高强耐火钢中合金元素在焊接热循环作用下的偏聚行为

陈林恒 桑 晨 童 志 范 益 王红鸿

(1.南京钢铁有限公司，江苏 南京 210035；2.武汉科技大学 高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，湖北 武汉 430081)

热影响区粗晶区(coarse grain heat affected zone, CGHAZ)是焊接结构的关键区域，例如在石化设备、压力容器和管道、海洋平台、汽车以及军事和航空航天设施[1- 2]中，90%的失效(疲劳裂纹、冷裂纹、韧性降低、腐蚀裂纹等)发生在该区域[3- 4]。大量研究表明，合金元素含量对低合金高强钢粗晶区的连续冷却相变有显著影响。主要合金元素(C、Si、Mn)和微合金元素(Cr、Mo、Nb、V、Ti、B)的添加均会导致粗晶区连续冷却转变温度降低[5]。模拟热影响区连续冷却组织转变图表明[6- 7],快速冷却降低了相变开始温度和结束温度。采用中等冷却速率(即实际焊接常用冷却速率)时，合金元素的溶质拖曳效应促进了贝氏体相变[8]。少量Nb的加入促进了粗晶区中M- A组元的形成[9]，Mo和Ti的加入促进了粗晶区中侧板条贝氏体、上贝氏体和针状铁素体的形成。对于低碳低锰钢，缓慢的冷却速率导致粗晶区原奥氏体晶界析出铁素体[10]。因此，合金元素含量对粗晶区组织转变有重要影响。

焊接热循环过程中，合金元素会发生偏聚行为[11- 12]。高温下大多数合金元素以固溶状态存在，经过冷却，由于与铁原子尺寸不匹配，所有合金元素原子都有偏聚到晶体缺陷(如位错、晶界)的趋势[13]。已有研究表明：Nb原子在晶界处偏聚[14- 16]，并通过溶质- 拖曳[17]效应延迟铁素体的转变。但是由于仪器与设备不能精确检测合金元素的分布，目前对于合金元素的偏聚，尤其是焊接条件下偏聚行为的研究鲜有报道。……