大焊接线能量下ＲＥ对Ｃ－Ｍｎ钢熔敷金属低温韧性的影响高季明，厉焕波，郭燕杰，张舒庆（东北 大学）（冶金工业部建筑研究总院）（东北大学）摘要对稀土元素（ＲＥ）加入粘结焊剂，在大线 能量下焊接Ｃ－Ｍｎ钢熔敷金属的低温韧性进行了研究．利用混料优化设计理论分析了焊剂组分与 熔敷金属低温韧性间的关系，得到描述定量关系的回归方程和交互作用曲线．研究了ＲＥ对熔敷金 属中夹杂物的影响，探讨了熔敷金属低温韧性的变化规律与其中夹杂物的对应关系．关键词稀土元 素，Ｃ－Ｍｎ钢，
熔敷金属，
低温韧性，混料优化设计，夹杂物分类号ＴＧ４２３近年来，随着低 合金结构钢在工程中的大量使用，对与母材强韧性相匹配的焊接材料要求愈来愈高．尤其由于中厚 板的采用，使得研究大线能量下，获得较高低温韧性熔敷金属的课题具有更大的实际意义．本文利 用混料优化设计理论，研制出一种含稀土元素（ＲＥ）的新型焊剂，使在大线能量下熔敷金属具有 较高的低温韧性．并探讨了ＲＥ对熔敷金属及其中夹杂物与低温韧性的影响，对ＲＥ在焊接材料中 的应用有一定的理论意义．ｌ试验材料与研究方法采用的母材化学成分质量分数（％）为：Ｃ０． １８，，Ｓｔ０．３９，Ｍｎｌ．３７，Ｓ０．０２５，Ｐ０．０２０；焊丝的化学成分质量分数 （％）为：Ｃ０．１２，Ｓｔ０．ｏｆ，Ｍｎ０．６０，Ｓ０．０１９，Ｐ０．ｏｆ．焊剂的试验 设计采用混料优化设计，焊剂的主要组分为：ＣａＦ。，ＭｇＯ，ＡＩ。Ｏ。，ＣａＣＯ。，＊ｎ ｏ石０。，＊巳Ｏ３，Ａ卜ｈ，Ｄ一卜．用Ｙ表示试验目标，Ｘ。ｌ，兄。，…，兄。表示混料系 统中各组分所占的百分比，则焊剂中各变量的约束条件为；采用对称单纯形设计方法设计焊剂试验 方案得到对应１３点的成分设计．对混料设计试验进行韧性指标检验后，进行数据处理，求解得到 目标函数与焊剂各组分百分比的回归方程．对回归方程求解，得到最大目标函数的优化配方．根据
回归方程，绘制出组分之间的低温韧性等值线图．在焊剂中分别加入不同量的ＲＥ。Ｏ。，用ＧＭ －１０００型自动焊机在试板上进行多层堆焊，堆第一作者：女，５６，副教授．冶金工业部基金 资助项目．焊形式参照文献［２」进行，堆焊时的线能量为６５．６ＫＪ／。ｍ．所用试件均取自 最后一道焊缝．按照ＧＢ４１５９－８５进行低温冲击试验．用ＳＥＭ，ＸＰＳ等方法对熔敷金属 的组织及夹杂物的形态、尺寸进行了分析，用ＩＥＦ－３型高温显微镜对熔敷金属固态相变的动态 过程进行了模拟研究．２试验结果及讨论２．１回归方程和交互作用曲线用混料优化设计理论得到 熔敷金属低温韧性的回归方程为式中，Ｘ；表示Ｔｉ－Ｆｅ，Ｘ。表示ＡＩ－Ｆｅ，Ｘ。表示ＲＥ ：Ｏ。，ＺＸ；表示焊剂中其余成分．对回归方程及回归系数显著性检验结果表明，该方程显著， 方程中系数不同程度显著．根据回归方程绘制ＡＩ－ＲＥｔＯ。，ＡＩ－－Ｔｉ，Ｔｉ－－ＲＥ。 Ｏ。低温韧性等值线图，如图１所示．从图ｌａ中看出，ＡＩ－Ｆｅ和ＲＥｚＯ。对低温韧性的交 互作用比较明显．在焊剂中加人７％左右的ＲＥ。Ｏ。时可图１等值线四（ａ）一ＡＩ－Ｒｅ：Ｏ ，ｌ（ｂ）一ＡＩ－Ｔｉ；（ｃ）一Ｔｉ－Ｒｅ：Ｏ。取得韧性极值．在图比中存在两个韧性极值 区，这两个极值区分别位于两个合金元素单独加入区．图Ｉｃ表明Ｔｉ－Ｆｅ和ＲＥｚＯ。间存在 明显的交互作用，韧性极值区在高Ｔｉ－Ｆｅ加人量和ＲＥ。Ｏ。加入量６％左右的范围内．２． ２熔敷金属中的夹杂物与低温韧性焊剂中加入不同量ＲＥ。Ｏ。时获得的熔敷金属中夹杂物的照片 如图２所示．Ａ号试样是焊剂中ＲＥ。Ｏ３加入量为零时得到的熔敷金属，Ｂ号试样是焊剂中ＲＥ ：Ｏ。加入量为７％时得到的熔敷金属，Ｃ号试样是焊剂中ＲＥ。Ｏ。加人量为１５％时得到的熔 敷金属．各号试样中夹杂物的分布情况列于表１．可以看出，熔敷金属中加入不同ＲＥ时，
夹杂物 的形态、尺寸、数量均有所不同．不含ＲＥ的熔敷金属中存在大量的夹杂物，大部分夹杂物呈多边 形和长条形分布．当加入ＲＥ后，夹杂物变为点球形分布，说明ＲＥ对夹杂物有球化作用．熔敷金 属中夹杂物的尺寸在一定范围内随目２炼出全瞩中夹杂物（ａ）一Ａ号试样；（ｂ）一Ｂ号试样， （ｃ）一Ｃ号试样．ＲＥ：Ｏ。加人量的增加而减小，说明ＲＥ对夹杂物有细化作用．当焊剂中加 人７％的ＲＥ。Ｏ。时熔敷金属中夹杂物的数量明显减少，说明ＲＥ对熔敷金属还有一定的净化作 用；但当进一步增加焊剂中ＲＥ。Ｏ。加人量时，熔敷金属中夹杂物的数量再次增多，这说明当Ｒ Ｅ加人量过多时，熔敷金属将会受到污染．衣１培拉全鹰申夹杂物的分布通过高温显微镜对不同Ｒ Ｅ含量的熔敷金属在整个热循环过程中固态相变的动态过程进行了研究，直接观察了夹杂物的变化 ，以及铁素体从奥氏体晶界和某些夹杂物界面析出的过程．发现铁素体只在某些夹杂物的表面析出 ．这表明夹杂物的成分与类型对铁素体的形核是有影响的．对所观察的夹杂物进行能谱分析，结果 如表２．衣２熔田全属中夹杂物能出分析结果Ｋ可以看出，Ａ号试样中夹杂物主要以富ＡＩ的复合 夹杂物形式存在，Ｂ号及Ｃ号试样的夹杂物中存在大量ＲＥ，而且在Ｃ试样的夹杂物中，富ＡＩ夹 杂物比Ｂ试样少．分析了三种试样的显微组织，发现富ＡＩ夹杂物易于促使计状铁素体形核．对Ｒ Ｅ含量不同的熔敷金属试件进行低温（一４０Ｃ）冲击实验，Ａ，Ｂ，Ｃ试件的冲击韧性ａ。分别 为１６．４８，６１．４４，１１·０８Ｊ／ｃｍ’·可以看出，熔敷金属的低温韧性与其中夹杂 物的形态、数量有一定的对应关系．未加ＲＥ的熔敷金属中，存在大量的块状和长条形的夹杂物， 其低温韧性值是较低的．当焊剂中加入７％的ＲＥ。Ｏ。时，熔敷金属中夹杂物的数量明显减少， 夹杂物的形状趋于球化，夹杂物的尺寸减小，熔敷金属的低温韧性值明显地提高．当焊剂中加入１ ５％的ＲＥ：Ｏ。时，熔敷金属中夹杂物数量再次显著增多，而熔敷金属的低温韧性值却降得很低 ．其原因一方面是由于裂纹可在第二相粒子，或者在粒子与基体界面处形核，因而夹杂物增多，导 致韧性降低．但是裂纹形核存在一个临界尺寸，当小于临界尺寸时则不形核．因为小颗粒尺寸夹杂 和基体相连接将产生塑性变形而并非裂纹’“，所以夹杂物尺寸越大时，对韧性的危害也愈大．３ 结论（ｌ）混料优化设计是焊剂研制中，解决配方定量设计的一种新的、有效的设计方法．根据混 料回归方程绘制的组分低温韧性等值线图，更为直观地、准确地反映了各合金元素对熔敷金属低温 韧性的影响．（２）在大焊接线能量下，ＲＥ。Ｏ。具有稳定分解和向熔敷金属中过渡ＲＥ的条件 ．ＲＥ对熔敷金属具有明显的净化与使夹杂物球化的作用．（３）熔敷金属低温韧性的变化规律与 其中夹杂物的数量和形状有一定的对应关系．ＲＥ对熔敷金属的净化、变质与球化作用是提高烙敦 金属低温韧性的主要原因．参考文献｜｜１朱伟勇，傅连魁．冶金工程试验统计．北京：冶金工业 出版社．１９９１．４４８～５２４２ＮｏｒｔｈＴＨ．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９７ ９（３）：７８～８３３ＢｈａｔｔｉＡＲ．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９８４（３）： ８２～９３４ＪａｙｌｏｒＬＧ．ＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，１ ９７５（４）：１１１５张炳范，李午申．焊接最优化基础．天津：天津大学出版社，１９９０． ２５１～２６９６佘宗森，诸幼义．钢中稀土．北京：冶金工业出版社，１９８２．４８８～４９ ６７王世亮，胡维平．焊接学报，１９８６（２）：５６～６０８１９８２（１２）：Ｃ３４－７ ＩｎｆｌｕｎｃｅｏｆＲａｒｅＥａｒｔｈｓｏｎＬｏｗ－ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴｏｕｇｈｎ ｅｓｓｏｆＤｅｐｏｓｉｔＭｅｔａｌｏｎＳｔｅｅｌＣ－ＭｎｕｎｄｅｒＨｉｇｈＨｅａｔＩｎ ｐｕｔ￥ＣａｏＪｉｍｉｎｇ；ＬｉＨｕａｎｂｏ；ＧｕｏＹａｎｊｉｅ；ＺｈａｎｇＳｈｕｑｉ ｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｄｅｐｏｓｉｔ ｍｅｔａｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｆｏｒｓｔｅｅｌＣ－Ｍｎｕｎｄｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏ ｆｈｉｇｈｈｅａｔｉｎｐｕｔａｎｄｂｏｎｄｆｌｕｘｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｒａｒｅｅａｒｔ ｈｓ（ＲＥ）．Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄａｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃｕ ｒｖｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｏｐｔｉｍａｌｍｉｘｔｕｒｅｄｅｓｉｇ ｎｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉ ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｕｘｕｓｅｄａｎｄｔｈｅｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎ ｅｓｓｏｆｄｅｐｏｓｉｔｍｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆＲＥｏ ｎｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｄｅＰＯｓｉｔｍｅｔａｌ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔ ｗｅｅｎｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｍｅｔａｌａｎｄｓｕｃｈｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＥ，Ｃ－Ｍｎｓｔｅｅｌ，ｄｅｐｏｓｉｔｅｄｍｅｔａｌ，ｌｏｗ－ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｍｉｘｔｕｒｅ， ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ．大焊接线能量下RE对C－Mn钢熔敷金属低温韧性的影响@高季明，厉焕 波，郭燕杰，张舒庆$东北大学，冶金工业部建筑研究总院稀土元素，Ｃ－Ｍｎ钢，熔敷金属，低 温韧性，混料优化设计，夹杂物对稀土元素（ＲＥ）加入粘结焊剂，在大线能量下焊接Ｃ－Ｍｎ钢 熔敷金属的低温韧性进行了研究．利用混料优化设计理论分析了焊剂组分与熔敷金属低温韧性间的关系，得到描述定量关系的回归方程和交互作用曲线．研究了ＲＥ对熔敷金属中夹杂物的影响，探讨了熔敷金属低温韧性的变化规律与其中夹杂物的对应关系．１朱伟勇，傅连魁．冶金工程试验统计．北京：冶金工业出版社．１９９１．４４８～５２４２ＮｏｒｔｈＴＨ．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏ
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