影響自保護(hù)藥芯焊絲焊縫韌性及離散性的因素

張學(xué)杰 郭 純 姚潤鋼

(中國船舶重工集團(tuán)公司,河南 洛陽 471023)

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影響自保護(hù)藥芯焊絲焊縫韌性及離散性的因素

張學(xué)杰 郭 純 姚潤鋼

(中國船舶重工集團(tuán)公司,河南 洛陽 471023)

介紹了自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬的韌化機(jī)理，分析了合金元素、夾雜物及稀土元素對焊縫韌性的影響，總結(jié)得出焊縫組織中粗大的馬氏體與奧氏體組元(M-A組元)是造成韌性離散的主要原因。通過選擇合適成分的焊絲，并配合恰當(dāng)?shù)臒彷斎?，可以減少并細(xì)化組織中的M-A組元，使韌性穩(wěn)定。

自保護(hù)藥芯焊絲 韌性 離散性 影響因素

0 序 言

自保護(hù)藥芯焊絲是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種焊接材料。它通過在藥芯組分中添加造氣、造渣、脫氧及脫氮等物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對焊縫金屬的三重保護(hù)，以獲得力學(xué)性能較好的焊縫組織[1]。與氣保焊相比，自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊不需要任何保護(hù)氣體，就能在8 m/s的風(fēng)速下施焊，尤其適合在保護(hù)氣瓶不易送達(dá)的地方施焊。而且自保護(hù)藥芯焊絲可采用大電流進(jìn)行全位置焊接，熔敷效率高，抗銹能力強(qiáng)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，自保護(hù)藥芯焊絲已成功應(yīng)用于高層建筑，輸油管道，海洋平臺，船舶制造等領(lǐng)域[2-3]。近年來，自保護(hù)藥芯焊絲在管道工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越多，已成功應(yīng)用到包括X80,X90在內(nèi)的高鋼級管線鋼中。但是，在焊接高級管線鋼時(shí)，自保護(hù)藥芯焊絲也存在一些問題，主要表現(xiàn)為焊縫金屬?zèng)_擊韌性較為離散,有的位置沖擊吸收能量很低，低于驗(yàn)收指標(biāo)，這給油氣管道的運(yùn)行帶來安全隱患。因此，許多研究者對自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬的韌化機(jī)理及影響韌性的因素進(jìn)行了大量的研究，希望能盡早解決這一難題。

1 自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬韌化機(jī)理

通常來說，自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬的組織為粒狀貝氏體和少量的塊狀鐵素體。粒狀貝氏體是由鐵素體基體及分布在其上的M-A組元(馬氏體與奧氏體的機(jī)械混合物)構(gòu)成。有研究表明，焊縫金屬獲得良好沖擊韌性的理想組織為含量大于65%的針狀鐵素體(AF)，同時(shí)希望減少先共析鐵素體和M-A島的析出。

這是因?yàn)獒槧铊F素體具有大角度晶界，平均尺寸為0.1～0.3 μm，板條內(nèi)的位錯(cuò)密度平均高達(dá)1×108～1×1010條/厘米2，微裂紋解理跨越針狀鐵素體晶界需消耗較高的能量[4]。因此含有大量針狀鐵素體的焊縫金屬具有較高的低溫沖擊韌性。目前為止，關(guān)于針狀鐵素體的形核機(jī)理主要有以下三種觀點(diǎn)：①M(fèi)ills等人[5]認(rèn)為非金屬夾雜物與針狀鐵素體的晶格結(jié)構(gòu)相似，晶格錯(cuò)配度小，使界面能降低，成為鐵素體形核的中心;②Ricks等人[6]認(rèn)為非金屬夾雜物有高能惰性表面，降低了形核的能壘，促進(jìn)了AF的形核與長大;③Court等人[7]認(rèn)為非金屬夾雜物的線膨脹系數(shù)比母相小，使非金屬夾雜物周圍存在一個(gè)高的應(yīng)變場，促使AF的形核。

后兩種形核機(jī)制被認(rèn)為是可行的，關(guān)鍵在于選擇有利于韌性的渣系，調(diào)整藥芯配方的組成，以獲得細(xì)小均勻的粒狀貝氏體組織，從而提高韌性[8]。

2 影響韌性的主要因素

2.1 主要合金元素的影響

2.1.1 Al元素的影響

Al作為一種強(qiáng)脫氧劑、脫氮?jiǎng)?，是自保護(hù)藥芯焊絲中常用的合金元素。它能夠和氧氮反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物和氮化物。隨著熔敷金屬中Al含量的增加，熔敷金屬的韌性顯著降低，變化趨勢如圖1所示[9]。當(dāng)Al含量小于0.8%時(shí)，沖擊韌性較好，而當(dāng)Al含量高于0.8%時(shí)，沖擊韌性急劇下降。喻萍等人[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著焊縫中鋁含量的增多，焊縫中的夾雜物先是Al2O3和AlN的混合物，當(dāng)鋁含量較高時(shí)，以AlN夾雜為主。隨著鋁含量的增加，N,O含量降低。當(dāng)Al含量大于1%時(shí)，熔敷金屬中N含量下降較多，這是因?yàn)樯闪溯^多的AlN夾雜物。而AlN夾雜物是脆性相，不利于針狀鐵素體的形成，而且會割裂基體引起微裂紋[11]。另外，鋁是鐵素體形成元素，大量的鋁會封閉奧氏體區(qū)，使得在較高的溫度下就會析出先共析鐵素體，導(dǎo)致晶粒粗大。而當(dāng)裂紋在粗大的先共析鐵素體處擴(kuò)展時(shí)，受到的阻力小，表現(xiàn)為韌性差[12]。

圖1 熔敷金屬中鋁對沖擊韌性的影響

2.1.2 Ti和Zr元素的影響

Ti在高溫下能和O,N發(fā)生反應(yīng)，生成TiO2和TiN,起到一定的脫氧脫氮作用。微量的鈦元素能夠抑制奧氏體晶粒的長大，形成彌散分布的合金碳化物，提高焊縫金屬的低溫韌性[13]。隨著Ti含量的增多，熔敷金屬中針狀鐵素體組織逐漸增多。當(dāng)Ti的加入量為0.09%時(shí)，其對針狀鐵素體的促進(jìn)作用最強(qiáng)。而當(dāng)Ti進(jìn)一步增多時(shí)，會固溶于基體中，使沖擊韌性嚴(yán)重惡化。

裘榮鵬[14]在鈦的基礎(chǔ)上又加入少量的Zr，發(fā)現(xiàn)韌化效果進(jìn)一步增強(qiáng)。這是因?yàn)閆r作為一種強(qiáng)脫氧劑，能有效去除焊縫金屬中的氧，而且Zr具有細(xì)化組織的作用。李坤等人[9]研究了主渣系為BaF2-Li2CO3-Fe2O3的自保護(hù)藥芯焊絲中Zr對韌性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著藥芯中Zr含量的增加，熔敷金屬的低溫沖擊吸收能量先增大后減小。當(dāng)藥芯中Zr含量為0.75%～1%時(shí)，熔敷金屬的低溫韌性最好。而當(dāng)Zr含量增加到1.5%時(shí)，熔敷金屬的低溫韌性略有下降。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，隨著Zr含量的不斷增加，針狀鐵素體的數(shù)量呈先增多后減少的趨勢。這與低溫韌性的變化趨勢一致，說明針狀鐵素體越多，韌性越好。分析認(rèn)為，Zr與氧氮發(fā)生了反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的ZrO2和ZrN，它們與MgO,Al2O3組成復(fù)雜的氧化物、氮化物夾雜。這些復(fù)合夾雜物的尺寸較小，可以作為針狀鐵素體形核的核心，促進(jìn)了針狀鐵素體的形成。

2.1.3 Ni對韌性的影響

Ni是一種奧氏體形成元素，能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，增加奧氏體的穩(wěn)定性，使得奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度降低，有利于生成細(xì)小的針狀鐵素體組織[15]。另外，Ni元素能夠無限固溶于γ-Fe，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，從而提高焊縫金屬的低溫沖擊韌性，但加入過多會使韌性降低[16]。

黃春明等人研究了自保護(hù)藥芯焊絲中Ni含量對韌性的影響。結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出，Mn含量不同時(shí)，Ni對韌性的影響規(guī)律不同。當(dāng)焊縫金屬中Mn含量為0.5%時(shí)，沖擊韌性較高，且隨著Ni含量的增加，沖擊韌性有少量的升高。但當(dāng)焊縫金屬中Mn含量為1.65%時(shí)，沖擊韌性較低，且隨著Ni的不斷增多，韌性嚴(yán)重惡化。這說明Mn會對Ni的作用產(chǎn)生較大影響。因此，當(dāng)過渡到焊縫金屬中的Mn較多時(shí)，Ni的加入量應(yīng)相應(yīng)減少，否則不但不會改善韌性，反而會使韌性惡化。

圖2 藥芯中鎳含量對沖擊吸收能量的影響

2.2 夾雜物對韌性的影響

在自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊中，焊縫金屬中的夾雜物多為非金屬夾雜，且一般是脆性夾雜物，如Al2O3,TiO,MgO·Al2O3,AlN以及含SiO2較高的硅酸鹽等。這些夾雜物一般是多種元素的復(fù)合夾雜物，且化學(xué)成分不均勻。夾雜物對焊縫沖擊韌性的影響主要取決于夾雜物的大小、種類、數(shù)量、形狀及其分布[17]。一般是夾雜物越多，尺寸越大，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重，越容易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致焊縫金屬的韌性越低。有研究認(rèn)為夾雜物尺寸在0.4～1 μm時(shí)，可作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)針狀鐵素體的形成。而尺寸大于1 μm的夾雜物有可能作為裂紋源，較大的夾雜物降低了裂紋擴(kuò)展所消耗的能量，對韌性是不利的[18]。J.E.Ramirez[19]研究了焊縫金屬中球形、面形和塊狀等不同形狀的夾雜物對韌性的影響。研究發(fā)現(xiàn)夾雜物主要由不同比例的Ti,Mn,Si,Al等的氧化物組成，表現(xiàn)為復(fù)合脫氧產(chǎn)物，其中圓形夾雜物由于不會引起鋼基體應(yīng)力集中，比有棱角的

夾雜物對AF形核有利，有利于提高韌性。有研究發(fā)現(xiàn)MnS等硫化物夾雜對韌性的危害程度比氮化物夾雜大[20]。隋少華等人在研究不同類型的夾雜物對韌性的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)MnO·SiO2夾雜和MnS夾雜對針狀鐵素體形核不利，會降低韌性。這是因?yàn)镸nO·SiO2和MnS的熱膨脹系數(shù)與奧氏體的熱膨脹系數(shù)非常接近，在兩者的界面處不能形成較高的應(yīng)變能，致使針狀鐵素體形核功較高，導(dǎo)致針狀鐵素體減少。而且脆性大、熔點(diǎn)低的硫化物易產(chǎn)生熱裂紋，導(dǎo)致韌性變差[21-22]。

2.3 稀土元素對韌性的影響

在焊接材料中，稀土元素越來越受到人們的重視。因?yàn)樯倭康南⊥猎鼐湍芨纳坪缚p組織和性能[23]。稀土元素的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，能在200 ℃左右的空氣中被氧化成RE2O3型稀土氧化物，在750 ℃與氮?dú)夥磻?yīng)生成稀土氮化物REN，具有脫氧、固氮的作用，而且能夠細(xì)化焊縫組織，改善焊縫夾雜物的數(shù)量、大小、形狀和分布，因此能夠提高焊縫金屬的韌性。

胡強(qiáng)等人[24]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)稀土元素能改變焊縫的組織形態(tài)。當(dāng)加入適量的稀土元素或稀土化合物時(shí)，焊縫金屬中粗大的柱狀晶減少，柱狀晶變窄，針狀鐵素體增多，沖擊韌性提高。這是因?yàn)橄⊥猎啬芴峁└嗟男魏速|(zhì)點(diǎn)，使形核位置增多，晶粒細(xì)化。張占偉[25]在研究稀土化合物CeO2對自保護(hù)焊絲性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藥芯中加入7%的CeO2時(shí)，焊縫金屬中只有少量的尺寸細(xì)小的夾雜物。而且-20 ℃沖擊吸收能量明顯高于不加CeO2的試樣。通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，加入CeO2后，沖擊斷口上的韌窩尺寸較小且分布均勻，是典型的高韌性斷裂。而在沒有加CeO2的沖擊試樣斷口中，有些韌窩連成一塊，加速了裂紋的擴(kuò)展。喻萍等人[26]的研究表明，稀土化合物在熔池中的溶解度很小，很容易從液相中浮出，減少了氧化物夾雜對韌性的有害作用。另外，CeF3等稀土化合物是一種表面活性物質(zhì)，能增加鋼液的流動(dòng)性，降低夾雜物轉(zhuǎn)移時(shí)吉布斯自由能的變化，從而使夾雜物更容易從液態(tài)金屬進(jìn)入熔渣，這些都有利于韌性的提高。

3 韌性離散性分析

3.1 韌性離散的最新研究進(jìn)展

有許多研究人員和學(xué)者對自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬離散性做了大量的研究。汪鳳等人[27]在研究自保護(hù)藥芯焊絲焊縫金屬?zèng)_擊韌性時(shí)，通過對沖擊斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)沖擊吸收能量較低的斷口中存在大量的M-A組織，而沖擊吸收能量較高的試樣中M-A組織較少，甚至沒有長條狀的M-A存在。這說明沖擊韌性對M-A組元較為敏感。因此，在加工沖擊試樣時(shí)，如果所開的V形沖擊缺口處有較多的M-A組元，那么在外載荷的作用下將會快速起裂，致使韌性很低。如果V形沖擊缺口處M-A組織很少或呈彌散分布，那么將會有較高的沖擊吸收能量。范玉然等人[28]采用彩色金相和熱處理的方法研究了夾雜物和組織對自保護(hù)藥芯焊絲韌性的影響。經(jīng)SEM分析發(fā)現(xiàn)，解理面的起裂位置處并沒有夾雜物，說明夾雜物不是起裂源。在不影響夾雜物形態(tài)和分布的情況下，對熔敷金屬進(jìn)行回火處理(保溫溫度650 ℃，保溫時(shí)間0.5 h)。回火后M-A數(shù)量減少，沖擊吸收能量提高，且離散性減小。這說明造成韌性離散的主要原因是組織中的M-A，而不是夾雜物。但有學(xué)者認(rèn)為組織中含有一定量的M-A島對韌性有利，低塑性的M-A島周圍存在高能應(yīng)變區(qū)，能降低形核功，促進(jìn)針狀鐵素體的形核，使韌性升高。

徐昌學(xué)等人[29]研究了多層多道焊組織變化規(guī)律及其對韌性的影響。在多道次焊接中，受焊接熱循環(huán)的影響，組織中會出現(xiàn)類似于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。隨著焊接層數(shù)的增加，同一層焊縫金屬中M-A組元逐漸減少。而焊縫粗晶區(qū)M-A組元較多，其中有部分M-A組元是在二次熱循環(huán)中逆轉(zhuǎn)變而成，大多在晶內(nèi)或晶間呈塊狀分布。M-A組元與基體界面的交界處會導(dǎo)致位錯(cuò)塞積及應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生微裂紋。而連續(xù)分布的M-A會使其周圍的應(yīng)力場產(chǎn)生疊加效應(yīng)，應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，更容易達(dá)到Griffith臨界裂紋尺寸，從而使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，韌性更低，離散性更大[30]。尹長華等人[31]分析了焊縫中擴(kuò)散氫含量、夾雜物、微觀組織對韌性離散性的影響。分析認(rèn)為，同種焊材不同母材的焊縫沖擊吸收能量離散性有差異。通過對焊縫金屬進(jìn)行電化學(xué)充氫試驗(yàn)和氫時(shí)效試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫含量小于2 ml/100 g(與實(shí)際焊縫中的氫含量相近)時(shí)，韌性不穩(wěn)定，離散性較大。通過掃描電鏡，能譜分析等手段分析夾雜物對韌性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夾雜物的類型、分布和尺寸與離散性的關(guān)系不明顯。而當(dāng)焊縫中有較多的鏈狀M-A組織時(shí)，韌性離散性很大。而且蓋面處的鏈狀M-A主要分布于距蓋面層6.5～8.5 mm的范圍內(nèi)。孟凡剛[32]研究發(fā)現(xiàn)，X70管線鋼焊接局部脆化區(qū)的M-A組織為三角形或不規(guī)則形狀，主要分布于晶界，平均弦長為4.0 μm，大于Griffith臨界裂紋尺寸。通過掃描電鏡觀察到M-A組織中的馬氏體為孿晶馬氏體，這種高碳馬氏體導(dǎo)致了局部脆化的產(chǎn)生。

為了研究焊縫金屬中不同部位對韌性離散性的影響，薛屺等人[33]通過對焊縫金屬的根焊面、填充層和蓋面處分別做沖擊試驗(yàn)，用標(biāo)準(zhǔn)差來表征離散度的大小，分析各部位的沖擊離散性，結(jié)果見表1。由表1可以看出，根焊處和蓋面處的沖擊吸收能量較為穩(wěn)定，而填充層的沖擊吸收能量離散性較大。這說明焊縫金屬的離散性主要來自于填充層。金相分析發(fā)現(xiàn)，填充層中有大量的M-A島，分布不均勻，特別是層間熱影響區(qū)有較多的長條狀M-A組織，帶有尖棱角，分布于晶界或晶內(nèi)處。這種長條狀M-A對裂紋很敏感，當(dāng)M-A組元的平均弦長大于2 μm時(shí)，即可構(gòu)成Griffith裂紋的臨界尺寸，在外載荷的作用下很容易誘發(fā)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致韌性降低。

表1 焊縫不同位置的沖擊吸收能量

仝珂等人[34]研究了M-A島的數(shù)量和尺寸對沖擊韌性的影響。研究結(jié)果表明，隨著組織中M-A島數(shù)量的增加，沖擊吸收能量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。特別是當(dāng)M-A島的體積分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，韌性逐漸升高。當(dāng)M-A島的尺寸小于1.33 μm時(shí)，沖擊韌性會有大幅度的提升。這是因?yàn)檩^小的粒子不足以構(gòu)成Griffith裂紋臨界尺寸，而且小尺寸的粒子在變形時(shí)能分擔(dān)更多的能量。

3.2 可能的改進(jìn)措施

總的來說，大多數(shù)研究者認(rèn)為焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量離散的主要原因是組織中存在長條狀或鏈狀的M-A組元(馬氏體與奧氏體的混合組織，又稱M-A島)。其實(shí)M-A組織是在過冷奧氏體連續(xù)冷卻的過程中形成的。當(dāng)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于碳在鐵素體中的固溶度很低，超過固溶度的碳被排除到尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，形成富碳奧氏體。在隨后的冷卻過程中，大部分富碳的過冷奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，少量殘余奧氏體因轉(zhuǎn)變不完全而在室溫下被保留下來，與生成的馬氏體混在一起組成M-A。當(dāng)M-A組元含量越高，分布越密集、越粗大，焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量離散性就越大。這是因?yàn)镸-A組織的含C量大于1%，其中的馬氏體大多為孿晶馬氏體，而且殘余奧氏體的力學(xué)穩(wěn)定性較差，這使得焊縫中的M-A組元又硬又脆(硬度是鐵

素體基體的2～3倍)。在外力的作用下，M-A組織的變形程度與基體差別較大，導(dǎo)致在兩者的界面處產(chǎn)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)微裂紋的產(chǎn)生，尤其是條狀或鏈狀M-A組元更容易誘發(fā)裂紋的形成，導(dǎo)致局部脆化，韌性離散。因此，要改善焊縫金屬的韌性及離散性，就必然要減少焊縫中的M-A組織。

基于M-A組織的形成機(jī)理，可以控制焊縫金屬的化學(xué)成分或者焊接熱輸入，以改變奧氏體的轉(zhuǎn)變過程，減少馬氏體的生成，進(jìn)而控制組織中M-A組元的含量，使韌性趨于穩(wěn)定?？赡艿母倪M(jìn)措施有以下幾個(gè)方面。

3.2.1 適當(dāng)?shù)暮附訜彷斎?/p>

焊接熱輸入直接影響焊后的冷卻速度,進(jìn)而影響馬氏體的形成。曾明等人[35]利用SEM和Image-plus圖像分析軟件研究了冷卻速度對M-A島尺寸和數(shù)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速度的增加，M-A島數(shù)量和尺寸都增多。這是因?yàn)檩^大的冷卻速度使相變驅(qū)動(dòng)力增大，使富碳奧氏體更易向馬氏體轉(zhuǎn)變。而且生成的馬氏體能增加未轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性，抑制了殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。因此，馬氏體越多，殘余奧氏體越多，即M-A島隨冷卻速度的增加而逐漸增多。蔡建偉等人[36]卻得出了相反的結(jié)論。他們在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻速度從5 ℃/s變化到15 ℃/s時(shí)，試樣組織中M-A島的體積分?jǐn)?shù)有降低的趨勢，而且M-A島的尺寸逐漸減小，且越來越接近球形，對基體的割裂作用減小[37]。這可能是因?yàn)楦叩睦鋮s速度使碳擴(kuò)散的時(shí)間和距離變短，導(dǎo)致M-A島總量的減少。

尹長華等人在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。通過利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對81Ni-1等3種焊縫試樣進(jìn)行熱循環(huán)模擬，并對不同焊縫中的M-A組織進(jìn)行定量分析，得到的結(jié)果見表2(表中僅引用了兩種試樣的數(shù)據(jù))。由表2可知，隨著t8/5的增加，即冷卻速度降低，焊縫中的鏈狀M-A組織增多，韌性下降。為了減少焊縫中的M-A數(shù)量，可以降低t8/5。根據(jù)工程實(shí)際情況，t8/5應(yīng)控制在10 s以內(nèi)。由理論公式可以計(jì)算得出，當(dāng)t8/5= 10 s時(shí)，焊接熱輸入為15 kJ/cm。陳延清等人[38]研究了焊接工藝對X80管道環(huán)焊縫沖擊性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)焊接熱輸入在12.59～15.94 kJ/cm時(shí)，焊接接頭的沖擊吸收能量較高且穩(wěn)定。熱輸入過大或過小時(shí)，韌性較差。在較小的熱輸入條件下，焊縫中板條貝氏體能轉(zhuǎn)化為粒狀貝氏體，而且鏈狀M-A島減少。另由前述可知，受最后一道熱影響而產(chǎn)生的M-A主要集中在距蓋面層 7 mm左右的填充層內(nèi)。因此，

在焊接時(shí)可采用多道、小熱輸入的方式進(jìn)行蓋面，從而降低t8/5，減少M(fèi)-A含量，進(jìn)而改善焊縫的韌性。

表2 t8/5對M-A含量和韌性的影響

3.2.2 恰當(dāng)?shù)暮附硬牧?/p>

選用恰當(dāng)?shù)暮附硬牧希詢?yōu)化焊縫金屬的化學(xué)成分，進(jìn)而可以影響組織中M-A島的生成。

郭純等人[39]認(rèn)為藥芯中鐵素體形成元素的增多將會提高金屬的淬透性，導(dǎo)致生成較多的馬氏體，從而使組織中的M-A增多，韌性降低。因此，可以適量增加奧氏體形成元素(比如Ni和Mn)的含量，降低鐵素體形成元素的含量(如Cr)，以減少M(fèi)-A組元的數(shù)量，提高韌性[40]。徐向星等人[41]在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著焊縫中Ni和Mo的增多，組織中的M-A細(xì)化，焊縫的解理斷裂應(yīng)力增大。原因是Ni和Mo可以增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，促使焊縫粒狀貝氏體組織的轉(zhuǎn)變溫度下降，從而細(xì)化其中的M-A組元，使韌性提高。

有學(xué)者利用線性回歸和相關(guān)性的方法，研究了M-A組織中馬氏體、奧氏體及M-A島的體積分?jǐn)?shù)與沖擊韌性的相關(guān)性[42]。結(jié)果表明，沖擊韌性和M-A中馬氏體體積分?jǐn)?shù)的線性相關(guān)程度最高。沖擊韌性隨馬氏體體積分?jǐn)?shù)的增加而線性下降。因此，可以降低馬氏體的體積分?jǐn)?shù)以提高韌性。從過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)中可以推斷出，降低MS點(diǎn)可使馬氏體的含量減少。因此，在研制焊絲時(shí)，可以增加Mn,Ni等降低MS點(diǎn)元素的含量。另外，降低碳含量或者增加鈷的含量，使CCT曲線左移，以降低淬透性，也能夠減少馬氏體的形成，降低離散性。

由以上討論可知，影響焊縫韌性及離散性的因素很多，有些因素之間會相互作用，使問題復(fù)雜化。對于韌性離散這一問題，研究者們還沒有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)，解決措施也不盡如人意，仍有待更深入地研究。

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)管道用鋼朝著高壓力，大口徑，寬壁厚的方向發(fā)展，對管道的低溫韌性要求越來越高。在長輸管道的建設(shè)中，焊縫是管道上的薄弱環(huán)節(jié)，尤其受到人們的重視。而焊縫的性能是由其成分、組織等因素決定的。因此，選擇恰當(dāng)成分的自保護(hù)焊絲，在焊接時(shí)控制好熱輸入以及道間溫度，才能使沖擊韌性趨于穩(wěn)定。

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2016-12-21

TG401

張學(xué)杰，1991年出生，碩士研究生。主要從事焊接材料的研究。