超细晶粒钢及其焊接性（下）

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2.1.2HAZ淬硬......




2.1.2　HAZ淬硬性
在靠近熔合线的HAZ，奥氏体晶粒易粗化和硬化。为了减少冷裂和接头韧性的损失，通常限制HAZ的最大硬度。如造船用结构钢和破冰船，

其硬度限制在HV 300～350之间。为避免应力腐蚀，硬度值也被限制，如在湿的H2S环境下，管线钢的硬度限制在HV 248。HAZ的最大硬度随着
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冷却时间t8/5的增加而减小。
2.1.3　HAZ的韧性和微观组织
下贝氏体和低碳马氏体均有较好的韧性，且下贝氏体的韧性优于低碳马氏体，随着冷却时间的增加，上贝氏体的含量越来越多，韧性逐渐

降低。上贝氏体和侧板条铁素体均有很低的韧性。晶界铁素体是冷却时在原奥氏体晶粒边界上析出的，且上贝氏体和侧板条件铁素体从晶界铁

素体向晶内生长。一般把粗晶热影响区(CGHAZ)和临界粗晶热影响区(IRCGHAZ)称作“局部脆性区”(LBZ)，铁素体中固溶的碳小于奥氏体中固

溶的碳，奥氏体分解过程中碳从相变铁素体析出且在没有相变的奥氏体中偏聚，这将推迟奥氏体相变且导致残余奥氏体+高碳马氏体(碳含量大

于1 %)的混合组织(即M-A组元)形成，当钢在临界点之间的温度区域加热时，奥氏体和铁素体共存，将造成奥氏体中碳的偏析且导致硬化能力

增加，在冷却时转化为M-A组元，它对HAZ的韧性极为不利，当晶粒粗大时，更为不利，HAZ的韧性强烈依赖M-A组元的体积分数。文献［1］报

道局部脆性区(LBZ)的影响在夏氏V型冲击试验中不明显，但在热模拟HAZ试样的CTOD试验中却很明显。此外，当焊缝采用高匹配时，也将使HAZ

的韧性损失，但与组织所引起的韧性损失相比，是很小的。
HAZ的低韧性不仅是由于M-A组元所占的体积分数所决定，也由其大的断裂晶面尺寸所决定，因此可通过以下措施改善韧性：①可探索采用

合适的焊接工艺，以减小LBZ区的整体面积；②减小形成M-A组元的合金元素，如B、N、C元素含量；③减小Si、Al、P元素含量，可促进M-A组

元的分解；④当钢中细小弥散的析出物在接近熔点时仍很稳定，则能有效细化HAZ中的粗大奥氏体，导致上贝氏体和侧板条铁素体的细化；⑤

由于针状铁素体的断裂晶面尺寸小，韧性好，所以若添加一些细小稳定的氧化物，不仅可降低HAZ粗晶区的晶粒尺寸，而且还可作为晶内针状

铁素体的形核场地。
2.1.4　HAZ的软化
超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后HAZ会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。

不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其他因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。对于低强度级别的400

MPa钢而言，在高强匹配下，更高强度的焊缝和没有受热影响的母材对软化区有强的拘束作用，所以采用高匹配是防止或减小HAZ软化的有效措

施之一。
2.2　焊缝金属的性能
通常焊缝金属的强度应与母材等强匹配或稍高于母材。大多数焊接结构是在焊后状态下使用的，焊缝金属的强化依然要靠合金元素来实现

，因此，焊缝金属的碳当量将全面高于母材，且当熔敷金属的强度提高时，其强度和韧性将对热输入很敏感，此时应考虑合适的焊接工艺。所

以当母材强度提高时，获得合适的焊缝强度就变得较困难。
400 MPa细晶钢的焊缝金属性能与HAZ性能相比，不是主要矛盾。对于400 MPa级细晶钢而言，焊缝金属要获得优良的强度和韧性，焊缝金
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属的理想组织应为针状铁素体，这就要严格控制焊接材料的化学成分，如Ti-B系列的焊条、焊剂和Ni-Cr-Mo-V系列的焊丝。
当焊接大于800 MPa或更高强度级别的细晶钢时，需全面考虑接头性能。焊缝和HAZ都有可能出现问题，HAZ的粗化问题可借鉴400 MPa级细

晶钢的有效防止措施，如合适的焊接方法、焊接工艺及其他焊接条件，但随钢强度级别的提高，800 MPa细晶钢焊缝中易出现冷裂倾向，因此

，对于800 MPa级的细晶钢而言，主要问题便是解决焊缝金属的性能，即必须研制、开发与母材性能相匹配的焊接材料，焊缝金属要获得优良

的强度和韧性，其焊缝金属的理想组织应为超低碳贝氏体，这方面的工作目前还没有较成熟经验，因而需全面开发以这种微观组织为主的焊接

材料。
2.3　焊缝和HAZ的裂纹倾向
2.3.1　热裂纹
熔敷金属的化学成分主要是针对避免热裂纹而设计的，因此凝固裂纹主要是由母材稀释而引起的，即主要出现在具有最大熔合比的焊道上

(如根部焊缝)，或出现在凝固方式不恰当时(如过大的熔合比和焊速过高所引起的过于拉长的焊接熔池)，此时热裂纹可通过改变焊接工艺参数

避免。热裂纹的产生也强烈依赖夹杂物的数量和种类，细晶钢的合金含量很低、夹杂物(如S、P)含量低以及偏析少，所以热裂纹不易发生。
2.3.2　冷裂纹
因不同钢种对冷裂敏感的微观组织不尽相同，建议严格控制HAZ硬度。细晶钢低的碳当量减小了冷裂倾向，明显改善了其冷裂敏感性。因

母材细晶钢的碳当量低，而熔敷金属碳当量高，于是氢就被固在熔化的金属中，在焊缝中出现冷裂，可减少扩散氢含量来降低焊缝的冷裂倾向

。
2.3.3　层状撕裂
为减少层状撕裂，有两种有效方法，第一种方法是减小硫含量到很低的水平(小于0.008 %)，第二种是为获得理想硫化物形态添加合金元

素，如Ca化处理。由于细晶钢本身高的洁净度，因而发生层状撕裂的可能性不大。
2.4　焊后热处理
焊后热处理有可能恶化焊缝性能，对超细晶粒钢，其唯一目的是松弛残余应力，而不象传统C-Mn钢是为了改善性能。当碳含量低(小于

0.15 %)且碳当量很低时(小于0.4 %)，钢几乎没有硬而脆的HAZ，并且几乎没有应变时效倾向。因此很少要求焊后热处理。必要时，消除应力

的热处理温度必须小于600 ℃或考虑机械消除应力的措施。
3　结论
(1) 超细晶粒钢通过形变细化、相变细化和第二相析出提高钢的强度，由此降低结构自重，从而减少其结构用量和运输费用，同时它还具

有优良的强韧性，合金含量低、杂质含量低、便于回收、可重复使用等优点，因而可有效地用于生产中，符合社会可持续发展战略。
(2) 焊接热循环明显影响400 MPa和800 MPa超细晶粒钢焊接热影响区的晶粒长大，应研究其HAZ晶粒长大规律和动力学，寻找HAZ晶粒长大