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材料与设计28（2007）897-903
材料与设计
低碳钢焊接后两相区热处理
及其对组织和力学强度的影响
A. Gural *，B。Bostan，A.T。 Ouml;zdemir
土耳其安卡拉Gazi大学技术教育学院冶金教育系材料部
2005年4月18日收到; 2005年10月10日接受
2005年11月21日在线提供
摘 要
在氩气的受控气氛下焊接1010钢，然后通过中间和临界淬火技术处理以产生双相微结构。研究了所得的微观结构和互补的硬度和拉伸性能。很明显，中间淬火处理后的微观结构特别均匀，其中不规则分布的马氏体岛是致密的并且大部分围绕基质中的小的等轴铁素体晶粒。随着两相区退火温度的升高，马氏体岛的数量明显增加，因此即使热影响区（HAZ）具有最弱的强度，也可以实现有益的机械性能。因此，几乎总是沿着HAZ进行压裂，在拉伸试验结束时显示出用于中间淬火处理的粒间模式和用于临界淬火处理的跨粒度压裂模式。
关键词：低碳钢和低合金钢;焊接;双相;退火
1介绍
当低碳和低合金钢在AC1和AC3之间退火然后水淬火时，由于部分转变发生，通常会得到双相结构，即在铁素体晶粒内嵌入马氏体岛的混合物[1,2]。具有适当体积比，几何形状和马氏体岛长宽比的均匀微观结构通常被指定为适合于机械性能评估[3]。双相钢由于其低密度和高承载能力而在汽车工业中是首选[4]。对双相钢的显微组织发展和力学性能进行了大量研究。人们普遍发现，不是尺寸，马氏体岛的体积分数非常有效。
拉伸性能[5]。增加马氏体的量会显着降低伸长率。双相钢大多具有低屈服强度，但相反在变形过程中具有高应变硬化率[6]。不可能找到任何研究重点关注初始铁素体，珠光体和马氏体晶粒尺寸对微观结构的影响，主要是材料的韧性。已经证实，特别是在中间淬火处理后的微观结构与临界淬火过程之后的微观结构不同[7]。因此，中间淬火后形成的细小马氏体主要降低拉伸性能，但材料的伸长率逐渐增加。这归因于铁素体中移动位错密度的增加，而平均晶粒尺寸和细小马氏体岛之间的粒子间距离变小[3,8]。
在低碳钢的焊接中，已经表明，由于脆化集中在这些区域，晶粒粗化（GCZ）和热影响（HAZ）区非常关键。取决于等效的碳含量在焊接金属中可以看到冷却速度，一般是晶界铁素体（GBF），铁素体（WF），针状铁素体（AF）和一些马氏体以及少量的残余奥氏体和离解的珠光体相[5,9]。 -11。还报道了在微观结构中偶尔形成贝氏体[11]。另一方面，AF的成核主要发现在非金属夹杂物上[12,13]，它们提高了材料的强度和韧性[5]。相反，GBF的存在对韧性是有害的[14]，其中脆性断裂模式主要与焊缝金属中形成的WF量有关[5,15]。
在低碳钢中，受GCZ影响的热量脆化（即在高于AC3的峰值温度下）主要与焊接后可能形成的GBF和WF的不希望的有害粗微结构有关[16]。此外，GCZ中可观察到的脆性断裂主要归因于奥氏体的先前晶粒尺寸和快速冷却速率后非回火马氏体的形成[17]。另一方面，当最高温度达到AC1和AC3线之间（在临界HAZ中）时，焊接前原始铁素体 - 珠光体组织中的珠光体晶粒在加热时将首先转变为奥氏体，并进一步转变为相对较小的铁素体晶粒 - 珠光体，上贝氏体，自回火马氏体或高碳马氏体随后冷却[18]。由于临界HAZ中奥氏体的碳含量通常大于其通常的组成[5]，奥氏体很容易转变为马氏体[19-21]。即使在缓慢的冷却速率下，合金元素也增加了钢的淬透性。因此，焊接金属的低断裂韧性与HAZ中形成的马氏体和有时贝氏体的量有关。低碳贝氏体的微观结构与AF非常相似，因此非常难以识别这些相。据报道，HAZ中AF的存在是一个有益的因素[5,22]，但为了大大提高韧性，正常化处理似乎实际上是足够的[5]。它一直是克莱里在焊接铁素体 - 珠光体钢时，在HAZ中形成球状碳化物会抑制正常的晶粒生长，从而提高材料的韧性[23]。有几项关于提高低碳钢强度的研究，特别是在焊接后。因此，实际上建议在焊接操作后立即在650°C下退火1020钢[24]。焊接后，HAZ中保留拉伸应力的发生也非常关键，可能会降低使用中材料的韧性和疲劳。因此，通过在约600°C下适当退火来减轻HAZ中的残余应力是一种惯例[5,25]。
由于研究数量有限，本研究的目的是研究中间和临界淬火处理对低碳钢焊后机械性能的影响。
2 实验程序
使用JY 56E分光光度计仪器测定1010钢和焊接用焊丝的化学成分，并列于表1中。为尽量减小材料不同部分冷却速率之间的差异，3 mm厚20·使用120 mm2矩形样品。通过使用金属惰性气体技术以500mm min-1的速度进行焊接实验，其中输入分别为35V和450A。在焊接之前和焊接之后从原始板取出的试样以相同的方式进行热处理以减少微观结构的发展。典型的热处理循环总结在图中。从图中可以看出，由于贱金属的化学成分与焊缝金属之间的差异，AC1和AC3温度值存在微小偏差（表1）对于材料，这是通过使用安德鲁斯公式[26]预测的。
对于临界热处理循环，将两组样品在750和790℃的温度下退火20分钟，然后水淬，其中每组分别标记为IA750和IA790。另一方面，对于中间淬火热处理路线，样品首先在900℃下奥氏体化约20分钟，并进行水淬，以完成马氏体的转变。之后，对于第一批，样品在750℃下热处理20分钟（IQ750），对于第二类样品在790℃下退火约20分钟（IQ790）。作为最终处理，所有样品都是水淬的。
对于微观结构检查，使用光学显微镜技术，其中所有样品首先被研磨，抛光并用2％硝酸盐蚀刻，然后鉴定马氏体相样品被2％的钠代谢物进一步蚀刻。
通过使用Instron-Wolpert硬度测试仪以3kg的载荷测量在临界区域（焊接金属，HAZ，GCZ和贱金属）的硬度分布。对于图表中的每个值，至少进行10次测量，然后使用平均值。通过具有200kN的测力传感器的Dartec测试机进行测试。从焊接和热处理的矩形样品上切下50mm规格的标准样品，其中焊接区域选择位于每个样品的中间部分。进行了所有测试，在室温下，十字头速度为2毫米/分钟。最后，使用JSM 6400扫描电子显微镜（SEM）技术分析样品的断裂表面。
900
一个
临界退火（IA）
中间淬火（IQ）
3
800
700
A1
862 ˚C
BM的IR
727 ˚C
836 ˚C
WM的IR
724 ˚C
600
500
400
300
200
100
图1.典型的热处理循环
3 结果和讨论
3.1 微观结构演变
未处理的原始金属的典型微观结构由铁素体和珠光体组成。另一方面，焊缝金属的微观结构由AF，GBF和WF相组成（图）。靠近熔合线的HAZ的微观结构通常具有粗粒多边形铁素体和珠光体菌落（图）。
从表1中可以明显看出，与贱金属相比;焊缝金属具有较高的碳含量（0.193％C）。因此，在两相区域（AC1和AC3线之间）的退火过程中，焊缝金属中的奥氏体量相当大。因此，在随后的水淬火中，焊接金属中的体积比也很高。
图2.焊缝金属的微观结构 图3.未处理的原始金属（HAZ）的微观结构
从样品IA750的显微照片可以看出，基体和焊接金属都具有嵌入软基质中的马氏体马氏体岛（图4和5）。特别是在贱金属中，马氏体岛主要沿铁素体的晶界固定。因此，在750℃退火的过程中（即，在两相区域），奥氏体首先在初级铁素体的边界上成核，并且在随后的淬火之后转变成细小的马氏体晶粒或岛。在焊缝金属中，马氏体具有类似于AF和WF相的结构，与基体金属相比，焊缝金属中的马氏体晶粒尺寸更小，体积百分比更大（图4）。相反，在HAZ中，马氏体岛的数量较少，并且可能在先前的珠光体集落上或在粗糙的初生铁素体的边界上形成（图5）。
同样，由于焊缝金属中的碳过量，在试样IA790中，淬火后马氏体的体积比大于基体金属的体积比（图和）。很明显，马氏体相的体积比比样品IA750中的马氏体比率大。因此，在两者中处理样品相区导致从初级珠光体相转变的奥氏体含量增加。因此，在样品IA790的贱金属，HAZ和焊接金属中淬火后，马氏体岛沿晶界连续沉积，因此几乎遍及铁素体晶粒（图6和图7）。
图4. IA750的焊接金属的微观结构 图5. IA750的HAZ的微观结构图6. IA790焊缝金属的微观结构图 图7.IA790的HAZ的微观结构
图8. IQ750焊缝金属的微观结构 图9. IQ750的HAZ的微观结构
图10. IQ790焊缝金属的微观结构 图11. IQ790的HAZ的微观结构
IQ750和IQ790的典型微结构如图1和图2所示。与IA样品相比，在IQ样品中，特别是在HAZ和焊缝金属中，在软基质中获得了均匀分布的马氏体岛（图）。例如，在焊缝金属区域，AF和WF晶粒被解离，并且实现了非常细小且密集的马氏体晶粒分布。
在750℃的热处理循环后（图8和9）。从图中可以看出。如图10和11所示，将中间淬火热处理温度从750℃增加到790℃导致马氏体岛的更细，更致密和更均匀的分布。由于该区域的高碳含量，焊缝金属中的马氏体岛数实际上相当高。
3.2 硬度测量
IA750和IA790样品焊缝区硬度的变化如图12所示。从图中可以看出，IA790样品具有最高的硬度值，正如预期的那样，未处理或焊接（AW）样品显示最低值除了焊接金属旁边的那些。通常，最大硬度值是在焊缝金属区域测量的，相反，最低值在HAZ处。当远离HAZ时，硬度逐渐增加，并且在达到平台后显示出可忽略不计的波动。与母材相比，焊缝金属区域的高硬度值可以促成非常细小的金属的存在密集的马氏体岛嵌入铁素体的软基质中。另一方面，在HAZ中找到的最低值是可能与结构中缺乏马氏体有关。该区域主要用粗糙的等轴铁素体晶粒装饰（图5和7）。在未经处理的试样中，焊缝金属的硬度显着增加。这可以简单地归因于WF，AF和一些贝氏体形成（图）以及该地区壮观的高碳含量。
在图中，分别给出了IQ750和IQ790试样的焊缝，HAZ和贱金属的硬度分布。与图1类似，测量在790℃下热处理的样品的最高硬度值（IQ790）。然而，在图13中，硬度分布更均匀，其中IQ750和IQ790的平均硬度值大于IA750和IA790样品的平均硬度值。这可归因于在铁素体基体中更均匀的马氏体岛分布。
到焊接中心的距离 到焊接中心的距离
图12. IA750和IA790样品焊接区硬度的变化 图13. IQ750和IQ790样品焊接区硬度的变化
明确IA和IQ样品的屈服强度接近AR和AW样品的测量值。对于IA750试样，平均测得的屈服强度最低（361 MPa），相反，IQ790试样的屈服强度显着增加（410 MPa）。另一方面，IA和IQ样品的拉伸强度显着高于AR和AW的拉伸强度。在IA和IQ热处理之后，相反的百分比伸长率相对较低。拉伸试样几乎总是沿着HAZ区域断裂，这是典型的特征，表明即使在接受IA和IQ热处理之后该区域的弱点也是如此。事实上，这个弱点也可以通过图1和图2中给出的硬度曲线来描述。
图14. IQ样本的断裂表面 图15. IA样品的断裂表面
很明显，两相区域中的引用热处理改变了焊接后立即产生的有害微观结构。从机械试验中可以清楚地看出，这些热处理后的钢的强度通常得到改善，但是HAZ的区域仍然是最弱的区域，并且材料通常从那里失效。当考虑IA试样的微观结构特征时，在HAZ中，基体中的马氏体岛数量相当少，其中在该区域中铁素体晶粒通常是粗糙的（图5和图7）。将热处理温度从750°C提高到790°C会增加马氏体相的体积比，因此IA790样品的机械强度优于IA750规格。如前所述，IQ样品中的马氏体含量通常大于IA样品。这种差异源于在900℃下的额外中间退火（奥氏体化）。在此处理过程中，铁素体和珠光体完全转变为奥氏体。在随后的淬火中，然后可以实现完整的马氏体微结构。当材料在两相区退火时，新的铁素体和奥氏体晶粒成核。在再淬火时，小奥氏体晶粒转变为细小的马氏体岛。与IA样本（图4-7）相比，IQ样本中马氏体岛的大小因此显然很小（图8-11）。马氏体非常致密，以至于马氏体岛几乎都在出现和细铁素体。正是由于这个原因; IQ样品达到高强度值，即使伸长百分比相当小。 IQ样本的断裂表面通常显示出颗粒间的压裂模式（图14）。相反，IA样品大多具有跨颗粒压裂（图15）
4 结论
硬度（HV5）
1. 结果表明，通过焊接后的IA和IQ处理，可以在1010钢中获得非均匀分布的马氏体岛和等轴铁素体晶粒的双相组织。
2. 关于IA，IQ工艺引起有利的机械性能，其中通过增加两相区域中的热处理温度改善了材料的机械强度。
3. 这意味着，更好的机械性能
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资料编号：[2143]
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