陸恒昌，麻永林，王 權(quán)，邢淑清

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 前言

實驗?zāi)M焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（Simulated HAZ CCT diagram，簡稱SH-CCT圖）主要反映焊接過熱區(qū)組織的相變過程和特征，為評價鋼材性能和制定焊接工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測定方法有金相法、膨脹法、熱分析法、磁感應(yīng)法等。本研究采用焊接熱模擬技術(shù)，在Gleeble-1500D熱模擬機上對幾個新開發(fā)的鋼種進行了SH-CCT曲線的繪制。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于各種因素的作用和影響，實際膨脹曲線與理論曲線往往存在偏差，這給相變點的確定帶來難度，很多情況下取點過程中難免存在隨意性因素，因此，如何準確處理這類曲線成為提高SH-CCT曲線精度的關(guān)鍵。

1 膨脹法基本原理

鋼鐵的多型性轉(zhuǎn)變導(dǎo)致復(fù)雜多變的固態(tài)相變，各相之間有著不同的膨脹系數(shù)和比熱容，如表1所示[1]。

表1 鋼中基本相的比熱容和線膨脹系數(shù)Tabl.1 Specific volumes and liner expansion factors of the elemental phases in steel

由表1可知各相比熱容關(guān)系是：奧氏體<鐵素體<珠光體<貝氏體<馬氏體，而熱膨脹系數(shù)則正好相反。因而，鋼試樣在加熱和冷卻會同時發(fā)生熱膨冷縮和體積的變化，其總長度的變化計算式如下[2]

式中 ΔL為加熱或冷卻時的全膨脹量；ΔL熱為熱脹冷縮引起的膨脹量；ΔL體為相變體積效應(yīng)引起的膨脹量。

在一定溫度范圍內(nèi)，同一相的膨脹系數(shù)變化并不明顯，可認為各溫度的線膨脹系數(shù)均等于線平均膨脹系數(shù)，即 ΔL熱=α·ΔT，當(dāng)不發(fā)生相變時，ΔL相=0，則有 ΔL=ΔL熱=α·ΔT 為線性關(guān)系；發(fā)生相變時，該線性關(guān)系破壞，膨脹曲線就出現(xiàn)拐折，相變結(jié)束時，ΔL體=0，曲線又恢復(fù)線性關(guān)系。

根據(jù)以上理論，在冷卻過程中發(fā)生奧氏體向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變時，將得到如圖1所示的膨脹量曲線。由于珠光體的比熱容大于鐵素體，冷卻過程中在a點先共析鐵素體析出使膨脹量增加，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時體積再進一步膨脹，使得膨脹曲線斜率相應(yīng)增加，并且中間會出現(xiàn)拐點b，在c點轉(zhuǎn)變結(jié)束時，斜率恢復(fù)。同理，在貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間d~f內(nèi)出現(xiàn)拐點e。相應(yīng)點的溫度就對應(yīng)相變的開始和終止。

圖1 連續(xù)冷卻過程奧氏體轉(zhuǎn)變的理論膨脹曲線Fig.1 Theoretical dilatometric curve of austenite transformation during continuous coolingq

2 實際膨脹曲線

在實際操作過程中，由于鋼鐵材料組織的多變性和轉(zhuǎn)變過程的復(fù)雜性，在采用膨脹曲線繪制CCT曲線時會遇到各種特殊曲線，如何準確處理和獲得所需要的相變點，是繪制高精度CCT曲線的關(guān)鍵。本研究在對幾個鋼種進行SH-CCT繪制時，發(fā)現(xiàn)膨脹曲線與理論上的曲線有不同程度的差距，包括高溫轉(zhuǎn)變區(qū)（奧氏體向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變）和中低溫轉(zhuǎn)變區(qū)（貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變），如圖2a、2b所示。

圖2a實測的膨脹曲線（該試樣冷卻速率為0.1℃/s)，相變開始和終止之間并無明顯的拐點出現(xiàn)，觀察相應(yīng)的金相組織照片（見圖2c），該冷卻速率下得到的最終組織為鐵素體、貝氏體和少量珠光體，而圖中a~b段為鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變區(qū)，b~c段為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，這兩個區(qū)間內(nèi)理論上應(yīng)該出現(xiàn)一個拐點。同樣，圖2b中試樣冷卻速率為40℃/s，根據(jù)膨脹量轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間及其金相組織照片（見圖2d）可知，該冷速下發(fā)生了貝氏體和馬氏體相變，曲線上的a~b段同樣應(yīng)該出現(xiàn)拐折，但實際并沒有出現(xiàn)明顯的拐點，需要采取特殊的辦法進行判定和處理。

3 提高精度的處理方法

3.1 轉(zhuǎn)變點的杠桿法-金相法綜合精確確定

對于出現(xiàn)上述拐點不明顯的膨脹曲線，實際上膨脹量與轉(zhuǎn)變量之前有著密切的聯(lián)系，從膨脹曲線可以看出，隨著溫度的降低，奧氏體不斷地向鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為膨脹量不斷增加，奧氏體轉(zhuǎn)變量與膨脹曲線即構(gòu)成量的關(guān)系，該關(guān)系可用杠桿法[1，3]來度量，如圖 3 所示。

首先假定奧氏體完全轉(zhuǎn)變，且相變量與相變體積效應(yīng)成正比。如圖3a所示，當(dāng)奧氏體在一個溫度范圍內(nèi)完全轉(zhuǎn)變時，在溫度T處，作垂直于溫度坐標的直線，與兩直線延長線相交于A、C點，與膨脹曲線相交于B點，則AC線段為奧氏體完全轉(zhuǎn)變后試樣增加的長度，BC線段為溫度T下生成新相所增加的長度，即B點對應(yīng)的奧氏體轉(zhuǎn)變量（單位：%）為

此即為新相生成的百分含量。當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在兩個溫度區(qū)間時，如圖3b所示，則奧氏體轉(zhuǎn)變完全時試樣增長量為AC+DF，B點處新相生成量應(yīng)為

為了使操作更簡便，將杠桿法等效轉(zhuǎn)換成面積比，如圖3c所示。由以上分析可以得出，當(dāng)知道了組織相的百分含量，就可以算出兩相的分界溫度點。

圖2 實測膨脹量曲線及相應(yīng)的組織Fig.2 Experimental dilatometric curves and corresponding microstructure

圖3 杠桿法計算奧氏體轉(zhuǎn)變量示意Fig.3 Diagrams of Lever method for calculating the amount of austenite transformation

結(jié)合金相分析，對圖2a中的試樣組織含量測定的結(jié)果為：15%鐵素體+5%珠光體，在膨脹曲線上找到轉(zhuǎn)變量為15%的點為b點，讀取溫度600℃即為珠光體開始轉(zhuǎn)變點，如圖4a所示。連續(xù)冷卻條件下，在先共析鐵素體轉(zhuǎn)變結(jié)束后發(fā)生的珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變更為復(fù)雜，且受到實驗條件的影響下，實測的膨脹曲線很難反映出相變的細節(jié)，此時要通過同樣的方法尋找貝氏體轉(zhuǎn)變開始點會比較困難，而貝氏體轉(zhuǎn)變溫度一般在550℃~Ms范圍[3]，觀察曲線發(fā)現(xiàn)，在550℃左右時曲線出現(xiàn)拐折，所以選定該點為貝氏體開始轉(zhuǎn)變點是合理的；對圖2b測量組織含量的結(jié)果為：貝氏體35%＋馬氏體65%，同樣找到轉(zhuǎn)變量為35%的點b′為貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點，即馬氏體開始轉(zhuǎn)變點，讀取溫度為417℃，如圖4b所示。

3.2 硬度法輔助精確確定組織及其分布

由3.1節(jié)可知，組織百分含量是杠桿法的關(guān)鍵，其值越準確，SH-CCT曲線的精度越高。在測定時應(yīng)該在低倍數(shù)（100倍或200倍）下測量一定數(shù)量的金相照片；當(dāng)有些組織形貌類似而難以確認時，如圖2d所示的條片狀貝氏體和馬氏體，這是因為貝氏體轉(zhuǎn)變的機制和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)具有過渡特征，特別是低溫轉(zhuǎn)變下得到的下貝氏體與板條馬氏體均通過切變機制而得到相同的亞結(jié)構(gòu)[4]，在顯微鏡下形貌一致，極為難辨；為了提高測量的精確度，可通過顯微硬度值來區(qū)別。本實驗用HV-50A型維氏硬度計（萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)），在施加壓力5 kgf條件下，對幾個實驗鋼種（合金含量2%～3.1%）在不同冷速下的試樣進行測定，并從大量的數(shù)據(jù)中歸納出各相顯微硬度范圍，如表2所示。

圖4 相變點Fig.4 Phase transition points

表2 低合金鋼中各相顯微硬度Tab.2 Microhardness of phases in low alloy steels HV

由表2可知，因合金含量及其分布情況對組織硬度有直接影響，低合金鋼連續(xù)冷卻得到的鐵素體合金含量少，故其硬度值最低，并由固溶合金量的多少在一定范圍內(nèi)變化，最高約為200；珠光體和粒狀貝氏體有相近的硬度值，而下貝氏硬度值則明顯較高，甚至與馬氏體的硬度一致。當(dāng)測出試樣不同組織的硬度值后，可參照表2對組織類型輔以判斷，從而提高組織百分含量的測量精度。

3.3 SH-CCT曲線繪制實例

在此根據(jù)上述原理和方法進行了SH-CCT曲線的繪制實踐，先后對SA508-3、Q390和TS960QC等多個新鋼種進行了焊接熱模擬實驗研究工作。Q390顯微硬度和組織分布情況如表3所示，繪制出的Q390鋼SH-CCT曲線如圖5所示。從表3可以看出，通過顯微硬度值可以很好的辨別出組織類型，從而保證組織測定的精確性。很明顯，通過上述方法處理的曲線和組織分布更加精確，能夠更好地滿足對SH-CCT曲線的不同要求。

表3 Q390顯微硬度和組織分布Tab.3 Microhardness and microstructure distribution of Q390 steel

圖5Q390鋼SH-CCT曲線Fig.5 SH-CCT curves of Q390 steel

4 結(jié)論

（1）提高繪制SH-CCT曲線的精度，重點是如何處理膨脹曲線的特殊拐點，綜合運用杠桿法及金相法分析和計算出相變點，可以避免取點的不確定性，實現(xiàn)SH-CCT曲線的高精度繪制。

（2）微量組織的分布，可通過組織觀測輔以顯微硬度加以確認，不僅能夠提高組織含量測定的準確性，同時能夠?qū)Ω軛U法等確定的相變點進行檢驗和驗證。

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[1]林慧國，傅代直.鋼的奧氏體曲線轉(zhuǎn)變—原理、測試與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：262-263.

[2]呂德林，李硯珠，譚長瑛，等.焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻相變過程的研究—焊接 CCT圖[J].焊接學(xué)報，1982，3（3）：104-105.

[3]張世中.鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖集[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993：15-17.

[4]劉宗昌.材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：202-205.