在焊接热影响区(HAZ),由于钢材制造过程中再结晶显微组织会受到破坏,因此有时会出现韧性下降的问题。为确保HAZ韧性与母材焊接一样,新日铁开发了利用晶粒内的相变提高高性能厚钢板的HAZ韧性的技术,它通过利用非金属夹杂物的“晶粒内铁素体(IGF)”,可有效细化晶粒粒度(deff)、提高HAZ母相的韧性,减少会造成断裂的硬质脆化相。该技术已应用于实际。
关于IGF相变的机理,新日铁主要就钢的成分、热滞后、非金属夹杂物/母相界面附近的溶质原子(也称“稀薄区域”)、因非金属夹杂物和母相的热膨胀系数不同而产生的弹性变形能、非金属夹杂物/奥氏体母相及非金属夹杂物/铁素体界面晶格的共格性(界面能)等进行研究。其中,在成分和热滞后等相同的情况下,可以认为非金属夹杂物/母相界面附近的溶质原子的缺乏层具有很大的影响。
实验表明,溶质原子缺乏层会影响生成核周围的相变驱动力,热处理会使缺乏层丧失,并使相变驱动力消失。例如,根据有关MnS的模拟计算结果(1.0~1.5%Mn钢)可知,界面的Mn浓度在S扩散后奥氏体/MnS界面的S浓度下降情况下,Mn缺乏层的深度(与体积浓度的最大浓度差)为大约0.2~0.4%。另外,S的扩散速度十分快,在界面浓度与体积浓度相等的情况下,缺乏层的深度在大约1%以上,宽度在数百nm左右。根据TEM(透射式电子显微镜)实际测定的Mn缺乏层可知,Mn缺乏层的深度与S浓度及热滞后有关,重量在0~1.0%,与模拟计算的重量基本相同。
另外,新日铁对TiN-MnS系钢成分(S=0.0038%)中的缺乏层的研究结果表明,由于高温下的保持温度的不同,相变行为也不同。在1523K下保持1000s的试样的非金属夹杂物周围的Mn浓度没有下降,而在1373K下保持100s和1000s时,Mn的下降量分别为0.4%和0.2%。由于界面的Mn浓度的下降会使相变温度升高大约10℃(相当于0.2%的Mn),因此可以认为它有助于IGF的生成。以上实测结果与伴随MnS的溶解、析出的奥氏体中的Mn浓度分布计算结果相同,由此得出这种Mn缺乏层(稀薄区域)的形成对钢的组织细化有很大作用的结论。
新日铁利用晶粒内相变控制显微组织技术,生产出了HAZ韧性高的高功能、高强度钢材。