合金元素及焊接组织

合金元素及焊接组织对管线钢焊接裂纹的影响王斌报告内容Ⅰ.非金属元素对熔敷金属组织性能的影响Ⅱ.合金元素对管线钢焊接裂纹性能的影响Ⅲ.组织对管线钢抗焊接裂纹性能的影响Ⅳ.热输入对焊缝组织的影响分析Ⅴ.建议A3钢对接焊接头宏观形貌焊缝区热影响区母材区液态过热区温度范围完全正火区温度范围不完全正火区温度范围母材区温度范围焊缝区过热区完全正火区不完全正火区母材区焊接接头全貌组织焊缝区→过热区→完全正火区→不完全正火区→母材区焊缝区过热区完全正火区不完全正火区母材区含氢量小于2ml/100g时，能在含S量为0.008的锻件中引发氢致裂纹（锅炉技术，1990.9，徐建销）非金属元素对熔敷金属组织性能的影响一、氢对钢管组织性能的影响1.在固态钢中的存在形式（1）形成间隙固溶体;（2）在固态钢中扩散能为非常强。2.作用（1）使钢的塑、韧性降低，引起氢脆;（2）从钢中析出变成分子态时造成内部裂纹性质的缺陷，突出的如白点。非金属元素对熔敷金属组织性能的影响二、氧对钢管组织性能的影响1.在固态钢中的存在形式（1）在固态钢中溶解度很小;（2）主要存在于氧化物夹杂中。2.作用（1）夹杂物引起应力集中，产生微裂纹，加速钢的塑性破坏，降低韧性;（2）在钢的抗拉强度较高时，降低疲劳强度、耐腐蚀性、耐磨性;（3）引起热脆;（4）Al,Mg,Ca的氧化物及大颗粒Ti的碳氮化物成为裂纹的起源。非金属元素对熔敷金属组织性能的影响三、氮对钢管组织性能的影响1.在固态钢中的存在形式（1）形成碳氮化物，多分布于晶界;（2）随温度降低溶解度急剧降低;（3）抑制铁素体晶粒生长。2.作用（1）一些含A1,V,Nb的低合金钢中可形成特殊的氮化物使铁素体强化并细化晶粒，显著提高钢的强度和韧性;（2）引起淬火时效和形变时效，显著提高钢的硬度、强度，降低塑性、韧性，造成焊接区脆化。N对熔敷金属组织和性能的影响氮含量对熔敷金属低温冲击韧性的影响随着N含量的增加，熔敷金属低温韧性降低非金属元素对熔敷金属组织性能的影响非金属元素对熔敷金属组织性能的影响焊丝中N含量与熔敷金属中N含量的关系熔敷金属中的N含量随焊丝中N含量的增加而增加。焊丝中N含量对熔敷金属中N含量的影响非金属元素对熔敷金属组织性能的影响总结：C、N、P、S、Si增加了钢的氢脆倾向。①奥氏体形成元素，与Fe形成无限互溶的γ相，弱碳化物形成元素。一、石油管钢中的合金元素对组织性能的影响1.Mn元素的作用②溶于渗碳体取代部分Fe形成复合碳化物，细化P，强化基体钢；且其在渗碳体中的浓度大于在F中的浓度，可见锰主要起固溶强化作用。③相同碳时，随锰含量增加，强度增加，但脆性转变温度下降。④降低相变温度，有助于晶粒细化。⑤锰含量过高，使韧性降低，造成钢板带状组织严重，增强各向异性，降低抗氢致裂纹性能合金元素对管线钢焊接裂纹的影响在管线钢中加入1.0～1.5％可使相变温度进一步降低，再增加将引起奥氏体转变为粗大的针状铁素体而非多边形铁素体。（1）促进针状组织的发展，抑制多边形铁素体的形成（加速冷却）。因此能在极低的碳含量下得到高的强度。钼的含量通常被限制在0.3%以下；（2）抑制钢在高温回火时由于P等杂质在晶界偏聚导致的脆性现象，减少固溶碳量，使残留奥氏体减到最少，以至完全没有，这样就少形成或不形成未回火的马氏体，增强基体抗硫化氢腐蚀性能。一、石油管钢中的合金元素对组织性能的影响2.Mo元素的作用①通过固溶硬化和晶粒细化增加强度;③镍还能够改善铜在钢中引起的热脆性，但低合金钢中加入镍，由于含镍钢上的析氢过电位最低，氢离子易于放电，因而强化了吸氢过程，使钢的硫化物破裂敏感性增加。3.Cu、Ni元素的作用②铜能降低氢在钢中的渗透速率，利于提高抗氢脆应力腐蚀和沟状腐蚀性能。合金元素对管线钢焊接裂纹的影响①微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。二、微合金元素的影响②主要微合金化元素：铌、钒、钛，此外还有铝和硼。（图3－32）③由于不同微合金元素与碳和氮有不同的亲和力，不同的微合金碳化物／氮化物在奥氏体和铁素体中有相差甚远的溶解度，且各种微合金碳化物和氮化物有不同的析出动力学，故其作用不同。④微合金元素加入目的：晶粒细化及析出强化。由微合金碳、氮化物或碳氮化物的析出引起。1）阻止奥氏体晶粒在控扎或焊接冶金中长大，延迟奥氏体再结晶；2）晶粒细化、沉淀强化。3）影响焊接HAZ软化区大小，使之变窄。合金元素对管线钢焊接裂纹的影响二、微合金元素的影响④微合金元素加入目的：影响焊接HAZ软化区大小，使之变窄，结果？合金元素对管线钢焊接裂纹的影响(a)CGHAZ+FGHAZ(b)FGHAZ+ICHAZ(c)ICHAZ+BM试板的原始组织主要是条状贝氏体与部分粒状贝氏体的复合组织。而PAC钢的HAZ是分为三个区的梯度组织，即粗晶区（CGHAZ），细晶区（FGHAZ），不完全重结晶区（ICHAZ）。碳化物形成元素Ti,V,Al,Nb,Zr等能够增加氢陷阱的数量，降低陷阱中富积的氢含量，同时稀土元素能够改变MnS夹杂物的形状，使其变圆变细，从而能增加氢陷阱中的临界氢浓度,降低钢的氢脆几率。二、微合金元素的影响④微合金元素加入目的：合金元素对管线钢焊接裂纹的影响TiN颗粒分布在奥氏体晶界上，阻碍钢在热加工时奥氏体晶粒的长大。由于形成难溶的TiN而消除了钢中的自由氮，从而改善钢的韧性。过量会形成对韧性不利的TiC。钛含量＜0.09％时，焊接组织中一般不会发生氢致裂纹。1.Ti元素的作用二、微合金元素的影响2.V元素的作用有轻微的细化组织作用，在γ—α相变中发生相间沉淀，形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化作用。3.B元素的作用促进贝氏体的形成。加入0.001%的硼，就可使钢的显微组织全部转变为贝氏体。过量的硼虽然可以显著提高强度，但却能降低钢的韧性，特别是对脆性转变温度影响很大。（控制含量）合金元素对管线钢焊接裂纹的影响a）显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强化作用；b）增加强度的同时降低韧脆转化温度。4.Nb元素的作用二、微合金元素的影响合金元素对管线钢焊接裂纹的影响(a)不含Nb(b)0.018%Nb(e)0.043%NbNb对熔敷金属显微组织的影响(350X)Nb对熔敷金属组织和性能的影响不含Nb的熔敷金属显微组织中，粒状贝氏体小岛总量较少，呈颗粒状，尺寸细小;随着Nb含量的增加，熔敷金属显微组织细化，粒状贝氏体的小岛总量明显增加且均匀分布于铁素体基体上;进一步增加Nb含量，熔敷金属显微组织中粒状贝氏体小岛呈不连续的长条形，且相互趋向于平行排列。(a)熔敷金属不含Nb(b)熔敷金属含NbNb对熔敷金属断口微观形貌的影响熔敷金属不含Nb时，由于断口无放射区而表现为全部的韧窝形貌;加Nb的熔敷金属断口以韧窝形貌为主，在断口中部放射区主要是准解理形貌加上少量的韧窝。加Nb的熔敷金属，其宏观形貌放射区在扫描电镜下主要表现为准解理特征，从力学性能上反映则为低温韧性比不加Nb的熔敷金属低。Nb对熔敷金属组织和性能的影响熔敷金属屈服强度和抗拉强度随Nb含量的增加而提高。熔敷金属中不同Nb含量对熔敷金属强度的影响Nb含量对熔敷金属强度增加百分数的影响Nb含量对熔敷金属伸长率的影响Nb含量对熔敷金属低温韧性的影响Nb对熔敷金属组织和性能的影响钒在低合金高强度钢中的作用分解示意图1.稀土对珠光体数量形态影响①未加稀土样的珠光体形态不规则，且有轻度魏氏组织形成；适量稀土174×10-6，使魏氏体组织消除，P多呈球态，且量减少；加入过量稀土，虽P有一定细化，但金属间化合物在晶界聚集，恶化晶界，W组织又出现。三、稀土对钢组织性能的影响②稀土在晶界富集，降低界面能，消弱晶界形核的优势；固溶稀土对碳具有强大的交互作用，使碳的富集和扩散减弱，使P数量减少且细化。2.稀土对B及M组织的影响加适量稀土174×10-6，组织从板条状贝氏体变为粒状贝氏体，且数量减少;稀土过量(665×10-6)，试样板条状贝氏体又增加。稀土有抑制贝氏体转变，并使其数量减少的作用。适量稀土可细化和阻止奥氏体晶粒长大，改善马氏体组织；过量则M变短、粗合金元素对管线钢焊接裂纹的影响3.稀土对氢脆的影响稀土元素如La,Se和碳化物形成元素Ti,V,Al,Nb,Zr等能够增加氢陷阱的数量，降低陷阱中富积的氢含量，同时稀土元素能够改变MnS夹杂物的形状，使其变圆变细，从而能增加氢陷阱中的临界氢浓度。三、稀土对钢组织性能的影响合金元素对管线钢焊接裂纹的影响4.与低熔点的As、Sn等化合成高熔点化合物溶于铁素体中，净化晶界，有助于减轻硫化氢腐蚀。5.除硫。四、石油管钢的组织细化与性能超细晶钢的屈服强度与d-1/2间仍基本符合Hall-Patch关系:σs=σ0+Kd-1/2图3－37超细晶粒钢d-1/2与屈服强度间的关系1.晶粒尺寸与屈服强度的关系晶粒细化后的细晶强化效果很明显。但当铁素体晶粒尺寸细化至0.92um时，其屈服强度仅为630MPa，与普通晶粒度级别的钢相比，强度提高不是很大。合金元素对管线钢焊接裂纹的影响四、石油管钢的组织细化与性能2.晶粒尺寸与强度及延性的关系图3－39铁素体晶粒尺寸对实验钢强度和延性的影响合金元素对管线钢焊接裂纹的影响四、石油管钢的组织细化与性能3.晶粒尺寸与冲击韧性的关系图3－40铁素体晶粒尺寸与钢材冲击韧性的关系合金元素对管线钢焊接裂纹的影响四、石油管钢的组织与性能（1）优良的强韧性原因：针状铁素体形成过程中的过饱和固溶及细小亚结构——多位向析出的针状铁素体板条束及其细小的有效晶粒尺寸。1.针状铁素体钢的特性（2）较高的形变强化抗力和小的Bauschinger效应。Bauschinger效应——材料预先加载产生少量变形，后同向加载则σe增加，反向加载则σe降低的现象。原因：针状铁素体细小的亚结构——其高密度可移动位错易于实现多滑移，使针状铁素体具有连续的屈服行为和高的形变强化能力。（3）良好的耐蚀和焊接性能。合金元素对管线钢焊接裂纹的影响四、石油管钢的组织与性能2.中Mn低Mo氮化钛沉淀型针状铁素体钢（北极管线钢）低C、中Mn的针状铁素体钢，利用钢板中细小的氮化钛沉淀（TiN不大于0.02μ）阻止在HAZ中的晶粒粗化，增加基体合金和焊缝的韧性，降低了C、Mn和Mo来提高可焊性。降低Mn和Mo所带来的强度降低是用加V和运用严格的控制轧制来弥补，韧性则靠增加板坯中的细小TiN含量来提高的。这种细小的沉淀对钢板再加热时获得细化的奥氏体晶粒也有效。合金元素对管线钢焊接裂纹的影响组织对管线钢抗裂纹性能的影响1.显微组织对SCC性能的影响淬火加高温回火得到铁素体上均匀弥散分布球状碳化物组织，具有较少的氢原子“陷井”，捕获氢量较低,最接近热力学平衡状态，故抗SCC性能最好，同时也是冲击韧性最好的组织。王斌，等.合金元素和控制轧制对低合金高强度钢抗硫化氢腐蚀的影响.腐蚀与防护.2005，26（9）：402－406；从奥氏体区缓冷、正火和回火或等温处理得到的粗大球状或薄片状碳化物组织抗SCC性能较差，而淬火后未经回火的马氏体组织抗SCC性能最差。贝氏体组织恶化了硫化物腐蚀破裂性能，当贝氏体含量减少时，不良影响减轻。组织对管线钢抗裂纹性能的影响1.显微组织对SCC性能的影响控制焊接过程，使硫化物呈细小球形、弥散均布；同时追求组织均匀；焊接时控制熔池及冷却速度，避免原始偏析，防止包析反应中产生的树枝晶的成分偏析，增加γ→α相转变的冷速可降低二次偏析；尽可能使晶粒均匀细化，组织组织致密，增大H的扩散激活能。王斌，等.合金元素和控制轧制对低合金高强度钢抗硫化氢腐蚀的影响.腐蚀与防护.2005，26（9）：402－406；奥氏体小于37％时，氢脆敏感性随奥氏体的增多而降低，且氢脆极易沿低温反常组织（马氏体、贝氏体）传播，故大量残余奥氏体能减少氢脆的扩展速度，使抗硫化氢应力腐蚀能力增强。组织对管线钢抗裂纹性能的影响控制焊接过程，使硫化物呈细小球形、弥散均布；同时追求组织均匀；焊接时控制熔池及冷却速度，避免原始偏析，防止包析反应中产生的树枝晶的成分偏析，增加γ→