By 收稿日期：2019-11-21 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300604)

铈对工程机械用 700 MPa 级高强钢焊接性能的影响 陆 斌1,2)，陈芙蓉1) 苣，刘伟建3)，智建国2) 1) 内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特 010051 2) 包头钢铁（集团）有限责任公司，包头 014010 3) 北京科技大学钢铁冶金新 技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail: cfr7075@vip.163.com 摘    要    针对工业生产 700 MPa 级高强度调质态钢板，通过 Gleeble3500 热模拟机进行模拟焊接试验，利用光学显微镜、硬度 仪、场发射扫描电镜等设备对比研究了稀土 Ce 对高强钢焊接热影响区（HAZ）显微组织、晶粒度和力学性能的影响. 研究结 果表明，焊接热输入为 25 kJ·cm−1 和 50 kJ·cm−1 时，无稀土钢焊接热影响区冲击功分别为 84.8 J 和 24.5 J，Ce 质量分数为 0.0018% 的钢焊接热影响区冲击功分别为 110.0 J 和 112.0 J，因此钢中加入适量 Ce 能够有效改善钢板焊接韧性. 对比分析两 种实验钢焊接热影响区晶粒尺寸和显微组织可以看出，随着焊接热输入值增大，高强钢焊接热影响区显微组织均逐渐从马氏 体、下贝氏体转变为上贝氏体和粒状贝氏体组织，且奥氏体晶粒尺寸明显增大. 但相同焊接热输入下，含 Ce 钢焊接热影响区 晶粒尺寸显著减小，组织更加细小，且脆性的上贝氏体组织减少，从而显著提高了 700 MPa 级高强钢的焊接性能. 关键词    稀土；焊接热影响区；氧化物冶金；700 MPa 级高强钢；冲击性能 分类号    TG142.71 Effect of cerium on welding performance of 700 MPa high-strength steel used in construction machinery LU Bin1,2) ，CHEN Fu-rong1) 苣 ，LIU Wei-jian3) ，ZHI Jian-guo2) 1) School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China 2) Baotou Iron and Steel Group Corp., Baotou 014010, China 3) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: cfr7075@vip.163.com ABSTRACT    As the use of high-strength thick plates is increasing in marine engineering, bridge engineering, petroleum pipelines, and other fields, the required performance level of thick welded plates is also increasing. Oxide metallurgy technology, which is used to improve the toughness of heat-affected zones by controlling the formation and dispersion of high-melting-temperature oxide particles in steel, has attracted increasing attention by researchers in recent years. The effect of cerium on the welding performance of industrial quenched and tempered high-strength steel was investigated. Using a Gleeble 3500 thermal simulator, the coarse-grained heat-affected zones of high-strength steel were simulated with different cerium contents. The microstructures, austenite grains, and mechanical properties of the heat-affected zone were investigated by using optical microscopy, scanning electron microscopy equipped with energy dispersive spectrometry, and hardness testing. The results show that when the heat inputs are 25 kJ·cm−1 and 50 kJ·cm−1, the impact energies of the heat-affected zone of Ce-undoped steel are 84.8 J and 24.5 J, respectively. When the mass fraction of Ce is 0.0018%, the impact energies of the heat-affected zone are 110.0 J and 112.0 J, respectively. The different degrees of toughness of the two experimental steels indicate that the appropriate content of rare earth element can effectively improve welding performance. By 收稿日期: 2019−11−21 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFB0300604） 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期：1481−1487，2020 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 11: 1481−1487, November 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.21.004; http://cje.ustb.edu.cn

·1482 工程科学学报，第42卷，第11期 comparing and analyzing the microstructures and prior-austenite grain sizes of the two experimental steels,it can be seen that with increases in the welding heat input,the microstructure of the heat-affected zone of the high-strength steel gradually transforms from martensite and lower bainite to upper bainite and granular bainite,and the average size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone obviously increases.However,at the same welding heat input,the size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone of Ce- doped high-strength steel is significantly smaller.The observed microstructure of Ce-doped steel is finer with a reduced content of brittle upper bainite,which significantly improves the welding performance of 700 MPa high-strength steel. KEY WORDS rare earth;heat-affected zone;oxide metallurgy:700 MPa high-strength steel;toughness 钢板被广泛地应用于诸如建筑、桥梁、压力容 焊接热影响区韧性1 器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中， 目前文献中报道的稀土氧化物冶金技术多通 焊接为厚板使用加工的主要方式.然而，随着焊接 过控制钢中稀土夹杂物的细小弥散分布，一方面 热输入的提高，传统的低合金高强钢焊接热影响 利用这些夹杂物钉轧晶界，抑制焊接过程中晶粒 区性能恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结 粗化；另一方面在冷却过程中诱导针状铁素体的 构的制造带来困难.为了改善焊接热影响区韧性， 形成，从而改善焊接热影响区韧性.然而，对于高 日本的研究人员首先提出了“氧化物冶金”的概念-刃， 碳当量高强厚板，除原奥氏体晶粒粗化外，焊接热 通过利用炼钢过程中生成的细小、弥散分布、成 影响区易生成上贝氏体、粒状贝氏体等组织，很难 分可控的氧化物夹杂控制焊接热影响区钢的组织 生成铁素体组织.因此，本文针对700MPa级高强 和晶粒度，从而改善焊接热影响区韧性 度厚板，研究了工业条件下钢中加入适量稀土对 目前，氧化物冶金技术已有较多研究，日本新 焊接热影响区韧性的影响及作用机理，开拓了稀 日铁的HTUFF技术)、JFE的EWEL技术II和 土元素在氧化物冶金领域的实际应用. 神户制钢的KST技术等均成功应用，开发了如 1试验材料与方法 YS390、SA440等大线能量焊接用钢.国内的武 钢、宝钢、东北大学等也相继进行了Nb、Ti、Ca、Mg、 实验用钢为包钢生产的700MPa级高强度厚 Zr等元素在改善厚板焊接性能方面的研究心-1)] 板，生产工艺为：转炉→LF精炼→RH精炼→连铸 我国是稀土大国，经过半个多世纪的研究，稀 其中，RH精炼过程中加入Ce-Fe合金.两种试验 土在钢中的作用机理和规律也取得了很大的进 钢化学成分如表I所示，其中Ce、Ca和Mg元素 展，钢中加入适量稀土可以起到净化钢液、变质夹 采用ICP-MS测定.连铸后两种实验钢均采用相 杂、微合金化等作用41刀此外，稀土在氧化物冶 同的轧制工艺及淬火-回火工艺，实验用钢最终轧 金方面的应用也有部分研究，但仅停留在实验室 制厚度为30mm.在调质处理后板材上取样，测定 阶段.Thewlis利用50kg感应炉冶炼得到的试验 实验钢母材“V”型夏比冲击功及屈服、抗拉强度， 钢中Ce的质量分数为0.02%~0.12%，S的质量分 冲击试验进行三次，拉伸试验进行两次，试验结果 数为0.007%~0.034%，发现钢中夹杂物主要是 如表2所示 CeS,Ce3S4和CeO2S,采用面积法统计的钢中晶内 从厚度为30mm的调质后钢板上取样，将试 针状铁素体占比超过60%)Yu等研究发现钢中 样加工为10.5mm×10.5mm×75mm的焊接热模拟 加入适量Ce后，生成的Ce的氧硫化物颗粒能够 试样，在Gleeble3500热模拟试验机上进行模拟焊 有效促进晶内针状铁素体的形成，显著地提高了 接试验.采用Rykalin2D模型模拟30mm厚钢板， 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % Sample C Si Mn 力 Al Nb 0 Sample A 0.12 0.32 1.60 0.014 0.024 0.047 0.066 0.0012 Sample B 0.12 0.37 1.70 0.014 0.027 0.048 0.069 0.0016 Sample C Mo Ca Mg Ce Ti W Sample A 0.284 0.130 0.0017 0.0004 0 0.017 0.0019 0.0030 Sample B 0.300 0.130 0.0012 0.0005 0.0018 0.017 0.0030 0.0037

comparing and analyzing the microstructures and prior-austenite grain sizes of the two experimental steels, it can be seen that with increases in the welding heat input, the microstructure of the heat-affected zone of the high-strength steel gradually transforms from martensite and lower bainite to upper bainite and granular bainite, and the average size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone obviously increases. However, at the same welding heat input, the size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone of Ce￾doped high-strength steel is significantly smaller. The observed microstructure of Ce-doped steel is finer with a reduced content of brittle upper bainite, which significantly improves the welding performance of 700 MPa high-strength steel. KEY WORDS    rare earth；heat-affected zone；oxide metallurgy；700 MPa high-strength steel；toughness 钢板被广泛地应用于诸如建筑、桥梁、压力容 器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中， 焊接为厚板使用加工的主要方式. 然而，随着焊接 热输入的提高，传统的低合金高强钢焊接热影响 区性能恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结 构的制造带来困难. 为了改善焊接热影响区韧性， 日本的研究人员首先提出了“氧化物冶金”的概念[1−3] ， 通过利用炼钢过程中生成的细小、弥散分布、成 分可控的氧化物夹杂控制焊接热影响区钢的组织 和晶粒度，从而改善焊接热影响区韧性. 目前，氧化物冶金技术已有较多研究，日本新 日铁的 HTUFF 技术[4−5]、JFE 的 EWEL 技术[6−8] 和 神户制钢的 KST 技术[9] 等均成功应用，开发了如 YS390、SA440 等大线能量焊接用钢. 国内的武 钢、宝钢、东北大学等也相继进行了 Nb、Ti、Ca、Mg、 Zr 等元素在改善厚板焊接性能方面的研究[10−13] . 我国是稀土大国，经过半个多世纪的研究，稀 土在钢中的作用机理和规律也取得了很大的进 展，钢中加入适量稀土可以起到净化钢液、变质夹 杂、微合金化等作用[14−17] . 此外，稀土在氧化物冶 金方面的应用也有部分研究，但仅停留在实验室 阶段. Thewlis 利用 50 kg 感应炉冶炼得到的试验 钢中 Ce 的质量分数为 0.02%～0.12%，S 的质量分 数 为 0.007%～ 0.034%，发现钢中夹杂物主要 是 CeS，Ce3S4 和 Ce2O2S，采用面积法统计的钢中晶内 针状铁素体占比超过 60% [18] . Yu 等研究发现钢中 加入适量 Ce 后，生成的 Ce 的氧硫化物颗粒能够 有效促进晶内针状铁素体的形成，显著地提高了 焊接热影响区韧性[19] . 目前文献中报道的稀土氧化物冶金技术多通 过控制钢中稀土夹杂物的细小弥散分布，一方面 利用这些夹杂物钉轧晶界，抑制焊接过程中晶粒 粗化；另一方面在冷却过程中诱导针状铁素体的 形成，从而改善焊接热影响区韧性. 然而，对于高 碳当量高强厚板，除原奥氏体晶粒粗化外，焊接热 影响区易生成上贝氏体、粒状贝氏体等组织，很难 生成铁素体组织. 因此，本文针对 700 MPa 级高强 度厚板，研究了工业条件下钢中加入适量稀土对 焊接热影响区韧性的影响及作用机理，开拓了稀 土元素在氧化物冶金领域的实际应用. 1    试验材料与方法 实验用钢为包钢生产的 700 MPa 级高强度厚 板，生产工艺为：转炉→LF 精炼→RH 精炼→连铸. 其中，RH 精炼过程中加入 Ce–Fe 合金. 两种试验 钢化学成分如表 1 所示，其中 Ce、Ca 和 Mg 元素 采用 ICP–MS 测定. 连铸后两种实验钢均采用相 同的轧制工艺及淬火–回火工艺，实验用钢最终轧 制厚度为 30 mm. 在调质处理后板材上取样，测定 实验钢母材“V”型夏比冲击功及屈服、抗拉强度， 冲击试验进行三次，拉伸试验进行两次，试验结果 如表 2 所示. 从厚度为 30 mm 的调质后钢板上取样，将试 样加工为 10.5 mm×10.5 mm×75 mm 的焊接热模拟 试样，在 Gleeble3500 热模拟试验机上进行模拟焊 接试验. 采用 Rykalin2D 模型模拟 30 mm 厚钢板， 表 1 实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % Sample C Si Mn P Al Nb V O Sample A 0.12 0.32 1.60 0.014 0.024 0.047 0.066 0.0012 Sample B 0.12 0.37 1.70 0.014 0.027 0.048 0.069 0.0016 Sample Cr Mo Ca Mg Ce Ti S N Sample A 0.284 0.130 0.0017 0.0004 0 0.017 0.0019 0.0030 Sample B 0.300 0.130 0.0012 0.0005 0.0018 0.017 0.0030 0.0037 · 1482 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期

陆斌等：铈对工程机械用700MPa级高强钢焊接性能的影响 1483· 表2实验钢母材力学性能 Table 2 Mechanical properties of experimental steels ReL/MPa R/MPa A/% A刀 Average value of A/J Sample A 794 799 832 830 14.5 15.0 213 213 220 216 Sample B 803 800 840 843 14.0 14.5 181 209 227 205 Note:RL一yield strength,Rn一tensile strength,A--elongation,.4kw一impact energy at-20℃. 模拟的焊接线能量分别为25、50、75和100kJcm, (a) (b) 对应tg3(焊接热影响区从800℃冷却至300℃所 用的时间)分别为72、287、643和1148s,峰值温 GB 度为1350℃，峰温停留时间为1s. 将模拟焊接后试样加工成“V”型夏比标准冲 M/A 击试样，测定各试样室温冲击功，每个热输入试样 测定3次，取平均值；所得试样经线切割、预磨后 (c) d 使用硬度仪(THV-1MDX)测定热影响区硬度：之 后将试样抛光，用硝酸体积分数为4%的酒精溶液 GB 侵蚀数秒，用光学金相显微镜(LEICA DM4M)观 察显微组织，并使用带有能谱仪(Thermo NS7)的 冷场发射扫描电镜(JSM-6701F)分析钢中夹杂物： 30 um 重新打磨抛光后，使用饱和苦味酸水溶液+少许海 鸥牌洗头膏在80℃恒温下侵蚀一定时间，使用光 图1钢A不同焊接热输入试样焊接热影响区显微组织.(a)25 学金相显微镜原始奥氏体晶粒，拍摄20个200倍 kJ-cm;(b)50 kJ-cm;(c)75 kJ-cm;(d)100 kJ.cm 视场，并采用截线法统计原始奥氏体晶粒尺寸. Fig.I Microstructures in HAZ of sample A after welding simulation: (a)25 kJ.cm;(b)50 kJ.cm;(c)75 kJ.cm;(d)100 kJ-cm 2试验结果与讨论 (b) 21焊接热影响区显微组织分析 图1和图2分别为钢A和钢B热模拟后不同 热输入下焊接热影响区光学显微组织.对于无稀 土的钢A,焊接热输人为25kJcm,热影响区显微 GB 组织主要为马氏体(M).热输人为50kJcm时， 热影响区组织主要为上贝氏体(UB)和粒状贝氏体 (GB).热输入增加至75kJcm,热影响区组织为 粒状贝氏体.对于含稀土的钢B,随着焊接热输入 的逐渐增加，热影响区显微组织也逐渐由马氏体、 下贝氏体(LB)转变为上贝氏体和粒状贝氏体.但 热输入为50kJcm时，无稀土钢中热影响区已经 50 um 生成了上贝氏体组织，而稀土钢热影响区无上贝 氏体组织，表明稀土推迟了上贝氏体的生成 图2钢B不同焊接热输人试样焊接热影响区显微组织.(a)25 贝氏体组织的力学性质主要取决于贝氏体组 kJ-cm (b)50 kJ-cm;(c)75 kJ-cm;(d)100 kJ.cm 织的形态.一般来说，上贝氏体的强度、韧性和耐 Fig.2 Microstructures in HAZ of sample B after welding simulation: (a)25 kJ.cm;(b)50 kJ-cm-;(c)75 kJ.cm;(d)100 kJ-cm 磨性均低于下贝氏体，一方面是由于下贝氏体的 转变温度较低，因此铁素体板条厚度更小；另一方 韧性恶化的主要原因之一，因此应避免热影响区 面与上贝氏体组织相比，下贝氏体组织中的碳化 形成上贝氏体 物尺寸更小，数量更多，因此第二相强化效果更加 通常，合金元素能否对钢的组织转变产生影 强烈.晶内转变组织为上贝氏体是造成热影响区 响，取决于其能否有效固溶于钢中，而固溶方式又

模拟的焊接线能量分别为 25、50、75 和 100 kJ·cm−1 ， 对应 t8/3（焊接热影响区从 800 ℃ 冷却至 300 ℃ 所 用的时间）分别为 72、287、643 和 1148 s，峰值温 度为 1350 ℃，峰温停留时间为 1 s. 将模拟焊接后试样加工成“V”型夏比标准冲 击试样，测定各试样室温冲击功，每个热输入试样 测定 3 次，取平均值；所得试样经线切割、预磨后 使用硬度仪（THV–1MDX）测定热影响区硬度；之 后将试样抛光，用硝酸体积分数为 4% 的酒精溶液 侵蚀数秒，用光学金相显微镜（LEICA DM4M）观 察显微组织，并使用带有能谱仪（Thermo NS7）的 冷场发射扫描电镜（JSM–6701F）分析钢中夹杂物； 重新打磨抛光后，使用饱和苦味酸水溶液+少许海 鸥牌洗头膏在 80 ℃ 恒温下侵蚀一定时间，使用光 学金相显微镜原始奥氏体晶粒，拍摄 20 个 200 倍 视场，并采用截线法统计原始奥氏体晶粒尺寸. 2    试验结果与讨论 2.1    焊接热影响区显微组织分析 图 1 和图 2 分别为钢 A 和钢 B 热模拟后不同 热输入下焊接热影响区光学显微组织. 对于无稀 土的钢 A，焊接热输入为 25 kJ·cm−1，热影响区显微 组织主要为马氏体（M）. 热输入为 50 kJ·cm−1 时， 热影响区组织主要为上贝氏体（UB）和粒状贝氏体 （GB）. 热输入增加至 75 kJ·cm−1，热影响区组织为 粒状贝氏体. 对于含稀土的钢 B，随着焊接热输入 的逐渐增加，热影响区显微组织也逐渐由马氏体、 下贝氏体（LB）转变为上贝氏体和粒状贝氏体. 但 热输入为 50 kJ·cm−1 时，无稀土钢中热影响区已经 生成了上贝氏体组织，而稀土钢热影响区无上贝 氏体组织，表明稀土推迟了上贝氏体的生成. 贝氏体组织的力学性质主要取决于贝氏体组 织的形态. 一般来说，上贝氏体的强度、韧性和耐 磨性均低于下贝氏体，一方面是由于下贝氏体的 转变温度较低，因此铁素体板条厚度更小；另一方 面与上贝氏体组织相比，下贝氏体组织中的碳化 物尺寸更小，数量更多，因此第二相强化效果更加 强烈. 晶内转变组织为上贝氏体是造成热影响区 韧性恶化的主要原因之一，因此应避免热影响区 形成上贝氏体. 通常，合金元素能否对钢的组织转变产生影 响，取决于其能否有效固溶于钢中，而固溶方式又 表 2 实验钢母材力学性能 Table 2 Mechanical properties of experimental steels ReL/MPa Rm/MPa A/% Akv/J Average value of Akv/J Sample A 794 799 832 830 14.5 15.0 213 213 220 216 Sample B 803 800 840 843 14.0 14.5 181 209 227 205 Note: ReL—yield strength, Rm—tensile strength, A—elongation, Akv—impact energy at −20 ℃. M GB UB M/A GB GB UB 30 μm (a) (c) (d) (b) 图 1 钢 A 不同焊接热输入试样焊接热影响区显微组织. （a） 25 kJ·cm−1；（b） 50 kJ·cm−1；（c） 75 kJ·cm−1；（d） 100 kJ·cm−1 Fig.1 Microstructures in HAZ of sample A after welding simulation: (a) 25 kJ·cm−1; (b) 50 kJ·cm−1; (c) 75 kJ·cm−1; (d) 100 kJ·cm−1 LB M GB LB GB UB GB UB 50 μm (a) (c) (d) (b) 图 2 钢 B 不同焊接热输入试样焊接热影响区显微组织. （a） 25 kJ·cm−1；（b） 50 kJ·cm−1；（c） 75 kJ·cm−1；（d） 100 kJ·cm−1 Fig.2 Microstructures in HAZ of sample B after welding simulation: (a) 25 kJ·cm−1; (b) 50 kJ·cm−1; (c) 75 kJ·cm−1; (d) 100 kJ·cm−1 陆 斌等： 铈对工程机械用 700 MPa 级高强钢焊接性能的影响 · 1483 ·

1484 工程科学学报，第42卷，第11期 取决于合金原子与Fe原子的原子半径.研究表 Sample A 明，稀土元素在钢中有微量固溶，由于Ce的原子 Z☑Sample B 84.8 半径比Fe原子大，所以固溶的Ce原子更容易偏 80 714 70. 聚于晶界和位错线上Ce原子偏聚到晶界和位 61.2 60 错线上后，就会对碳的扩散和碳化物的析出产生 49.3 45.2 影响.过冷奥氏体的转变过程中，转变温度较高时， 40 碳化物从相界面析出，分布在铁素体板条间，形成 了羽毛状的上贝氏体，稀土通过影响碳元素的扩 散和碳化物的析出推迟了上贝氏体的转变20-2 50 75 2.2原奥氏体晶粒分析 100 Heat input/(kJ-cm) 图3和图4分别为钢A和钢B热模拟后不同 图5实验钢原奥氏体晶粒平均尺寸 热输入下焊接热影响区原奥氏体晶粒照片，由图可 Fig.5 Average sizes of prior-austenite grains in HAZ 以看出，随着焊接热输入的增加，原奥氏体晶粒均 温金相观察表明，相同加热温度下，RE质量分数 逐渐变大.图5使用截线法统计了实验钢焊接热影 为0.0037%（固溶稀土质量分数0.0009%）的16Mm 响区原奥氏体晶粒平均尺寸.随着焊接热输入从 钢原奥氏体晶粒尺寸更小，采用离子探针对含稀 25kJcm增加到100kJcm,未添加稀土的钢 土16Mn钢的沿品断口分析表明，固溶稀土偏聚在 A原奥氏体晶粒平均尺寸由45.2um增加到84.8m, 晶界，其对晶界的拖拽作用能阻止晶界迁移，抑制 而相同热输入下含稀土的钢B原奥氏体晶粒平均 晶粒长大.Gao等2)、Zhao等的研究结果也均 尺寸明显小于无稀土钢，表明钢中加入稀土C能 表明固溶稀土能够有效抑制晶粒长大 够细化晶粒，抑制焊接过程中奥氏体晶粒的长大， 第二相强化是钢铁材料的一种重要的强化方 式，钢中加人适量V、Nb、Ti等合金元素能够析出 (b) 碳化物、氨化物，这些析出相通过钉轧晶界和位错 的方式对钢材性能起到强化作用.使用Thermo- Calc软件对不添加稀土时钢凝固过程中的碳氨化 物进行计算，结果如图6所示，图中黑色虚线表示 100um 100μm 模拟焊接峰值温度为1350℃.由图6可以看出， 困3钢A不同焊接热输入试样焊接热影响区原奥氏体品粒照片、 高强钢凝固过程中可以析出大量V、Nb、Ti和 (a)25 kJ-cm-;(b)50 kJ-cm-1 A1的碳氨化物，这些第二相粒子能够有效提高钢 Fig.3 Prior-austenite grains in HAZ of sample A after welding simu- 材性能.然而，AIN、VC和Nb(C,N)的析出温度均 lation:(a)25 kJ-cm;(b)50 kJ.cm 低于焊接峰值温度，因此这些第二相粒子无法 在焊接过程中起到抑制晶粒长大的作用.尽管 Ti(C,N)的析出温度高于1350℃，在此温度下，Ti(C,N) 100 a-Fe y-Fe 100m 100Hm 图4钢B不同焊接热输入试样焊接热影响区原奥氏体品粒照片 (a)25 kJ-cm;(b)50 kJ.cm- 0.1 Nb(C,N) Fig.4 Prior-austenite grains in HAZ of sample B after welding simu- Ti(C,N lation:(a)25 kJ-cm-;(b)50 kJ-cm- 0.01 AIN 稀土在钢中的存在状态可分为两部分，一部 0.001 分是固溶的原子态，另一部分是与钢中的O、S等 400 600 8001000120014001600 Temperature/℃ 元素结合成的稀土夹杂物.固溶稀土对奥氏体晶 图6无稀土时高强钢凝固过程中V、Nb、Ti和A!的碳氨化物计算 粒尺寸的影响已有很多研究.林勤等四对未加稀 Fig.6 Calculations of carbonitrides of V.Nb.Ti,and Al of high 土和加稀土的16Mn钢试样真空热浸蚀组织的高 strength steel without addition of cerium

取决于合金原子与 Fe 原子的原子半径. 研究表 明，稀土元素在钢中有微量固溶，由于 Ce 的原子 半径比 Fe 原子大，所以固溶的 Ce 原子更容易偏 聚于晶界和位错线上[16] . Ce 原子偏聚到晶界和位 错线上后，就会对碳的扩散和碳化物的析出产生 影响. 过冷奥氏体的转变过程中，转变温度较高时， 碳化物从相界面析出，分布在铁素体板条间，形成 了羽毛状的上贝氏体，稀土通过影响碳元素的扩 散和碳化物的析出推迟了上贝氏体的转变[20−21] . 2.2    原奥氏体晶粒分析 图 3 和图 4 分别为钢 A 和钢 B 热模拟后不同 热输入下焊接热影响区原奥氏体晶粒照片，由图可 以看出，随着焊接热输入的增加，原奥氏体晶粒均 逐渐变大. 图 5 使用截线法统计了实验钢焊接热影 响区原奥氏体晶粒平均尺寸. 随着焊接热输入从 25 kJ·cm−1 增 加 到 100 kJ·cm−1， 未 添 加 稀 土 的 钢 A 原奥氏体晶粒平均尺寸由 45.2 μm 增加到 84.8 μm， 而相同热输入下含稀土的钢 B 原奥氏体晶粒平均 尺寸明显小于无稀土钢，表明钢中加入稀土 Ce 能 够细化晶粒，抑制焊接过程中奥氏体晶粒的长大. 稀土在钢中的存在状态可分为两部分，一部 分是固溶的原子态，另一部分是与钢中的 O、S 等 元素结合成的稀土夹杂物. 固溶稀土对奥氏体晶 粒尺寸的影响已有很多研究. 林勤等[22] 对未加稀 土和加稀土的 16Mn 钢试样真空热浸蚀组织的高 温金相观察表明，相同加热温度下，RE 质量分数 为 0.0037%（固溶稀土质量分数 0.0009%）的 16Mn 钢原奥氏体晶粒尺寸更小，采用离子探针对含稀 土 16Mn 钢的沿晶断口分析表明，固溶稀土偏聚在 晶界，其对晶界的拖拽作用能阻止晶界迁移，抑制 晶粒长大. Gao 等[23]、Zhao 等[24] 的研究结果也均 表明固溶稀土能够有效抑制晶粒长大. 第二相强化是钢铁材料的一种重要的强化方 式，钢中加入适量 V、Nb、Ti 等合金元素能够析出 碳化物、氮化物，这些析出相通过钉轧晶界和位错 的方式对钢材性能起到强化作用. 使用 Thermo– Calc 软件对不添加稀土时钢凝固过程中的碳氮化 物进行计算，结果如图 6 所示，图中黑色虚线表示 模拟焊接峰值温度为 1350 ℃. 由图 6 可以看出， 高强钢凝固过程中可以析出大 量 V、 Nb、 Ti 和 Al 的碳氮化物，这些第二相粒子能够有效提高钢 材性能. 然而，AlN、VC 和 Nb(C,N) 的析出温度均 低于焊接峰值温度，因此这些第二相粒子无法 在焊接过程中起到抑制晶粒长大的作用. 尽管 Ti(C,N) 的析出温度高于1350℃，在此温度下，Ti(C,N) 100 μm 100 μm (a) (b) 图 3 钢 A 不同焊接热输入试样焊接热影响区原奥氏体晶粒照片. （a） 25 kJ·cm−1；（b） 50 kJ·cm−1 Fig.3 Prior-austenite grains in HAZ of sample A after welding simu￾lation: (a) 25 kJ·cm−1; (b) 50 kJ·cm−1 100 μm 100 μm (a) (b) 图 4 钢 B 不同焊接热输入试样焊接热影响区原奥氏体晶粒照片. （a） 25 kJ·cm−1；（b） 50 kJ·cm−1 Fig.4 Prior-austenite grains in HAZ of sample B after welding simu￾lation: (a) 25 kJ·cm−1; (b) 50 kJ·cm−1 25 50 75 100 0 20 40 60 80 100 70.7 84.8 46.9 71.4 46.1 61.2 45.2 Average size of prior-austenite grains/μm Heat input/(kJ·cm−1) Sample A Sample B 49.3 图 5 实验钢原奥氏体晶粒平均尺寸 Fig.5 Average sizes of prior-austenite grains in HAZ 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.001 0.01 0.1 1 10 100 VC AlN Nb (C, N) Ti (C, N) α-Fe δ-Fe Liquid Mass fraction of phases/ % Temperature/℃ 1 350 ℃ γ-Fe 图 6 无稀土时高强钢凝固过程中 V、Nb、Ti 和 Al 的碳氮化物计算 Fig.6 Calculations of carbonitrides of V, Nb, Ti, and Al of high￾strength steel without addition of cerium · 1484 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期