Mg处理对厚板中第二相粒子、HAZ组织及韧性的影响_张玉旗.pdf

通信作者：张银辉（），男，博士，副教授；：；收稿日期：处理对厚板中第二相粒子、组织及韧性的影响张玉旗，张银辉，杨健（上海大学材料科学与工程学院 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 ）摘要：综述了 对钢中第二相粒子、组织及韧性的影响，同时讨论了（）（）及、和等合金元素对 处理钢板组织和性能的影响。当（）时，中 体积分数最高，为 ，能够促进 生长有效夹杂物尺寸集中在左右。随着 含量增加，钢中纳米 粒子增量细化析出，的低温冲击功值随着纳米 粒子的体积密度增加呈直线关系上升。对于铁素体船板钢，处理后促进了晶内针状铁素体的生长，添加 的（）后，焊接热影响区的冲击韧性从 增加到 。对于贝氏体海工钢，添加 的（）后，第二相粒子的高温下溶解量大，钉扎力下降，晶粒粗大，韧性从加（）的 降低到加（）的。（）（）保持在 左右较为合适，此时第二相析出粒子数量较多，尺寸较小，增强了对晶界的钉扎作用。的添加会降低钢的 韧性，当（）时，的冲击功从 降低到。添加后晶粒粗大，增加了钢中的脆性组织，处理钢中加入 的（）后，冲击韧性从 降低到。会提高钢的淬透性，在晶界处的偏聚抑制了晶界铁素体的形成，处理钢中加入 的（），冲击韧性从 提高到 。关键词：处理；氧化物冶金；第二相粒子；韧性；焊接热影响区中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，（）（），（）（）（）（），年月第 卷 第期炼钢 （）：；活泼金属 具有强还原性，与钢中的、结合力很强，加 后钢中自由 质量分数可降至 以下，质量分数可降至 以下。脱氧后形成的第二相粒子数量多、尺寸小，且 在 钢 中 的 溶 解 度 极 低，在 钢 中 残 留少。等研究表明，氧化镁夹杂物之间的吸引力仅为氧化铝夹杂物之间吸引力的 左右，利用 脱氧可以生成细小弥散分布的氧化镁夹杂物。沈春飞等发现钢液中溶解 质量分数在 时，只要有微量 存在，就有可能生成 。等计算 钢液中 、的稳定性，显示 的添加对氧化铝夹杂具有明显的改性效果。等发现在钢液中添加 可以改变硫化物的形貌及分布，添加 后，硫化物形态全部变为单纯的硫化物（、）。另一方面，鉴于 处理可以改性夹杂物，含 夹杂物具有细小弥散分布的特征，近年来 处理常常用于氧化物冶金技术的发展中。氧化物冶金技术已经经历了三代的发展，第一代氧化物冶金技术利用 粒子抑制晶界的移动，细化晶粒；第二代氧化物冶金技术利用 夹杂物来促进晶内铁素体的生成，提高焊接热影响区的韧性。等研究发现 等粒子在 的高温区域不能稳定存在，容易溶解，会严重影响抑制晶粒长大的效果。在第一代、第二代氧化物冶金的基础上，研究者将 用于氧化物冶金技术的 研 究，开 发 出 第 三 代 氧 化 物 冶 金 技 术。年日 本新日铁成 功 开 发 出 技 术（），该技术主要是利用微细的 和 的氧化物和硫化物来钉扎奥氏体晶界移动；所开发出 厚 的 海 洋 工 程 用 钢 在 时具有优异的 （）性能；随后使用该技术开发出了具有大线能量焊接性能的大型集装箱用船板、建筑工业用厚板钢等。笔者团队前期工作采用比 结合能力更强的强脱氧剂 对钢液进行脱氧，实现对钢材中的微米级夹杂物和纳米级析出物的有效控制。在经过 的大线能量焊接后，仍具有良好的韧性，冲击功的平 均 值 大 于 ，成 功 开 发 出 了 （）技术。该团队还研究了利用强脱氧剂 对船板钢、海工钢等大型结构用钢在大线能 量 焊 接 条 件 下 的 韧 化 机 理 ，对 中微米 、纳米粒子 析出行为进行了分析，同时探究了微量元素如 、等的影响。关于氧化物冶金技术的文献综述，朱立光等 总结了新日铁、住友金属、神户制钢等日本钢铁公司和部分国内钢铁企业、研究机构运用氧化物冶金技术对提高船板钢的大线能量焊接性能的研发成果。郄亚娜等 总结了非金属夹杂物在钢液中的碰撞聚合长大、上浮以及吸附行为，并对比了夹杂物去除、改性处理和氧化物冶金技术。等 总结了夹杂物的成分、数量和尺寸等对晶内铁素体形核的影响，以及针状铁素体对钢材性能的影响。刘岩等 总结了在大线能量焊接条件下低合金高强钢影响针状铁素体形核及长大的因素。杨健等 归纳了 处理对钢中氧化物和硫化物的改性效果。刘林利等 对 复合脱氧时夹杂物的形成、铁素体的形核以及对 的韧性进行了综述。目前对钢中纳米析出物的总结报道还有限，关于微合金元素对 处理钢中夹杂物、组织、韧性的影响几乎没有文献综述报道。本文综述了加 的氧化物冶金技术对钢中第二相粒子、组织及韧性的影响。详细介绍了 处理对钢中微米夹杂物、纳米析出物的形貌、数量、尺寸和分布的影响，分析了 处理对晶内铁素体形核的诱发机制以及对原奥氏体晶粒长大的钉扎作用，阐明了 处理对 组织和低温冲击韧性的影响，同时还总结了（）（）、和 等合金元素对加 氧化物冶金钢板 的组织和低温冲击韧性的影响。炼钢第 卷 处理对第二相粒子的形貌、大小和分布的影响 处理对微米级夹杂物的影响钢液中的夹杂物通常是影响钢铁产品质量的重要因素。为降低夹杂物的危害，通常在钢液精炼过程中尽可能去除夹杂物。近年来，学者们常常添加 来改性夹杂物，尤其是在氧化物冶金技术的研发中采用 处理技术，从而发挥其控制 组织的作用。近十年学者所研究的 处理钢中常见的微米级夹杂物特性如表所示。表 处理后钢中生成微米夹杂物特性 时间作者作者单位钢种最高（）主要夹杂物夹杂物尺寸文献 东北大学试验用钢 梁国俐北京科技大学石油储罐钢 上海大学 郑万武汉科技大学试验钢 上海大学 船板钢 上海大学 船板钢 华北理工大学船板钢 东北大学 船板钢 武汉科技大学低碳钢 长江师范大学低碳钢 等 探究了不同 添加量下，钢中主要夹杂物的变化情况，钢中典型铁素体晶粒和夹杂物的扫描电镜和能谱分析结果如图所示。未添加 时，钢中主要为氧化铝夹杂，随着（）增加到 ，夹 杂 物 主 要 为 ；随着 含量继续增加，夹杂物尺寸变化保持相对稳定。当添加（）达到 时，钢液中存在大量的 ，夹杂物平均尺寸由 降低到 左右，样品中典型的夹杂物是由被 包裹的两个独立 粒子碰撞聚集形成的。图是夹杂物尺寸与夹杂物中 含量关系。当钢中（）增加到 、时，相应夹杂物中 含量逐渐增加。当夹杂物中 含量较高时，其（）可达到，钢中的夹杂物粒子也由 的不均匀分布变为 的较均匀分布。处理钢中夹杂物一般以 的氧化物为核心，表面被其他夹杂物包裹，大多数夹杂物以多相粒子的形式存在。王德永等 发现在低碳微合金钢 中，夹杂物以 为主，并且图钢中典型铁素体晶粒和夹杂物的扫描电镜和能谱分析结果 第期张玉旗，等：处理对厚板中第二相粒子、组织及韧性的影响图钢中不同 含量条件下夹杂物中的 含量和夹杂物尺寸 存在尺寸超过，有棱角且形状不规则的簇状聚合物，处理后团簇聚合现象消失。作者认为 对氧化铝的改性是由 （）或 向 表面扩散，添加的 含量会影响置换效果；添加 的（）时会生成形状规则的 、复合夹杂物；当添加质量分数达到 时，会生成小于 的 或 （、）（、）复合夹杂物。等 研究了 处理对 脱氧钢凝固过程中夹杂物和微观组织的影响，夹杂物均由内部氧化物和外围 组成，随着 含量的不同，核心氧化物成分变化如图所示。由于夹杂物中 含量高于含量，说明 除了以 存在以外，还以其他的形式存在于氧化物中。杨飞等 也探究了 复合脱氧时对钢中夹杂物的影响，当采用 复合脱氧时，夹杂物主要为近似球形的和不规则的 与 、的复合夹杂物；复合脱氧夹杂物主要为大尺寸方形的 和 的复合夹杂物，与 复合脱氧时夹杂物种类和形态相似；脱氧夹杂物是根据 的含量变化的，当 含量少时，复合夹杂物尺寸较大；随着 含量增加，夹杂物尺寸变小。一些学者对 和其它元素复合脱氧也进行了研究 ，认为不同的脱氧元素添加量会对夹杂物的种类、尺寸和分布产生明显的影响。处理对纳米级析出物的影响在焊接热循环过程中，第二相粒子尺寸和数量的变化对奥氏体晶粒长大过程中的钉扎起着不可忽略的作用。等 使用强脱氧剂、对钢液进行脱脱，采用非水电解法提取析出物，使 用 扫 描 电 镜 随 机 选 取 个 视 场，放 大 倍，统计发现小于 的析出物多达 个，成分主要含有 、这种元素。等 观察到不同 含量钢中纳米 的析出，如图所示。未添加 钢中 粒子数量密度分别为 和 ，而添加（）的（）后数密度变为（），粒子的平均尺寸由 和 降为 以下，此时 冲击韧性由 提高到 。图 为 含量、粒子体积密度和 冲击韧性关系。随着钢中（）从 增加到 ，由于部分 被还原，促进了纳米 粒子的形成，所以如图 所示，单位体积 粒子体积密度增加。从图 可以看出，随着 粒子体积密度的增加，低温冲击功值几乎呈直线地上升。最后从图 得出，随着钢中 含量增加，的低温冲击功值随之增加。炼钢第 卷图添加不同 含量夹杂物成分和形态的变化 图纳米 粒子在钢样品中的形态 图 含量、粒子体积密度和 冲击韧性关系 ，第期张玉旗，等：处理对厚板中第二相粒子、组织及韧性的影响 等 研究了添加 和 的（）对加 、海工钢中粒子析出的影响，两个钢中纳米粒子均为规则的立方形粒子 ，尺寸在 ，（）的 处理钢中纳米粒子数量明显多于（）的 处理钢。（）（）、含量对加 氧化物冶金钢中第二相粒子特性的影响作者过去的研究结果表明，在先加 后加 的复合脱氧过程中，会发生以下反应：首先钢液中的 和 会生成氧化镁 （）；当 含量较低时，先生成的 会被 部分还原：（）（）；当 含量较高时，先生成的 会被 全部还原：（）（）；当钢液中存在过量的 时，（）。当 和 的实际浓度乘积大于平衡溶解度时，就会生成。在保持（）（）基本相同的情况下，未经 处理的钢中析出 的尺寸波动较大，且出现大尺寸的 ；处理后钢中的复合夹杂物尺寸大多在 以下，的添加可以细化了 夹杂物。根据 、的原子量，和 的化学当量比值应该在 左右，在保持（）（）在 左右时，随着（）从 增加到 ，共观察到种纳米粒子形态，其中最主要的是长方体 粒子。表中整理了不同学者研究的（）（）及析出 粒子尺寸的结果。表钢中（）（）和析出 粒子的尺寸 （）（）年份作者作者单位（）（）（）（）（）析出相粒子尺寸 文献 复旦大学 武汉科技大学 上海大学 上海大学 上海大学 是常用的脱氧元素，在精炼过程中使用 脱 氧 会 生 成 高 熔 点 的 夹 杂 物，由 于 粒子易于形成大型团簇状夹杂物，对钢性能产生不利的影响。的存在会导致加 的氧化物冶金钢中亚微米和纳米粒子尺寸粗化，数量密度减小。等 揭示了在（）的 处理钢中加入 的（）后亚微米粒子和纳米粒子的形态和尺寸变化，发现存在不完全立方形状的亚微米粒子，由（，）芯和（，）帽组成，（，）沉淀在立方形（，）表面，纳米粒子大多呈完美的立方形状。不论是否添加，亚微米粒子数量都较少，纳米粒子的数量密度明显高于亚微米粒子。等 在（）的 脱氧的高 钢（），低 钢（）中也得出了类似的结论。两个钢中的纳米析出粒子均为长方体的（，），平均尺寸分别为 和 ，高 钢中小于 的析出物约占 ，而低 钢中小于 的析出物占 。元素一部分固溶在铁素体基体中，另一部分以析出物的形式存在。含 钢 中的析出物为（，）（，），无 钢 中的第二相粒子为 （，），两者都为长方体形状，尺寸在 。等 认为在镁处理氧化物冶金钢中添加 使 粒子转变成富 的（，）（，）和富 的（，），其形貌如图所示。随着钢中 含量的增加，中粒子的尺寸增加，数量减少。由于原子之间的结合力较弱，（，）（，）粒子的稳定性降低，促进了在焊接条件下小粒子的溶解和大粒子的粗化，降低了高温下含 钢的钉扎力。的化学性质活泼，很容易和钢中的、结合。粒子的析出会使元素失去其淬透性，为了抑制 的析出，可以使用加 固 的方法。等 通过 和 表征了和 在（）钢中 微观组织的映射结果，如图所示，可得出 在原奥氏体晶界处偏聚，图 中黄色箭头对应的高点为 化物的析出物。添加 的（）后，在晶界上出现两种形式的偏聚，大量的 炼钢第 卷自由和少量细小的 （）析出物。从图 可以看出，晶内高 位置伴随着高 ，这表明原奥氏体晶界处的析出物和 的析出有关，另外有部分固溶在 粒子中。图非水电解萃取粒子的 分析结果 图 表征（）和（）在（）钢中 微观