高精度SH-CCT曲線繪制方法探索

陸恒昌，麻永林，王 權(quán)，邢淑清

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 前言

實(shí)驗(yàn)?zāi)M焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（Simulated HAZ CCT diagram，簡稱SH-CCT圖）主要反映焊接過熱區(qū)組織的相變過程和特征，為評價(jià)鋼材性能和制定焊接工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測定方法有金相法、膨脹法、熱分析法、磁感應(yīng)法等。本研究采用焊接熱模擬技術(shù)，在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上對幾個(gè)新開發(fā)的鋼種進(jìn)行了SH-CCT曲線的繪制。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于各種因素的作用和影響，實(shí)際膨脹曲線與理論曲線往往存在偏差，這給相變點(diǎn)的確定帶來難度，很多情況下取點(diǎn)過程中難免存在隨意性因素，因此，如何準(zhǔn)確處理這類曲線成為提高SH-CCT曲線精度的關(guān)鍵。

1 膨脹法基本原理

鋼鐵的多型性轉(zhuǎn)變導(dǎo)致復(fù)雜多變的固態(tài)相變，各相之間有著不同的膨脹系數(shù)和比熱容，如表1所示[1]。

表1 鋼中基本相的比熱容和線膨脹系數(shù)Tabl.1 Specific volumes and liner expansion factors of the elemental phases in steel

由表1可知各相比熱容關(guān)系是：奧氏體<鐵素體<珠光體<貝氏體<馬氏體，而熱膨脹系數(shù)則正好相反。因而，鋼試樣在加熱和冷卻會同時(shí)發(fā)生熱膨冷縮和體積的變化，其總長度的變化計(jì)算式如下[2]

式中 ΔL為加熱或冷卻時(shí)的全膨脹量；ΔL熱為熱脹冷縮引起的膨脹量；ΔL體為相變體積效應(yīng)引起的膨脹量。

在一定溫度范圍內(nèi)，同一相的膨脹系數(shù)變化并不明顯，可認(rèn)為各溫度的線膨脹系數(shù)均等于線平均膨脹系數(shù)，即 ΔL熱=α·ΔT，當(dāng)不發(fā)生相變時(shí)，ΔL相=0，則有 ΔL=ΔL熱=α·ΔT 為線性關(guān)系；發(fā)生相變時(shí)，該線性關(guān)系破壞，膨脹曲線就出現(xiàn)拐折，相變結(jié)束時(shí)，ΔL體=0，曲線又恢復(fù)線性關(guān)系。

根據(jù)以上理論，在冷卻過程中發(fā)生奧氏體向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，將得到如圖1所示的膨脹量曲線。由于珠光體的比熱容大于鐵素體，冷卻過程中在a點(diǎn)先共析鐵素體析出使膨脹量增加，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)體積再進(jìn)一步膨脹，使得膨脹曲線斜率相應(yīng)增加，并且中間會出現(xiàn)拐點(diǎn)b，在c點(diǎn)轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，斜率恢復(fù)。同理，在貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間d~f內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn)e。相應(yīng)點(diǎn)的溫度就對應(yīng)相變的開始和終止。

圖1 連續(xù)冷卻過程奧氏體轉(zhuǎn)變的理論膨脹曲線Fig.1 Theoretical dilatometric curve of austenite transformation during continuous coolingq

2 實(shí)際膨脹曲線

在實(shí)際操作過程中，由于鋼鐵材料組織的多變性和轉(zhuǎn)變過程的復(fù)雜性，在采用膨脹曲線繪制CCT曲線時(shí)會遇到各種特殊曲線，如何準(zhǔn)確處理和獲得所需要的相變點(diǎn)，是繪制高精度CCT曲線的關(guān)鍵。本研究在對幾個(gè)鋼種進(jìn)行SH-CCT繪制時(shí)，發(fā)現(xiàn)膨脹曲線與理論上的曲線有不同程度的差距，包括高溫轉(zhuǎn)變區(qū)（奧氏體向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變）和中低溫轉(zhuǎn)變區(qū)（貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變），如圖2a、2b所示。

圖2a實(shí)測的膨脹曲線（該試樣冷卻速率為0.1℃/s)，相變開始和終止之間并無明顯的拐點(diǎn)出現(xiàn)，觀察相應(yīng)的金相組織照片（見圖2c），該冷卻速率下得到的最終組織為鐵素體、貝氏體和少量珠光體，而圖中a~b段為鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變區(qū)，b~c段為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)理論上應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。同樣，圖2b中試樣冷卻速率為40℃/s，根據(jù)膨脹量轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間及其金相組織照片（見圖2d）可知，該冷速下發(fā)生了貝氏體和馬氏體相變，曲線上的a~b段同樣應(yīng)該出現(xiàn)拐折，但實(shí)際并沒有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，需要采取特殊的辦法進(jìn)行判定和處理。

3 提高精度的處理方法

3.1 轉(zhuǎn)變點(diǎn)的杠桿法-金相法綜合精確確定

對于出現(xiàn)上述拐點(diǎn)不明顯的膨脹曲線，實(shí)際上膨脹量與轉(zhuǎn)變量之前有著密切的聯(lián)系，從膨脹曲線可以看出，隨著溫度的降低，奧氏體不斷地向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為膨脹量不斷增加，奧氏體轉(zhuǎn)變量與膨脹曲線即構(gòu)成量的關(guān)系，該關(guān)系可用杠桿法[1，3]來度量，如圖 3 所示。

首先假定奧氏體完全轉(zhuǎn)變，且相變量與相變體積效應(yīng)成正比。如圖3a所示，當(dāng)奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完全轉(zhuǎn)變時(shí)，在溫度T處，作垂直于溫度坐標(biāo)的直線，與兩直線延長線相交于A、C點(diǎn)，與膨脹曲線相交于B點(diǎn)，則AC線段為奧氏體完全轉(zhuǎn)變后試樣增加的長度，BC線段為溫度T下生成新相所增加的長度，即B點(diǎn)對應(yīng)的奧氏體轉(zhuǎn)變量（單位：%）為

此即為新相生成的百分含量。當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在兩個(gè)溫度區(qū)間時(shí)，如圖3b所示，則奧氏體轉(zhuǎn)變完全時(shí)試樣增長量為AC+DF，B點(diǎn)處新相生成量應(yīng)為

為了使操作更簡便，將杠桿法等效轉(zhuǎn)換成面積比，如圖3c所示。由以上分析可以得出，當(dāng)知道了組織相的百分含量，就可以算出兩相的分界溫度點(diǎn)。

圖2 實(shí)測膨脹量曲線及相應(yīng)的組織Fig.2 Experimental dilatometric curves and corresponding microstructure

圖3 杠桿法計(jì)算奧氏體轉(zhuǎn)變量示意Fig.3 Diagrams of Lever method for calculating the amount of austenite transformation

結(jié)合金相分析，對圖2a中的試樣組織含量測定的結(jié)果為：15%鐵素體+5%珠光體，在膨脹曲線上找到轉(zhuǎn)變量為15%的點(diǎn)為b點(diǎn)，讀取溫度600℃即為珠光體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)，如圖4a所示。連續(xù)冷卻條件下，在先共析鐵素體轉(zhuǎn)變結(jié)束后發(fā)生的珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變更為復(fù)雜，且受到實(shí)驗(yàn)條件的影響下，實(shí)測的膨脹曲線很難反映出相變的細(xì)節(jié)，此時(shí)要通過同樣的方法尋找貝氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)會比較困難，而貝氏體轉(zhuǎn)變溫度一般在550℃~Ms范圍[3]，觀察曲線發(fā)現(xiàn)，在550℃左右時(shí)曲線出現(xiàn)拐折，所以選定該點(diǎn)為貝氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)是合理的；對圖2b測量組織含量的結(jié)果為：貝氏體35%＋馬氏體65%，同樣找到轉(zhuǎn)變量為35%的點(diǎn)b′為貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)，即馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)，讀取溫度為417℃，如圖4b所示。

3.2 硬度法輔助精確確定組織及其分布

由3.1節(jié)可知，組織百分含量是杠桿法的關(guān)鍵，其值越準(zhǔn)確，SH-CCT曲線的精度越高。在測定時(shí)應(yīng)該在低倍數(shù)（100倍或200倍）下測量一定數(shù)量的金相照片；當(dāng)有些組織形貌類似而難以確認(rèn)時(shí)，如圖2d所示的條片狀貝氏體和馬氏體，這是因?yàn)樨愂象w轉(zhuǎn)變的機(jī)制和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)具有過渡特征，特別是低溫轉(zhuǎn)變下得到的下貝氏體與板條馬氏體均通過切變機(jī)制而得到相同的亞結(jié)構(gòu)[4]，在顯微鏡下形貌一致，極為難辨；為了提高測量的精確度，可通過顯微硬度值來區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)用HV-50A型維氏硬度計(jì)（萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)），在施加壓力5 kgf條件下，對幾個(gè)實(shí)驗(yàn)鋼種（合金含量2%～3.1%）在不同冷速下的試樣進(jìn)行測定，并從大量的數(shù)據(jù)中歸納出各相顯微硬度范圍，如表2所示。

圖4 相變點(diǎn)Fig.4 Phase transition points

表2 低合金鋼中各相顯微硬度Tab.2 Microhardness of phases in low alloy steels HV

由表2可知，因合金含量及其分布情況對組織硬度有直接影響，低合金鋼連續(xù)冷卻得到的鐵素體合金含量少，故其硬度值最低，并由固溶合金量的多少在一定范圍內(nèi)變化，最高約為200；珠光體和粒狀貝氏體有相近的硬度值，而下貝氏硬度值則明顯較高，甚至與馬氏體的硬度一致。當(dāng)測出試樣不同組織的硬度值后，可參照表2對組織類型輔以判斷，從而提高組織百分含量的測量精度。

3.3 SH-CCT曲線繪制實(shí)例

在此根據(jù)上述原理和方法進(jìn)行了SH-CCT曲線的繪制實(shí)踐，先后對SA508-3、Q390和TS960QC等多個(gè)新鋼種進(jìn)行了焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)研究工作。Q390顯微硬度和組織分布情況如表3所示，繪制出的Q390鋼SH-CCT曲線如圖5所示。從表3可以看出，通過顯微硬度值可以很好的辨別出組織類型，從而保證組織測定的精確性。很明顯，通過上述方法處理的曲線和組織分布更加精確，能夠更好地滿足對SH-CCT曲線的不同要求。

表3 Q390顯微硬度和組織分布Tab.3 Microhardness and microstructure distribution of Q390 steel

圖5Q390鋼SH-CCT曲線Fig.5 SH-CCT curves of Q390 steel

4 結(jié)論

（1）提高繪制SH-CCT曲線的精度，重點(diǎn)是如何處理膨脹曲線的特殊拐點(diǎn)，綜合運(yùn)用杠桿法及金相法分析和計(jì)算出相變點(diǎn)，可以避免取點(diǎn)的不確定性，實(shí)現(xiàn)SH-CCT曲線的高精度繪制。

（2）微量組織的分布，可通過組織觀測輔以顯微硬度加以確認(rèn)，不僅能夠提高組織含量測定的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠?qū)Ω軛U法等確定的相變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證。

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[1]林慧國，傅代直.鋼的奧氏體曲線轉(zhuǎn)變—原理、測試與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：262-263.

[2]呂德林，李硯珠，譚長瑛，等.焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻相變過程的研究—焊接 CCT圖[J].焊接學(xué)報(bào)，1982，3（3）：104-105.

[3]張世中.鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖集[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993：15-17.

[4]劉宗昌.材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：202-205.