低合金钢焊缝的固态相变分析

低合金钢焊缝固态相变后的组织比低碳钢焊缝组织要复杂得多，随着焊接材料、熔合比、与母材混合后的化学成分及冷却条件不同，可出现不同的焊缝组织。除铁素体和珠光体之外，还会出现多种形态的贝氏体和马氏体，它们对焊缝金属的性能有十分重要的影响。应指出，低合金钢焊缝中的铁素体、珠光体与低碳钢焊缝中的铁素体、珠光体虽然在组织结构上相同，但在形态上有很大的差别，因此也会表现出不同的性能。此外，焊缝是在非平衡状态下进行凝固和固态相变的，所以相变后的组织也不会像母材那样均匀。由于焊缝是铸态组织，焊缝中的氧含量往往比母材高10倍以上（氧的质量分数可达0.01％）。较高的氧含量不仅影响焊缝的性能，同时也影响组织转变，使连续冷却转变图向左移动。

根据低合金钢焊缝化学成分和冷却条件的不同，可能出现以下四种固态相变。

1.铁素体转变

研究表明，低合金钢焊缝中的铁素体形态比较复杂，对于焊缝金属的强韧性有重要的影响。目前虽然对低合金钢焊缝的组织做了许多研究，但对金相组织的分类及本质的认识尚未完全统一，在名词术语上也有一些分歧。根据多数研究者的习惯用法，低合金钢焊缝中的铁素体大体可分为以下四类。

（1）先共析铁素体（Proeutectoid ferrite，PF）焊缝中的先共析铁素体是焊缝冷却到较高温度时，由奥氏体晶界处首先析出（转变温度为770～680℃），也称为晶界铁素体（Grain boundary ferrite，GBF）。在奥氏体晶界析出的PF数量，与焊接热循环的冷却条件有关。高温停留时间越长，冷却速度越慢，PF数量就越多。PF在晶界析出的形态是变化的，与合金成分和冷却条件有关，一般情况下，PF呈细条状分布在奥氏体晶界，有时也呈块状出现，如图5-25所示。

（2）侧板条铁素体（Ferrite side plate，FSP）侧板条铁素体的形成温度比先共析铁素体稍低，在700～550℃，它的转变温度范围较宽。侧板条铁素体是从奥氏体晶界PF的侧面以板条状向晶内成长，从形态上看如镐牙状（见图5-26）。它的转变温度偏低，使低合金钢焊缝中的珠光体转变受到抑制。由于扩大了贝氏体的转变领域，这种组织也称为无碳贝氏体（Carbon free bainite，CFB）。

（3）针状铁素体（Acicular ferrite，AF）针状铁素体的形成温度比FSP更低些，约在

图5-25 低合金钢焊缝PF的形态

a）Q345钢焊缝的晶界条状铁素体，600× b）15MnVN钢焊缝的块状铁素体，400×

图5-26 焊缝中侧板条铁素体

a）15MnVN钢焊缝（E5015型焊条），160× b）15MnVN钢焊缝（E5015型焊条），400×

500℃附近形成。它是在原始奥氏体晶内以针状分布，常以某些氧化物弥散夹杂质点为核心放射性成长。典型针状铁素体组织如图5-27所示，从该图可以看到在先共析铁素体作为晶界的晶粒内部就是针状铁素体组织。

（4）细晶铁素体（Fine grain ferrite，FGF）细晶铁素体在奥氏体晶粒内形成，通常低合金钢材质含有细化晶粒的Ti、B等元素。在细晶铁素体之间有珠光体和碳化物（Fe₃ C）析出。细晶铁素体是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，故又称贝氏铁素体（Bainitic fer_- rite，BF）。细晶铁素体的转变温度通常在500℃以下，如果在温度约450℃时转变，可以获得上贝氏体（B_U）组织。图5-28是Q345（16Mn）钢采用E5015型焊条得到的焊缝组织，其中为多量的细晶铁素体加少量的珠光体组织。

上述四种铁素体类型是低合金钢焊缝中常见的基本组织形态。应指出，由于焊接条件下影响因素比较复杂，往往会多种组织同时存在，有时可能会有珠光体、贝氏体甚至马氏体等组织。上述四种铁素体类型也不只是在低合金钢焊缝中出现，有时在低碳钢焊缝中也会出现，只是所占的比例不同而已。

2.珠光体转变

焊接条件属于非平衡的介稳状态，通常在低合金钢焊缝的固态转变中很少能得到珠光体

图5-27 低合金钢焊缝中针状铁素体

a）15MnVN钢焊缝中AF，500× b）15MVN钢焊缝中AF，800×

组织。然而在很缓慢的冷却条件下，例如采取预热、缓冷及后热等技术措施的情况下，有可能获得珠光体组织。

在接近平衡状态下，例如热处理时的连续冷却过程，珠光体转变大约发生在Ar₁～550℃之间，碳和铁原子的扩散都比较容易进行，属于典型的扩散型相变。然而在焊接条件下，珠光体转变将受到抑制，也就是合金元素来不及充分扩散，因此扩大了铁素体和贝氏体转变的领域。当焊缝中含有硼、钛等细化晶粒的元素时，珠光体转变可全部被抑制，如图5-29所示。

珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，领先相为Fe₃C。但随转变温度的降低，珠光体的层状结构越来越薄而密，在一般光学显微镜下须放大1000倍以上方能观察到细层片的结构。根据细密程度的不同，珠光体又分为层状珠光体（Lamellar Pearite）、粒状珠光体（Grain Pearite）（又称托氏体）、细珠光体（又称索氏体）。

图5-28 Q345钢焊缝中的细晶铁素体，400×

3.贝氏体转变

贝氏体（Bainite，B）转变属于中温转变，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散，它的转变温度为550℃～Ms。在焊接条件下，低合金钢焊缝金属的贝氏体转变机制十分复杂，出现许多非平衡条件下的过渡组织。按贝氏体形成的温度区间及其特性，可分为上贝氏体（Upper Bainite，B_U）和下贝氏体（Lower Bainite，B_L）

在光学显微镜下观察时，上贝氏体呈羽毛状，一般沿奥氏体晶界析出，在电镜下可以看出在平行的条状铁素体间分布有渗碳体。

在光学显微镜下观察时，下贝氏体与回火板条马氏体相似。在电镜下可以看到许多针状铁素体和针状渗碳体机械混合，板条之间呈一定的角度。由于下贝氏体的转变温度较低，碳的扩散也较为困难，所以在铁素体内分布有碳化物颗粒。下贝氏体的形成温度区间在450℃～Ms之间。上贝氏体和下贝氏体的形态如图5-30所示。

图5-29 含钛、硼的低合金钢焊缝金属的连续冷却转变图（w_C＝0.09％，w_Ti＝0.025％，w_B＝0.0006％，w_O＝0.034％）

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图5-30 低合金钢焊缝中的贝氏体

a）上贝氏体（10CrMo910钢E6015-B3，即R407焊条），500× b）下贝氏体（12CrMoVSiTiB钢，E5515-B3-VNb，即R417焊条），300×

在贝氏体转变温度区间，由于焊缝化学成分和冷却条件的影响，还可能会出现粒状贝氏体组织。它是在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可以转变为富碳马氏体和残留奥氏体，又称为M-A组元（Constitution M-A）。

在块状铁素体上M-A组元以粒状分布时称为粒状贝氏体（Grain Bainite，B_g），如以条状分布时称为条状贝氏体（Lath Bainite，B_e）。焊缝中典型的粒状贝氏体的形态如图5-31所示。粒状贝氏体不仅在奥氏体晶界形成，也可在奥氏体晶内形成。

粒状贝氏体对焊缝强度和韧性的影响值得注意。多数研究表明，粒状贝氏体会降低焊缝的韧性。少数研究认为，粒状贝氏体可提高韧性，这种相反的观点，主要是由于粒状贝氏体的奥氏体岛，可有不同的转变或分解。当岛内奥氏体在冷却过程中部分地转变为马氏体（形成M-A组元）时，此时韧性下降；而岛内奥氏体也可能在较缓慢冷却时部分分解为铁素体和渗碳体并有残留奥氏体，此时焊缝的韧性上升。

图5-31 焊缝中的粒状贝氏体

a）Q345（16Mn）钢，440× b）Q345（16Mn）钢，4800×

4.马氏体转变

当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。根据含碳量的不同，可形成不同形态的马氏体。

（1）板条马氏体（Lath Martensite，LM）低碳低合金钢焊缝金属在连续冷却条件下，常出现板条马氏体。它的特征是在奥氏体晶粒的内部形成细条状马氏体板条，条与条之间有一定的交角，如图5-32a所示。

图5-32 马氏体的形态

a）板条马氏体（位错型） b）片状马氏体（孪晶型）

透射电镜观察表明，马氏体板条内存在许多位错，这种马氏体又称为位错马氏体（Dis_- location Martensite）。由于这种马氏体的含碳量低，也称为低碳马氏体（Low Carbon Martens_- ite）。研究表明，低碳马氏体不仅具有较高的强度，也具有良好的韧性。一般低碳低合金钢焊缝中出现的马氏体主要是低碳马氏体。

（2）片状马氏体（Plate Martensite，PM）焊缝中含碳量较高（w_C≥0.4％）将会出现片状马氏体，它与低碳板条马氏体在形态上的主要区别是：马氏体片不相互平行，初始形成的马氏体较粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍。片状马氏体的大致形态如图5-32b所示。在低合金钢焊缝中，由于含碳量较低，通常不存在这种组织。

透射电镜观察薄膜试样表明，片状马氏体内部的亚结构存在许多细小平行的带纹，称为孪晶带，所以片状马氏体又称为孪晶马氏体（TwinsMartensite）。这种马氏体的含碳量较高，又称为高碳马氏体。孪晶马氏体的硬度很高，而且很脆，在焊缝中不希望出现这种组织。因此，焊接时应尽可能降低焊缝中的碳含量，某些中、高碳低合金钢焊接时，甚至采用奥氏体焊条，所以焊缝中一般不会出现孪晶马氏体。只有含碳量较高的焊接热影响区，在预热温度不足的情况下才会出现孪晶马氏体组织。

低碳板条马氏体与高碳孪晶马氏体在电镜下的组织特征如图5-33所示。

图5-33 电镜下马氏体的形态

a）低碳板条马氏体8000× b）高碳孪晶马氏体20000×

低合金钢焊缝的组织比较复杂，随化学成分和强度级别的不同，可出现不同的组织，一般情况下是几种组织混合存在。根据以上讨论，低合金钢焊缝金属的组织可能出现的形态如图5-34所示。

低合金钢焊缝金属连续冷却转变图（WM-CCT图），对于预测焊缝的组织及调节焊缝的性能具有重要的意义。近年来进行了许多研究工作，建立了一些低合金钢焊缝金属的连续冷却转变图。

焊缝金属连续冷却转变图根据所用焊接材料化学成分的不同可有较大的差异，这里仅按一般等强度匹配的低合金钢焊缝进行讨论。焊缝金属成分为w_C＝0.11％、w_Si＝0.31％、w_Mn＝1.44％、w_O＝0.071％，焊态的组织根据冷却条件的不同，主要有先共析铁素体（PF）和侧板条铁素体（FSP），并有一定的针状铁素体（AF）、贝氏体（B）和少量马氏体（M）等。焊缝金属连续冷却转变图（WM-CCT图）示例如图5-35所示。由图可见，缓慢冷却可得到块状的先共析铁素体和珠光体，冷却快时可得到针状铁素体、细晶铁素体和马氏体。

如果焊缝中的合金元素增多或含氧量降低时，将使焊缝金属连续冷却转变图（WM-CCT图）向右移动，如图5-36所示。

图5-34 低合金钢焊缝的组织形态分类

图5-35 焊缝金属连续冷却转变图（WM-CCT图）示例

图5-36 合金元素和含氧量对焊缝金属连续冷却转变图（WM-CCT图）的影响