５７８ 武汉科技大学学报（自然科学版） ２００７年第６期 均匀，同时含有极少量先共析铁素体组织，如图２ 形核，整个析出相作为针状铁素体的形核核心。 所示。接头正火区（图３）为贝氏体＋铁素体＋细 珠光体组织，与基材组织相比，晶粒明显得到细 化；接头不完全正火区（图４）为铁素体＋细珠光 体，与基材组织基本类似。总的来讲，热影响区的 组织比较细，具有较高的强度和冲击韧性。 贝氏体＋针状铁素体＋先共析铁素体 图２过热区组织 铁素体＋贝氏体＋细珠光体 图３正火区组织 图４不完全正火区组织 组织观察结果表明在焊接区域都含有针状铁 素体。针状铁素体为原奥氏体晶内有方向性的细 小铁素体，具有较高的位错密度，是低合金高强度 钢在连续冷却下获得的一种类贝氏体组织。它的 转变温度略高于上贝氏体，以扩散和切变的混合 机制实现转变。 目前，关于针状铁素体的形核机理说法较多， 但公认的是，无论在钢板还是焊接金属中，针状铁 素体是以晶内夹杂物为形核核心形成的，但针状 铁素体很少从夹杂物上直接形核，而是析出相首 先从夹杂物上析出，然后针状铁素体从析出相上 本文所研究的试验钢和采用的焊条都含有微量 Ｔｉ，冶炼时在钢中会形成一些Ｔｉ Ｏ。或ＴｉＯ夹杂 物，析出相ＴｉＮ和ＭｎＳ从Ｔｉ Ｏ。或ＴｉＯ夹杂物 上析出，然后在轧后合适的冷却速度下，针状铁素 体就在整个析出相上形成口］。从试验钢焊接组织 可知，焊接区均有针状铁素体存在，尤其焊缝和过 热区含有大量的细小针状铁素体组织，这种组织 在提高强度的同时，还能显著改善焊接热影响区 的低温韧性。 ２．２焊接接头力学性能 试验钢焊接接头拉伸及弯曲试验结果如表１ 所示。由表１中可见，焊接接头在拉伸试验中均 表１ 焊接接头拉伸及冷弯试验结果 在母材处断裂，说明焊接接头抗拉强度高于母材； 经１８０。冷弯试验后，接头处无裂纹产生，具有优 良的冷弯性能，焊接接头强塑性匹配良好。冲击 试验结果如图５所示。手弧焊焊缝、热影响区和 熔合线三区一２０℃时冲击值均在１００ Ｊ以上，具 有优良的低温冲击韧性，远远高于母材的技术条 件要求的韧性指标（一２Ｏ。Ｃ时Ａｘｖ≥４１ Ｊ）；由于 手弧焊焊接线能量小于埋弧焊焊接线能量，因此， 埋弧焊焊缝、热影响区和熔合线三区一２０℃时冲 击值相比手弧焊略有下降，其中焊缝一２０℃时冲 击值较高，热影响区和熔合线一２０℃冲击值略 ｌ ｌ 皇１ １ １ 试验温度，℃ （ａ）手Ｔ焊 １６０ １４０ １２０ 主 １００ ８０ ６０ ５０ 试验温度，℃ （ｂ）埋孤焊 图５焊接接头冲击试验结果示意图 ●一焊缝；●一ＨＡＺ；▲一熔合线 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００７年第６期 童明伟，等：高性能耐候建筑钢的焊接性能研究 ５７９ 低，但仍在８０ Ｊ以上，优于母材的技术条件要求。 同时，从一２０℃到一４０℃时，冲击功下降速率相 对较快，表明该钢焊接区的韧脆转变温度在一２０ ＾Ｃ附近。上述试验结果表明，该钢焊接接头具有 优良的力学性能。 焊接试验结果表明，试验钢的焊接性能非常 优良，焊缝区的低温韧性高于基材的要求，这都是 针状铁素体组织起的作用。当焊缝金属中形成针 状铁素体时，焊接接头抗解理的能力增强，尤其是 抗应力腐蚀和抗氢脆的能力明显提高；大线能量 焊接后的焊缝区和ＣＧＨＡＺ具有较高的强度和 良好的低温冲击韧性［４ ］；且针状铁素体所占比 例越高，上述性能就越好 。 本试验钢属含Ｔｉ微合金钢，钢中Ｔｉ以ＴｉＮ 的形式存在。钢中弥散分布的ＴｉＮ质点能有效 地阻止奥氏体晶粒长大和促进针状铁素体的形 成，从而显著改善ＣＧＨＡＺ的韧性 ］，钢中这些 细小弥散分布的ＴｉＮ质点拖拽和钉扎了高温奥 氏体晶界的迁移，ＴｉＮ颗粒尺寸越小，数量越多， 阻止奥氏体晶粒长大的作用就越强。而当微Ｔｉ 钢中的叫 。／ｗ 值接近理想化学配比３．４２时，形 成的ＴｉＮ颗粒尺寸相对最小，数量最多，此时， ＴｉＮ颗粒对高温奥氏体晶粒的细化作用最强。尹 桂全等 。。利用ＴｉＮ在７－Ｆｅ中的固溶度积公式 ｌｇ（［Ｔｉ］［Ｎ］） 一０．３２—８ Ｏ００／Ｔ 式中：丁为温度，℃。计算出：在一定的温度（如 １ ３２０ Ｃ）和叫 （如０．００４ ）的条件下固溶的叫Ｔ。 仅为０．００５ 。由此可知，随着叫 。的不断增加， 未溶的Ｔｉ量相应增加，即沉淀析出的ＴｉＮ颗粒 数量增多；当叫 。在０．０１５ 左右时，ＴｉＮ颗粒数 量出现峰值 。本试验钢中叫 ，约为０．０１４ ５ ， 叫 。／ｗ 值接近理想化学配比值３．４２，形成的ＴｉＮ 颗粒数量较多，奥氏体晶粒细化程度得以提高，从 而有效地改善了ＣＧＨＡＺ的低温冲击韧性。 ２．３焊接接头最高硬度 国际焊接学会规定，焊接热影响区最高硬度 试验最高硬度值低于３５０ ＨＶ１０时，钢在焊接时 产生冷裂纹的倾向较小。本试验钢焊接接头各区 硬度（ＨＶ１０）测试线位于焊缝表层下２ ｍｍ处，测 试方向为母材一热影响区一焊缝一热影响区一母 材，硬度值分布呈马鞍形，如图６所示。试验结果 表明：在室温条件下，该钢手弧焊和埋弧焊焊接接 头各区硬度值分别在１６０～２６０ ＨＶ１０和１６０～ ２３４ ＨＶ１０范围之内，远低于国际焊接学会要求 的３５０ ＨＶ１０，说明硬度值处于较为理想的范围 内，无明显的硬化及软化现象。有研究表明口］：在 同时含有合金元素ｃｒ，Ｂ的钢中，由于ｃｒ，Ｂ均为 增强淬透性元素，二者增大了钢的淬硬性倾向，因 此会使钢丧失低焊接裂纹敏感性。由热影响区最 高硬度值可知，本试验钢中单独添加Ｃｒ元素对其 低焊接裂纹敏感性影响不大，因此，试验钢在焊接 时产生冷裂纹的倾向较小。 测点距离／ｍｍ （ａ）手弧焊 测点距鬲／ａｒｍ （ｂ）埋弧焊 图６焊接接头硬度曲线 由图６中可以看出，焊接区的硬度呈马鞍形 分布。在焊缝区，由于得到的都是铁素体类组织， 硬度低，到了过热区主要为贝氏体组织，硬度就猛 然升高，接着就是正火区和不完全正火区，其组织 为较粗大的铁素体和细的珠光体，硬度又猛然下 降。焊接区组织的变化使得焊接区的硬度呈马鞍 形分布。 ２．４焊接接头电化学腐蚀试验 在室温下，对全焊缝接头进行电化学腐蚀性 能测试试验，测试部位依次为母材一热影响区一 焊缝一热影响区一母材。试验首先将试样进行抛 光，然后经３ 硝酸酒精侵蚀，使试样的母材、热 影响区和焊缝三区清晰可辨。各区以甘汞电极做 参比，采用微区电化学技术，在３ ＮａＣ１溶液中 稳定２ ｍｉｎ时测得的各区腐蚀电位如图７所示。 图７中，测试区１—２—３—４—５依次对应为母材 一热影响区一焊缝一热影响区一母材。手弧焊全 焊缝接头电化学腐蚀测试结果表明，母材、热影响 区和焊缝三区电位差异相差极小，不超过４．５ ９／６， 电位分布基本合理，焊丝与焊接工艺匹配，这说明 该钢焊接接头具有优良的电化学腐蚀性能。 从图７中可见，焊接区的腐蚀电位较低，很显 然是由于试验钢和焊料的化学成分不一致引起的 电极电位差导致的。同时，埋弧焊的线能量高，组 维普资讯 http://www.cqvip.com ５８Ｏ 武汉科技大学学报（自然科学版） ２００７年第６期 织较粗大，其电化学腐蚀性能相对手弧焊的略低。 不过，埋弧焊的最低腐蚀电位也只有一４９６ ｍＶ， 具有较好的电化学腐蚀性能。 ［２］上田修三．结构钢的焊接一低合金钢的性能及冶金 学［Ｍ］．荆洪阳，译．北京：冶金工业出版社，２００４： １—６． ［３］ Ｙａｓａｓｈｉ Ｍｏｒｉｋａｇｅ Ａ Ｇ Ｅ，Ｋｅｎｊｉ Ｏ Ｉ，Ｆｕｍｉｍａｒｕ ｋａｗ ＡＢＡＴＡ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＴｉＮ ｓｉｚｅ ｏｎ ｆｅｒｒｉｔｅ 毫 、 ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｏｎ ＴｉＮ ｉｎ ｌｏｗ—Ｃ Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｔｅｔｓｕ—ｔＯ～ Ｈａｇａｎｅ，１９９８：８４（７），４０—４５． 删 基 整 ［４］ Ｙｕｋｉｈｉｋｏ Ｈ Ｍ Ｗ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ＨＡＺ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ＨＳＬＡ ｓｔｅｅｌ ｂｙ ｆｉｎｅｌｙ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ［Ｊ］．Ｎｉｐｐｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，１９８８，３７（３）：１． ［５］Ｎａｓｌｒ Ｕ Ａ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｐｕｔ ｏｎ Ｔｉ－Ｂ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ 图７焊接接头电化学腐蚀测试结果示意图 ■一埋弧焊；●一手弧焊 ｗｅｌｄ ｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８９ （１）：７． ［６］ 王核源，张舒庆．Ｔｉ，Ｂ微量元素对焊缝金属韧性的 ３ 结论 （１）试验钢焊接接头力学性能和耐腐蚀性优 良，且具有较低的焊接冷裂纹敏感性。 作用ＥＪ］．机械，２００２，２９（１）：６４—６６． ［７］韩顺昌．针状铁素体的物理冶金学［Ｊ］．材料开发与 应用，１９９５，１０（５）：２－７． ［８］ 楼松年，唐逸民，陈茂爱．Ｔｉ对低合金高强度钢焊 接粗晶热影响区组织及韧性的影响［Ｊ］．特殊钢， ２００１，２２（５）：５． （２）添加约０．０１５ Ｔｉ，焊接热影响区形成一 定量的针状铁素体组织，有助于改善ＣＧＨＡＺ的 低温韧性。 （３）Ｗ 。／ｗ 理想化学配比为３．４２时，有利于 ［９］尹桂全，高甲生，洪永昌，等．微量Ｔｉ对焊接热影 响区奥氏体晶粒长大倾向的影响［Ｊ］．上海金属， １９９８（１）：２４． 细化组织和提高钢板的强韧性。 参 考 文 献 ［１］陈晓，ｂ勇，张莉芹，等．大线能量低焊接裂纹敏感 ［１Ｏ］尹桂全，高甲生，洪永昌．微量Ｎｂ对微Ｔｉ钢焊接 ＨＡｚ奥氏体晶粒长大倾向的影响［Ｊ］．焊接学报， １９９８，１９（１）：１３－Ｉ８． 性钢性能及组织研究［Ｊ］．钢铁研究，２００２（６）：２３— ２５． ［１１］Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂｅ Ｒ Ｗ Ｋ，Ｂｈａｄｅｓｈｉａ Ｈ Ｋ Ｄ Ｈ．Ｓｔｅｅｌｓ： ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｅｄｗａｒｄ Ａｒｎｏｌｄ，１９９５． Ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｈｉｇｈ。ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌ Ｔｏｎｇ Ｍｉｎｇｗｅｉ ，Ｙｕａｎ Ｚｅｘｉ ，Ｂｕ Ｙｏｎｇ ，Ｚｈａｎｇ Ｋａｉｇｕａｎｇ （１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｗｕｈａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ４３００８０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ＳＯ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａ１ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｘｉｍｕｍ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａ１ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔ— ａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｍｅｔａｌ，ｆｕｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｈａｓ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｃｏｌｄ—ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｋｅｖ ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｔｈｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌ；ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ［责任编辑郑淑芳］
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