1针状铁素体的生成机制
当前,钢结构正向大型化和应用更加广泛的趋势发展。在焊接结构的低合金焊缝金属方面,为保证强度和韧性,广泛采用了针状铁素体组织。原因是针状铁素体是在晶内夹杂物生核的针状的铁素体(α),具有晶粒尺寸小和大倾角晶界的特点。
在普遍使用的Si-Mn系焊缝金属中添加Ti,可以产生针状铁素体。焊缝金属针状铁素体被发现后,就作为提高高强度焊缝金属韧性的有效方法得到广泛应用,并且对针状铁素体的生成机制进行了许多研究,对针状铁素体的生成机制提出多种观点:
1)与针状铁素体具有良好共格性的异质核促进针状铁素体形成;2)夹杂物吸收Mn,或夹杂物上MnS析出引起夹杂物周围贫Mn层形成,促进针状铁素体形成;3)夹杂物和奥氏体(γ)的热收缩差引起拉伸应变或导入位错,促进针状铁素体形成;4)碳化物形成使夹杂物周围发生脱碳,促进针状铁素体形成;5)氧含量过剩的氧化物引起夹杂物周围发生脱碳,促进针状铁素体形成;6)惰性异质形核诱发针状铁素体形成。
其中1)、2)是最主要的观点。研究报告指出,在夹杂物共格性方面,TiO、TiN、Ti2O3是与针状铁素体具有良好共格性的Ti系氧化物。MnAl2O4等是与针状铁素体具有良好共格性的Al-Mn系尖晶石夹杂物。这些夹杂物可以成为针状铁素体生成核心已经得到实验证明。但与针状铁素体具有良好共格性的γ-Al2O3并没有成为针状铁素体生成的有效核心。因此不能说对针状铁素体的生成机制已经完全认识清楚。
此外,有研究报告指出,夹杂物中的MnS和阳离子空位型Ti氧化物引起的Mn吸收,使夹杂物周围形成γ稳定化元素Mn的贫化层,增加了局部区域针状铁素体形成的驱动力,促进了针状铁素体的形成。但是夹杂物是低S的Ti氧化物时,也可获得针状铁素体,由此可知,对贫Mn层是否是针状铁素体生成的必要条件,也尚未认识清楚。
2 Ti、B对针状铁素体生成的影响
一般来说,Ti以固溶形态存在于α中时,Ti是降低韧性的元素。但在焊缝金属中Ti以氧化物的形态存在于夹杂物中对针状铁素体的生成起着重要作用。Ti与氧有着很高的亲和性,为使Ti以氧化物的形态存在,用氧势大于Ti的Al进行一次脱氧后的残余氧量是十分重要的参数。
4/3Al O2→2/3Al2O3
一些研究人员将Al/O作为一次Al脱氧后的氧势指标,指出,对于Ti-B系焊缝金属,当Al/O=0.3-1.0时,可以大量生成针状铁素体。Al过多时,不能保证Ti氧化物生成所需要的氧量,针状铁素体难于生成。Al不足时,除了Ti氧化物,还生成许多Si-Mn氧化物,这些氧化物不能成为针状铁素体的生核地点。此外,添加氧势小于Al的Ca等元素,会减少针状铁素体的生成量。因此,为在焊缝金属中生成针状铁素体,除了要控制Ti的添加量,将与氧有强亲和力的Al、Si、Mn等元素含量控制在适当范围内也非常重要。为获得稳定的针状铁素体,除了添加Ti,形成针状铁素体核心,添加B抑制铁素体、贝氏体在γ晶界长大也很重要。固溶B容易产生晶界偏析、降低γ晶界的界面能,提高焊缝金属的淬透性,所以,添加B具有抑制γ→α转变中产生导致韧性恶化的晶界铁素体和铁素体侧片(FSP)等粗大组织的效果。由于B与N、O具有很大的亲和力,容易生成BN、B2O3,所以,B的添加量要足够,即使生成BN、B2O3,还应有足够的固溶B存在,或者添加Al、Ti保持B-Al-Ti-N-O的适度平衡,以保证焊缝金属中具有足够的固溶B。
图1是添加B、Ti对埋弧焊(SAW)焊缝金属组织的影响。Ti的添加促进了晶内铁素体(IGF)的生成,添加B抑制了在原始γ晶界产生粗大的晶界铁素体(GBF)和铁素体侧片。
3针状铁素体形成的直接动态观察技术
近年来,为阐明针状铁素体的生成机制,进行了许多研究工作。由于研究装置的高功能化和解析技术的进步,利用高温激光显微镜对针状铁素体的生成进行了直接动态观察研究。高温激光显微镜的特点是可以对从相变点以上的γ区到相变结束的整个相变行为进行连续观察。利用高温激光显微镜不仅可以对在晶内夹杂物生核的针状铁素体转变行为进行观察,而且可以对组织中的指定夹杂物进行相解析。所以利用高温激光显微镜可以对针状铁素体的转变行为进行详细观察和研究。
为了进行高温观察,将试
样的辐射光进行遮蔽,采用了具有针孔结构的共聚焦光学系统。使用He-Ne激光光源对试样表面进行聚焦和扫描,使试样表面处于焦点位置。利用CCD(光电耦合器件)前面的针孔排除反射光中焦点以外的辐射光,形成二维图像。
图2是利用高温激光显微镜对Ti-B系SAW焊缝金属加热到1400℃以及随后的冷却中生成针状铁素体过程观察的照片。可以看到,在580℃附近,针状铁素体在较大的夹杂物上生成。初生针状铁素体形成后,针状铁素体在不同取向竞争生长,在530℃附近转变结束,形成了微细的针状铁素体。还可以看到,针状铁素体的生核起点主要是夹杂物,其中在尺寸大的夹杂物优先开始发生切变型转变。此外,也常常观察到不以夹杂物为起点的针状铁素体。出现这种现象的主要原因是以试样内部夹杂物为起点生核、长大的针状铁素体显现在试样表面,或者以已经生核的针状铁素体为起点在其他取向上进行生核、长大。
4夹杂物和针状铁素体的晶体学取向关系
一般认为,含Ti氧化物夹杂物对于针状铁素体的生成有很大作用,但其机制的具体细节尚有许多不明之处。
具有针状铁素体组织的Ti-B系SAW焊缝金属中夹杂物的STEM(扫描透射电镜)图像和该图像的EDS(X射线能谱仪)解析结果表明,在夹杂物内部有Al和Mn的富集,夹杂物周围有富Ti层。SAD(选区衍射)图像解析鉴定结果表明,夹杂物周围的富Ti层是B1型TiO。这种TiO与相邻的针状铁素体具有(100)α-Fe∥(100)TiO以及[110]α-Fe∥[100]TiO的Baker-Nutting(B-N)取向关系。这说明当针状铁素体核心与夹杂物具有一定取向关系时可以生成针状铁素体核心。
5奥氏体与针状铁素体的晶体学取向关系
一般情况下,切变型相变形成的铁素体与母相奥氏体具有K-S取向关系。但针状铁素体与母相奥氏体的取向关系与K-S关系略有不同。用电渣焊(ESW)和SAW的方法改变焊接热输入,对焊缝金属形成的针状铁素体取向进行EBSD测定。图3是ESW焊缝金属的铁素体的反极图。中心黑色部分是夹杂物。许多铁素体晶粒与母相奥氏体具有K-S关系,但与夹杂物相邻的一些铁素体晶粒在生成初期与K-S关系有所偏离,之后一面逐渐转向K-S关系、一面长大。而SAW焊缝金属的铁素体的反极图显示,SAW焊缝金属铁素体的取向与热输入大的ESW焊缝金属铁素体的取向不同,SAW焊缝金属中与夹杂物相邻的一些铁素体晶粒在生成初期与K-S关系有所偏离,并且保持这个取向长大直到转变结束。在这些铁素体晶粒的周围生成了新的满足K-S关系的针状铁素体。
这说明,在针状铁素体生成阶段,从夹杂物界面形成的TiO上生成的具有B-N关系的铁素体,在热输入大、冷却速度小的条件下,一面转向K-S关系、一面长大。在热输入小、冷却速度大的条件下,取向不发生转动直到长大结束,并且在其周围生成了新的满足K-S关系的针状铁素体。结果是,虽然最终焊缝组织都是同样的针状铁素体组织,但热输入和冷却条件不同,针状铁素体的长大过程差异很大。
6小结
本文介绍了高强度低碳钢的焊缝组织和广泛利用的针状铁素体组织控制方面的新见解。在夹杂物极表层存在的TiO薄膜可能对针状铁素体的形成产生影响。在针状铁素体形成机制方面尚有许多不明之处需深入研究。