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纤维质焊条对X70 HSLA钢保护电弧焊焊缝金属组织演变的影响:一个实例研究
要点：
EBSD的应用揭示了HSLA钢保护金属电弧焊在不同阶段的取向关系
确定了各种铁素体形态的成核位点
上贝氏体和下贝氏体的形成及其形态
摘要：
采用光学显微镜和电子显微镜对E6010纤维电极保护金属电弧焊后X70管线钢焊缝组织进行了表征。从多角形的奥氏体晶间和晶内的异态铁素体、自形铁素体到魏氏体、针状铁素体和贝氏体铁素体，已经鉴定出一系列铁素体的形态。电子背散射衍射(EBSD)分析使用图像质量和反极图(IPF)地图通过叠加的智商和IPF地图和测量的百分比高、低角度晶界被协助分化维德曼司特顿的针状铁素体和贝氏体铁素体形态。此外，还鉴定了两种类型的珠光体结构。焊缝结构中未检出马氏体。对非金属夹杂物的形态、大小和化学性质也作了简要的讨论。
关键词
SMAW（焊条电弧焊）；纤维素焊条；珠光体；贝氏体；铁素体；魏氏组织；针状铁素体；夹杂物
1. 介绍
采用纤维素焊接消耗品的保护金属电弧焊(SMAW)在澳大利亚传统上用于钢输气管道的“烟囱”焊接。这种手工金属电弧焊技术与纤维素焊条一起使用，具有独特的生产效率优势，因此是一种成熟的中小管径管道环焊缝生产工艺的一部分。这一过程涉及到使用E6010电极不预热的根通，和E8010电极的后续通[1]，[2]。
众所周知，焊接接头的完整性不仅取决于熔敷焊缝的对称性及其在韧带上传递载荷的能力，而且还取决于韧带各成分的微观力学性能和均匀性程度。这包括在焊接循环冷却过程中形成的焊缝金属组织，这些组织对接头的承载能力有显著的影响。焊接过程中产生的氢气[4]、[5]、[6]等气体与周围环境的微观结构相互作用决定了其承载能力。正因为如此，有大量的研究致力于确定理想的热机械化学因素，将产生理想的微观结构[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。识别理想的微观组织本身是一项艰巨的任务，因为它需要详细了解焊接过程中各种微观成分的机械和形态特征，无论是单独焊接还是相互结合。这种认识包括晶界的本质(低或高角度,位错的关系),裂纹敏感性或裂纹，不同相和晶界的裂纹偏向能力，当然也包括形态(各向等大的、板条状的/棒状的、尖的)和不同相的力学性能，如杨氏模量(E),硬度(HV)和断裂阻力(KIC)。为了确定理想的微观结构，首先也是最关键的阶段是确定单个的微观成分，如贝氏体或晶界铁氧体，其形成机制受其控制。Thewlis和他的同事试图对[10]、[11]、[12]、[13]焊接过程中形成的不同相的形貌进行表征。以下焊接结构的分类现已被广泛接受，并在本报告中予以严格遵循;
1.多边形原生铁素体，主要在原始奥氏体晶界上成核，在非金属夹杂物(NMIs)存在的奥氏体晶界内成核程度较小。
魏氏体铁素体，原生魏氏体铁素体板直接生长于原生奥氏体晶界，次生魏氏体铁素体板生长于晶界的多角形原生铁素体(异形铁素体)。原生魏氏铁素体板也可由夹杂物生长，而次生魏氏铁素体板可由晶内原生铁素体(自形)生长，而原生铁素体本身具有NMIs核。
针状铁素体从原生奥氏体晶内的夹杂物形核，其组织特点如较好的铁素体板条 (通常直径lt; 5mu;m),形成一个联锁形态[14]。长期以来，针状铁素体被认为是单一的转化产物。早期研究表明其为晶核内型魏氏体铁素体[15]。后来的研究为晶内核化贝氏体针状铁素体[14]提供了证据。然而，最近的研究表明，在连续冷却过程中，不同的反应产物可能在晶内夹杂物的重构(扩散基)和置换(无扩散)转变温度上生核，这取决于夹杂物的性质、大小和数量。因此，针状铁素体可能由不同粒内转化产物的混合物组成，如自形铁素体、晶内魏氏体铁素体和晶内贝氏体[12]。或者魏氏针状铁素体或贝氏体针状铁氧体可自行形成[14]、[15]。
贝氏体生长为独立板条状或亚组织单元，可以形成平行的铁素体板条，根据转变温度[16]可分为上贝氏体或下贝氏体。对于上贝氏体，碳以渗碳体(Fe3C)的形式沉淀在贝氏体铁素体板(棒状)之间。在下贝氏体中，铁素体与碳发生过饱和度，铁素体亚基和亚基[16]之间发生碳化物析出。
珠光体转变可能发生在奥氏体晶界或夹杂物[16]等非均质性组织。在高转变温度下，珠光体形成交替的铁素体和渗碳体片层结节，可能相当粗糙。随着转变温度的降低，薄层变得越来越细，直至结构在光学显微镜[12]下变得不可分解。另外，变形的薄片可能表现为几乎不可分解的铁素体/碳化物聚合物[12]。
马氏体的形成是由于快速而无扩散的转化，其中碳被保留在溶液[17]。马氏体可以以板条或片状的形式出现。板条马氏体的亚结构特征是组织中排列着高密度的位错，每个马氏体板条都由许多位错单元组成。板状马氏体的亚结构由非常精细的孪晶组成，即双晶/孪晶马氏体[12]。
焊缝金属除含有上述主要组织成分和NMIs外，通常还含有残余奥氏体(RA)和马氏体-奥氏体-碳化物成分(M-A-C)[18]等微相。
上述分类的结论是，焊接组织中不同微观成分的形成主要受凝固过程中奥氏体增益大小和非金属夹杂物形态的控制。这在图1所示的示意图中得到了很好的说明，图1改编自Bhadeshia和Svensson[19]的成果。
这就是本文的主题，本文采用光学和电子显微镜(包括EBSD和EDS分析的应用)对含E6010纤维素消耗品的X70高强度低合金(HSLA) SMAW焊接钢的微观结构进行了表征。
图1所示。采用Bhadeshia和Svensson的示意图，展示了原生奥氏体晶粒尺寸和非金属夹杂物对贝氏体、魏氏体铁素体和针状铁素体[19]成核的影响。
2. 实验程序
SMAW试样是由我们在阿德莱德大学[20]的团队开发的MWIC焊接性测试制备的。MWIC应该能够研究约束、板厚、热输入和焊接金属接头几何形状对焊接金属热机械特性和质量的影响。改进后的WIC试样(MWIC)包括对标准试样几何形状的四项重大更改，以改善熔敷焊缝形状的一致性、低热输入下熔敷焊缝的质量以及测试试样的能力。MWIC可焊性测试包括:一个气体隧道、V型槽运行/径流选项卡、仪表接口，包括一个焊接中心线接口和一个伸长计接口(图2)[20]。
图2所示。WIC设计修改。(1)母板(2)开/关片(3)垫片(4)隧道底板(5)加强筋。所有尺寸单位为mm[20]。
焊接过程采用单向机械SMA焊接机，焊接过程中试样夹持板以受控的速度垂直向上移动，从而模拟垂直向下(烟囱)焊接条件。电极与工件之间保持恒定的力和与板垂直的20°角。用于制作试样的所有规范和焊接参数表1的主要目的是模拟管道施工中铺设环焊缝根部焊道时可能遇到的现场条件。
表1。用于沉积焊缝试样的焊接规范和参数。
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焊接规范 焊接参数 |
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方向：垂直向下 电流:178 [A] |
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电极大小：Oslash;4.0 (mm) 电压:22.9 [V] |
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AWS类型：A5.1 焊速:456.7 [mm/min] |
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规格:e6010 热输入范围:0.61 [kJ/mm] |
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极性:dc 预热100[°C] |
焊接进行了使用Oslash;4毫米E6010纤维素电极和API 5 l X70级管线钢。测试板化学成分见表2，电极批次化学成分见表3。
表2。X70试样的化学成分(wt.%)。
表3。电极批次化学成分(wt.% -来自制造商)。
3.结果与讨论
典型焊缝总体结构(根部焊道)如图3所示，热影响区(HAZ)和焊缝金属区(箭头)均清晰，焊接缺陷明显;并由此产生氢致冷裂纹(HACC)。HACC的产生是由于缺口处应力集中所致。对焊缝腐蚀断面进行了全面的分析，发现焊缝组织主要由铁素体组织(轻腐蚀区)和珠光体组织(暗区)组成。图4给出了每个区域的典型光学显微图。然而，铁素体本身显示了广泛的形态，这是本报告的目的，试图连同它们的组织形态对铁素体相进行分类。
图3所示。典型焊缝金属概述结构。在显微图像上识别了氢致冷裂纹(HACC)的形成以及焊缝缺陷和热影响区。
图4所示。在WIC试样中形成的典型微观结构的光学显微图。(a)主要为铁素体结构。(b)含珠光体的铁素体。
3.1。铁素体
如果仔细观察图4中的光学显微照片，这些相基本形成于粒间(晶界形核)或粒内(晶内形核)。
电子背散射衍射(EBSD)的应用可以更好地区分焊缝微观成分的形貌。图像质量(IQ)图(图5a)中的对比度变化代表未受干扰的(亮色调)晶体区域和缺陷，如晶界(暗色调)，以提供有用的可视化微观结构。表示微观结构纹理的常用映射是逆极图(IPF)。这些类型的图显示了晶体学方向相对于所选参考方向的分布，图5b。通过对图像质量和IPF图谱的分析，可以生成不同形态和微组分成核位点的信息。将IQ图叠加到IPF图上，可以更好地验证不同微组分的成核位点。如图5c所示，在波兰面的原始奥氏体晶界生长的铁素体相与原始奥氏体晶界晶内生长的铁素体相对比清晰;这种区别可以作为一种工具，以帮助鉴别不同形核位点所形成的相同相。
a)图像质量(IQ)图以较亮的色调显示未受干扰的晶体区域，以较暗的色调显示晶界等缺陷。
b)反极图(IPF)显示晶体学方向相对于所选参考方向的分布(垂直于样品表面[001])。
c)在(a)和(b)中叠加IQ和IPF图。之前的奥氏体晶界用折线表示。不同的颜色对比有助于区分从以前的奥氏体晶界生长的相和晶内生长的相。蓝相(箭头标注处)是一种晶内有核的相，我们将在后面讨论。
铁素体在许多地方呈现出不同的形态，如图4、图5所示，更具体的见图6、图7、图8。原始铁素体在奥氏体晶界处成核，形成连续相(图6a)或等轴晶，为异形铁素体(图6b)。此外，在之前的奥氏体晶粒中也有初生铁素体颗粒成核，如图6c所示，即，自形铁氧体在非金属夹杂物、NMIs或晶内铁素体上成核，而晶内铁素体实际上是在与之相交的抛光平面下的晶粒的异态铁氧体，图6d。因此，它可能被称为伪晶内铁素体。
图6所示。光学显微照片，以显示焊缝中主要的不同形貌的铁素体
图7所示。用光学显微镜观察焊缝中魏氏体铁素体的不同形貌。
图8所示。焊缝金属针状铁素体形貌。IQ图清晰地显示了叠加在IPF上的针状铁素体，以确定针状铁素体具有较大的角度晶界。表中证实该结构含有约65%的针状铁素体。
随着转变温度的降低，铁素体的形貌有向魏氏体或针状铁素体转变的趋势。图7中所示的光学显微图根据形核位置表征了一系列魏氏铁素体的形貌;
1 -
原始魏氏体铁素体从奥氏体晶界形核并生长，图7a。
2 -
次生魏氏体铁素体在原生晶界外形核生长，图7b
3 -
原奥氏体晶粒中含有原生和次生魏氏体铁素体，它们在夹杂物和自形铁素体上进行晶内形核，如图7c和图d所示。
图7c和图d中所示的相为魏氏体铁素体，而不是针状铁素体，这一事实是基于考虑纵横比，文献[11]中考虑的纵横比大于4/1。
除上述魏氏体铁素体相外，还存在着波兰面(观察面)有趣的初生或次生魏氏体铁素体可能是由波兰面下的奥氏体晶粒发育而来，但没有特定的形貌。
其次是针状铁素体，针状铁素体也是焊接结构中最理想的铁素体形态。针状铁素体的特征是由不同方向的细晶板的混沌排列，这些细晶板由大角度晶界隔开，如图8所示。需要指出的是，2% Nital etching光学金相学并不是一个容易区分魏氏体铁素体与针状铁素体、贝氏体与针状铁素体的过程。然而，SEM和EBSD的应用有助于清楚地区分这些相。EBSD-IQ图以及图8b中IQ和IPF的叠加图证实了针状铁素体具有大角度晶界，而贝氏体和魏氏体的小角度晶界检测应证实其阳性识别。
已有研究表明，针状铁素体的显微组织比贝氏体[2]具有更高的强度和韧性。这在最近的一份出版物中得到了进一步的支持，其中晶内针状铁素体(IAF)存在的钢的裂纹萌生能和裂纹扩展能(韧性)都高于没有IAF[23]的钢。针状铁素体对HACC的耐受性也高于其他高强度相，如上贝氏体[2]、[21]。这主要与针状铁素体中大角度晶界的高密度
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