焊接相關(guān)外文翻譯（中文）--焊條藥皮中的碳酸鹽對(duì)焊接微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響

1、<p><b>　　中文3500字</b></p><p><b>　　—材料化學(xué)與物理</b></p><p>　　焊條藥皮中的碳酸鹽對(duì)焊縫微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響</p><p><b>　　文章信息</b></p><p><b>　　文章歷史：<

2、;/b></p><p>　　2007年12月10日收到初稿</p><p>　　2008年06月 02日收到修訂稿</p><p>　　2008年06月15日正式刊登</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　這篇論文中，各種碳酸鹽例如MgCO3,Na2CO3，K2CO

3、3,BaCO3等添加到焊條藥皮里，分別研究金屬的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。結(jié)果表明，體心立方晶格的а-Fe存在于每一種焊縫金屬中。金屬微觀結(jié)構(gòu)包括基體鐵素體（也就是晶界欣素體和多邊晶界欣素體），第二鐵素體和針狀鐵素體。當(dāng)MgCO3,Na2CO3添加量增加，基體鐵素體含量增加，針狀鐵素體量減少。另一方面，K2CO3和BaCO3的添加使基體鐵素體量減少，而針狀鐵素體量增加。就材料的機(jī)械性能而言，碳酸鹽影響著焊縫的抗拉強(qiáng)度，韌性和硬度。MgCO3,

4、Na2CO3 使晶粒粗大，機(jī)械性能降低。相反K2CO3和BaCO3細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：碳酸鹽 焊接 微觀結(jié)構(gòu) 機(jī)械性能</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　金屬材料的機(jī)械性能主要取決于其微觀結(jié)構(gòu)。即使金屬材料的化學(xué)成分相同，隨著不同機(jī)械處理或者熱處理，微觀成分發(fā)生改變，材料表

5、現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性能，例如熱膨脹系數(shù)，硬度，強(qiáng)度，韌性和疲勞強(qiáng)度都不同。</p><p>　　Evans[1-5]在微觀結(jié)構(gòu)中添加不同的化學(xué)元素，通過改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)焊縫金屬機(jī)械性能的影響。試驗(yàn)通過光學(xué)顯微鏡對(duì)鐵素體鋼焊縫觀察實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫金屬微觀結(jié)構(gòu)的分析[6]。研究結(jié)果表明，焊縫的微觀成分可以分成以下三類：基體鐵素體（PF），第二相鐵素體（FS）和針狀鐵素體（AF）。</p><

6、;p>　　在低碳鋼焊縫中可以得到幾種不同的微觀成分。這些相包括先共析不均勻鐵素體，魏氏體，針狀鐵素體，上貝氏體，珠光體和滲碳體等。不均勻鐵素體也指晶界欣素體或者其他形式的鐵素體。不均勻鐵素體為裂紋提供了連續(xù)，簡(jiǎn)單的路線，一般認(rèn)為它對(duì)焊縫金屬是不利的[7]。魏氏體是先共析鐵素體的另一種形式，它一般出現(xiàn)在側(cè)襯板。魏氏體的生長(zhǎng)與擴(kuò)展過程與同功能的樹枝狀鐵素體凝固過程相似。</p><p>　　一般來說，由于CaC

7、O3可以分解為CO2和CaO，增強(qiáng)熔渣的堿度同時(shí)提高焊縫金屬的機(jī)械性能，所以CaCO3的作用就是形成熔渣和氣體保護(hù)熔池。CaO可以改變?nèi)墼乃釅A度，減少焊縫中氫的擴(kuò)散。因此高熔點(diǎn)的CaO可以增加熔渣粘度，控制焊接過程中熔渣流動(dòng)性[8]。</p><p>　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)AWSA5.1中E7015[9]的說明作為依據(jù)，采用低氫焊條做實(shí)驗(yàn)材料。這項(xiàng)關(guān)于碳酸鹽對(duì)材料機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究是不全面的，因此用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)

8、的MgCO3,Na2CO3，K2CO3,BaCO3分別代替CaCO3來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。</p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)成果</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)12個(gè)低氫焊條，這些焊條藥皮中含有不同碳酸鹽種類。分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%的MgCO3,Na2CO3，K2CO3,BaCO3代替CaCO3進(jìn)行研究。焊芯直徑是4mm，藥皮因數(shù)（

9、D/d）是1.6，其中D表示焊條直徑，d表示焊芯直徑。為保證相同起始條件，焊條需在350oC條件下預(yù)熱1h，用于焊接的母材（40X40X10）從SS400低碳鋼板材中選取。焊前，母材要打磨并用丙酮清洗。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)樣本和焊接參數(shù)見表一</p><p><b>　　表一</b></p><p><b>　　試樣焊接參數(shù)&l

10、t;/b></p><p>　　X射線衍射樣圖來源于焊縫表面，掃描范圍是30o-100oX射線和Cu的а射線用來分析焊縫成分，實(shí)驗(yàn)中光學(xué)顯微鏡用來觀察合金成分。焊縫微觀結(jié)構(gòu)的研究是在經(jīng)過拋光和腐蝕的焊縫表面上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中腐蝕劑由5%得硝酸和95%的酒精組成。</p><p>　　K型熱電偶極嵌入母材中，用來測(cè)焊縫金屬的冷卻速度，焊縫采集系統(tǒng)用來記錄焊縫的溫度變化。焊縫從800oC冷

11、卻到500oC的時(shí)間由方程（1）計(jì)算。</p><p>　　T800-500=300/Δt8-5 (1)</p><p>　　其中T800-500表示溫度從800oC冷卻到500oC的平均冷卻速率，Δt8-5表示從800oC冷卻到500oC的時(shí)間。</p><p>　　焊縫

12、金屬的硬度由洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法測(cè)得，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性分別由拉伸試驗(yàn)和碰撞試驗(yàn)測(cè)得。</p><p><b>　　3.結(jié)果與討論</b></p><p>　　3.1焊縫金屬的晶體結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1.不同碳酸鹽（a）MgCO3,（b）Na2CO3,(c) K2CO3,(d) BaCO3時(shí)焊縫金屬的X射線衍射圖</p><

13、;p>　　圖一列出了不同碳酸鹽時(shí)焊縫金屬的X射線衍射圖。由圖可知，а110、а200、а211、а222的衍射峰值分別發(fā)生在44.6o、65.0o、82.3o、和98.94o。經(jīng)檢測(cè)，無論碳酸鹽的種類是否改變，焊縫中都存在體心立方晶格的а-Fe，熔池中的碳酸鹽種類不影響焊縫金屬的晶體結(jié)構(gòu)。因此碳酸鹽的種類并不能改變晶體微觀結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，體心立方晶格的а-Fe存在于每一個(gè)焊縫中。焊縫中的化學(xué)成分沒有因?yàn)槿鄢刂刑妓猁}的種類而發(fā)生變化，可

14、能是因?yàn)樘妓猁}分解成氧化物和二氧化碳。</p><p>　　3.2.焊縫金屬的冷卻速率</p><p><b>　　表二</b></p><p>　　碳酸鹽對(duì)焊縫金屬冷卻速率的影響</p><p>　　表二列出了各種碳酸鹽添加物下焊縫金屬的冷卻速率和冷卻時(shí)間。該表顯示，當(dāng)MgCO3,Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15

15、%時(shí)，焊縫金屬的冷卻速率從39.78 和 46.29?Cs?1分別下降到15.86 、25.25?Cs?1。當(dāng)K2CO3,BaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%，焊縫金屬的冷卻速率分別從22.74和 29.79?Cs?1 to 45.38 、42.73?Cs?1。</p><p>　　可能是因?yàn)楹竸┲械奶妓猁}按方程（2）的分解方式分解為氧化物和二氧化碳。這個(gè)分解反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)。</p><

16、p>　　MeCO3（s）→MeO（s）+CO2(g) （2）</p><p><b>　　表3</b></p><p>　　各種碳酸鹽分解反應(yīng)熱焓值[10,11]</p><p>　　各種碳酸鹽分解時(shí)熱焓值見表3，這些數(shù)據(jù)由熱化學(xué)值計(jì)算得

17、到[10-11]. MgCO3,Na2CO3分解時(shí)比CaCO3吸收的熱多，但K2CO3,BaCO3吸收的熱量比CaCO3少，當(dāng)CaCO3被吸熱多的碳酸鹽（例如MgCO3,Na2CO3）代替時(shí)，鹽分解時(shí)熱焓值增加；相反，被吸熱少的碳酸鹽（例如K2CO3,BaCO3）代替，則鹽分解時(shí)熱焓值減少。</p><p>　　藥皮中的MgCO3,Na2CO3降低了焊縫的冷卻速率，K2CO3,BaCO3增大了焊縫冷卻速率。<

18、;/p><p>　　因此很可能是碳酸鹽分解反應(yīng)的熱量影響著焊縫的冷卻速度，由于分解反應(yīng)需要更多熱量，焊縫冷卻速度便增加。</p><p>　　3.3焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2 不同碳酸鹽時(shí)焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2列出了不同碳酸鹽時(shí)焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，焊縫中有三種鐵素體，包括基體鐵素體，第二鐵素體，

19、針狀鐵素體。不同性質(zhì)的碳酸鹽影響著鐵素體具有不同的形態(tài)。但是每種碳酸鹽添加時(shí)焊縫都存在三種形態(tài)鐵素體。</p><p>　　微觀結(jié)構(gòu)定量分析是依據(jù)“鐵素體鋼焊縫金屬微觀結(jié)構(gòu)分析指南”進(jìn)行的[6].圖3顯示了不同碳酸鹽對(duì)鐵素體成分的影響。當(dāng)MgCO3,Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，鐵素體基體從44%、39%分別增加到57%和56%。當(dāng)K2CO3,BaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，鐵素體基體從4

20、4%、26%分別降到32%和19%。無論添加哪種碳酸鹽，第二鐵素體的變化范圍維持在2%左右。當(dāng)MgCO3,Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，針狀鐵素體的含量從36%、43%降到23%和25%。當(dāng)K2CO3,BaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，針狀鐵素體的含量從32%、45%上升到64%和71%。</p><p>　　圖3 不同碳酸鹽對(duì)焊縫中鐵素體成分的影響</p><p>

21、　　因此，在藥皮中添加MgCO3,Na2CO3促進(jìn)了基體鐵素體的形成，而添加K2CO3,BaCO3抑制了鐵素體基體的形成。但是MgCO3,Na2CO3抑制針狀鐵素體的生成，K2CO3,BaCO3促進(jìn)針狀鐵素體的生成。碳酸鹽添加物對(duì)第二鐵素體的成分影響很大。</p><p>　　圖4 低碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖</p><p>　　連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖通常用來研究冷卻速率對(duì)針狀鐵素體形成的影響[12,

22、13]。低碳鋼[14]的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖見圖4.六邊形代表焊縫金屬中的柱狀?yuàn)W氏體。晶界欣素體是在較低的冷卻速率下形成的，測(cè)襯板鐵素體和針狀鐵素體在一個(gè)較大的冷速下生成。在特定的冷卻速率范圍內(nèi)，上貝氏體和馬氏體生成，針狀鐵素體是奧氏體分解的主要產(chǎn)物。</p><p>　　因此，低冷速促進(jìn)鐵素體（主要是基體鐵素體）晶界的形成，而高冷速主要促進(jìn)針狀鐵素體的生成。在藥皮中添加MgCO3,Na2CO3降低焊縫的冷卻速度，促進(jìn)

23、了基體鐵素體的形成，K2CO3,BaCO3加快了焊縫的冷卻，促進(jìn)針狀鐵素體的生成。</p><p>　　圖5 焊縫金屬的硬度與不同碳酸鹽的關(guān)系</p><p>　　3.4 焊縫金屬的硬度</p><p>　　圖5列出了焊縫金屬與不同碳酸鹽的關(guān)系，當(dāng)MgCO3,Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，焊縫的布氏硬度從99.64、98.94分別下降到92.75和9

24、1.92. 當(dāng)K2CO3,BaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加到15%時(shí)，焊縫的布氏硬度從93.4和100.24分別下降增加到98.52和106.25.晶粒大小也是影響多晶體金屬硬度和強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，焊縫硬度與晶粒大小的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系方程式如下[15]：</p><p>　　H=H0+KHd-1/2 (3)</p><p>　　當(dāng)晶粒無窮大，KH

25、是常數(shù)，其中H表示硬度，d表示平均晶粒大小，H0表示硬度。</p><p>　　因此，MgCO3,Na2CO3能增大晶粒，提高焊縫金屬硬度；K2CO3,BaCO3細(xì)化晶粒，減小焊縫的硬度。</p><p>　　3.5焊縫的抗拉強(qiáng)度</p><p>　　不同碳酸鹽與焊縫的抗拉強(qiáng)度見圖6.由于MgCO3,Na2CO3促進(jìn)基體鐵素體的生成，使晶粒粗大，降低了焊縫抗拉強(qiáng)度。

26、K2CO3,BaCO3促進(jìn)針狀鐵素體的生成，細(xì)化晶粒，提高焊縫抗拉強(qiáng)度。</p><p>　　圖6 添加不同碳酸鹽時(shí)焊縫的抗拉強(qiáng)度</p><p>　　當(dāng)焊縫微觀結(jié)構(gòu)中有大量針狀鐵素體時(shí)，抗拉強(qiáng)度受晶粒尺寸影響而加強(qiáng)。根據(jù)Hall-Petch方程[16-17],晶粒越小，越能加強(qiáng)材料的強(qiáng)度。</p><p>　　3.6 焊縫金屬的沖擊韌性</p>&l

27、t;p>　　針狀鐵素體有利于材料是因?yàn)樗芴岣吆缚p韌性。埋弧焊時(shí)，焊縫金屬的CharpyV型缺口韌性增強(qiáng)，針狀鐵素體的體積分?jǐn)?shù)增加。針狀鐵素體的聯(lián)鎖性質(zhì)和細(xì)小的晶粒能最大程度的阻止擴(kuò)展裂紋的產(chǎn)生?；w鐵素體和第二鐵素體為焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)提供簡(jiǎn)單的裂紋擴(kuò)展路徑，所以基體鐵素體和第二鐵素體對(duì)焊縫的韌性不利。</p><p>　　圖7 不同碳酸鹽對(duì)CharpyV型缺口韌性的影響</p><p

28、>　　圖7列出了不同碳酸鹽對(duì)CharpyV型缺口韌性的影響，很明顯，因?yàn)镸gCO3,Na2CO3抑制癥狀鐵素體生成，焊縫在各個(gè)溫度下吸收的能力減少；K2CO3,BaCO3促進(jìn)針狀鐵素體的生成，焊縫在各個(gè)溫度下吸收的能力增加。</p><p><b>　　4.結(jié)論</b></p><p>　　1.熔池中，MgCO3 和 Na2CO3降低了焊縫金屬冷卻速率，能促進(jìn)基

29、體鐵素體生成而抑制針狀鐵素體生成；K2CO3 和 BaCO3增加冷卻速率，抑制基體鐵素體生成而促進(jìn)針狀鐵素體生成。</p><p>　　2.MgCO3 和 Na2CO3使晶粒粗大，提高了焊縫的硬度；；K2CO3 和 BaCO3細(xì)化晶粒，減小焊縫硬度。</p><p>　　3.MgCO3 和 Na2CO3促進(jìn)基體鐵素體生長(zhǎng)，使晶粒粗大，減小焊縫的抗拉強(qiáng)度；K2CO3 和 BaCO3促進(jìn)針狀鐵

30、素體生成，細(xì)化晶粒，增強(qiáng)焊縫的抗拉強(qiáng)度。</p><p>　　4. MgCO3和Na2CO3抑制針狀鐵素體生成，焊縫在各個(gè)溫度下吸收的能力減少。</p><p>　　K2CO3和BaCO3促進(jìn)針狀鐵素體的生成，焊縫在各個(gè)溫度下吸收的能力增加。</p><p>　　Acknowledgement</p><p>　　The authors ar

31、e obligated to thank the National Science Council of Taiwan, ROC for its financial support under contracts of NSC94-</p><p>　　2216-E-005-007.</p><p>　　References</p><p>　　[1] G.M. E

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