1）铁素体不锈钢焊接热影响区的晶粒长大
a.铁素体不锈钢焊接热影响区的晶粒长大的数学模型。在不同峰值温度下平均直径D与时间t有非线性联系，
在等温情况下，描述晶粒长大的经验公式为：

其中D₀为时间t=0时的初始晶粒尺寸，n是晶粒长大指数，式(4-2a)可表示为另一种形式

其中D₁、D₂分别为温度T下保温时间t₁、t₂时所得到晶粒尺寸大小。以这个实验结果为依据，对数列及(t₁-t₂)应用回归分析可以得出每个峰值温度下晶粒长大指数n=1.97±0.39。
则式（4-2b）变为：

图4-8表示在不同峰值温度下的对应关系。

晶粒长大为热激活扩散过程，式（4-3）可以变为：

其中A为常数，Qapp为晶粒长大的激活能，Qapp与A之间的关系为：

运用线性回归的分析法，由式(4-5)得到㏑k与1/T的关系：

因此，不锈钢EB26-1在给定的温度和保温时间条件下，描述晶粒长大的方程为：

在上面的分析中，误差为5%，D₀为原始晶粒尺寸。评价n、A、Q时，忽略了试件从峰值温度冷却到室温的时间内，在试验的冷却过程中也有少量晶粒长大，
因而式（4-7）的计算结果将比实际测量值小。但是，这种误差并不大，比如，冷却速率达60℃/s，实际上这种误差在晶粒尺寸统计误差范围之内。
对应等温晶粒长大，式（4-2b）变为：

其中(t₁-t₀)为等温停留时间，当t₀= 0时，式（4-8）与式（4-2a）相同。焊接热循环不是一个等温过程，可将其表示为一系列保温时间⊿t很小的等温过程，
得：

其中D为经过热循环过程后晶粒的大小。焊接中晶粒的长大可以表示为温度从900℃升温到峰值温度，再从峰值温度降温到T = 900℃，在每个时间间隔内晶粒长大之和。对比式（4-7），取n=1.97，A = 1.89×10⁴mm,Qapp=200000J/(mol·K)，D₀=0.02mm，取时间间隔为0.1s，得到A值的范围为（13.9～0.25）×10⁴，表明其有很大的不确定性。这个值是由式（4-3）中的k得来的。对应于焊件的实际焊接热影响区的位置，记录下它的热循环温度，由式（4-9）可估计A：

代入热循环温度T（t）以及D，得A=（1.97±0.7）×10⁴mm，式（4-9）变为：

代入不同工艺参数下热循环的温度T（t），并与实际测量得到的晶粒直径Dr相比较（图4-9），可得N=0.7～0.93，取N=0.88。

因此，不锈钢EB26-IHAZ晶粒长大动力学方程为：

从图4-10与式（4-13）不锈钢EB26-1的HAZ晶粒长大的计算值与实测值的比较，可以看出，不锈钢EB26-1的HAZ晶粒长大的计算值与实测值基本一致（实测值的误差为5%～7%）。故可以用此式来计算铁素体不锈钢EB26-1（00Cr26Mo1）的HAZ晶粒长大的现象。但是迄今为止尚未见到晶粒尺寸与铁素体不锈钢力学性能（特别是韧性）之间关系的数学模型，还只是一些定性的实验数据。
另外，通过模型，得出晶粒大小与模拟时间步长-蒙特卡罗步（MCS）的关系（图4-11、4-12）所示。

焊接热影响区的晶粒长大主要受焊接热循环的影响，最高加热温度和高温停留时间（比如900℃以上）都会对晶粒长大产生影响。对于实际热影响区的晶粒长大，由于焊接过程的快速加热和快速冷却，在HAZ一个微小范围内就存在较大的温度的梯度，即使在同一晶粒不同位置，温度也会有差异，晶粒长大被热影响区的狭窄宽度所限制，对晶粒长大有“热钉扎”作用。为此，考虑到实际的焊接热循环以及晶粒长大的“热钉扎”作用，在晶粒长大的动力学过程中引入热钉扎参数，得到晶粒尺寸、高温停留时间及加热温度的关系。
b.铁素体不锈钢焊接热影响区的晶粒长大。由于铁素体不锈钢一般是单相铁素体组织，在加热过程中不发生相变，因而无法靠发生相变来细化组织。而在再结晶温度以上的温度（一般认为是900℃）就会发生晶粒移动的晶粒合并现象而使晶粒长大。
由于这种晶粒长大，加上一般同时在基体上会析出一定数量的析出物，二者共同决定接头的组织与性能，将使其韧性下降。
采用表4-3给出的母材和焊丝化学成分及表4-4的焊接条件，详细研究了00Cr27Ni8Mo3Ti1高强耐海水腐蚀铁素体不锈钢氩弧焊焊接接头的晶粒长大现象，结果如下。

a) 焊态焊接接头组织。在严格执行焊接工艺的条件下，焊态焊接接头并没有明显的晶粒粗化现象，热影响区晶粒度与母材一样。由于受到焊接热作用的影响，焊缝和热影响区铁素体晶粒中都有弥散析出相存在。
研究了多道焊焊接接头中单条焊道的结晶情况。首先熔池边缘形成一薄层等轴晶，而后结晶的焊缝金属沿温度梯度方向向熔池中心生长，形成较粗大的近半毫米宽的树枝晶区域，余下大部分焊缝金属都形成了较细小的等轴晶，这种焊缝金属结晶状态表明焊接线能量较低。从图4-13中可清晰地看到，在晶界及界棱处正在形成的再结晶晶粒，其界面光滑且偏向一侧弓出生长，这表明该钢焊缝本身在一次结晶后的冷却过程中，很容易发生一定程度的再结晶。焊接条件下该类钢的再结晶温度通常在1000℃以上，受快速加热冷却条件的限制，不易长大。在焊接热影响区中存在着大量的琴弦状形变孪晶，表明该处在焊接过程中经受了较大的塑性变形。由于实际焊接中接近母材的焊道焊速偏低，焊接线能量较大，熔合线附近的焊缝金属树枝晶明显粗大。个别V形坡口焊接接头中有晶粒粗化现象，且总发生在V形坡口根部的背面焊缝中接近母材的局部区域。粗大晶粒通常为一个或几个，多沿横向拉应变方向择优生长，长度达3～4mm。具有再结晶机构特征，这表明焊接状态下焊缝金属组织也发生再结晶粗化。其原因是，一方面该铁素体不锈钢焊缝金属本身在一次结晶后的冷却过程中，很容易发生轻微的再结晶，因而在多道焊时，很可能使前道焊缝金属中某些已形成的再结晶晶粒处于焊接热循环的高温时间延长而进一步长大，焊接线能量和层间温度的波动将使其加剧；另一方面采用V形坡口焊接时，焊接变形以角变形为主。背面焊道承受着较大的横向拉应力及应变，从而使晶粒储存能增加，增强再结晶晶粒长大趋势。V形坡口背面焊缝金属中接近母材及正面焊缝金属根部的局部区域正是受焊接应变及热作用影响大的地方，二者致使该区域中某些再结晶晶粒急剧长大，导致晶粒粗化。X形坡口焊接接头中基本无此现象，这与焊接变形较小有关。显然，通过选择恰当的坡口形式，减少焊接变形。尤其是将焊接线能量和层间温度控制在较低范围，可以避免该钢种焊缝金属中个别区域产生粗大的再结晶晶粒。

 b) 热处理后的接头组织。与焊态相比，经热处理(1050℃固溶+550℃时效)后的焊缝金属与热影响区组织晶粒明显粗化。在接近熔合线部位，存在一个近1mm宽的细晶区，其晶粒度比母材小约1级；而在远离熔合线的部位，晶粒迅速粗化。其长为4mm左右，多沿横向拉应变方向择优生长，再远则晶粒度等同于母材。
    在焊缝金属区，根部晶粒较细，靠近焊道表面则明显粗大，在某些接近于焊道表面的区域并未发生晶粒粗化。在热处理前，热影响区与母材组织的主要差别是经受了焊接变形(兼有少量的析出物)，而在焊后热处理的恒温静态下，再结晶的晶粒大小与预先变形量存在着某种关系，这种晶粒尺寸在热影响区有规律的变化表明，焊接接头中存在着的焊接残余应变在高温热处理时引发了再结晶。
    在焊接热影响区，焊接残余应变离熔合线越远则越小。焊接残余应力(应变)所经历的热过程等因素决定了该区热处理后的晶粒度的变化趋势。同样，焊缝区再结晶状况也与焊接残余应变有关。
    典型的热影响区的晶粒尺寸变化如图4-14所示。在接近熔合线部位，存在一个近1mm宽的细晶区，其晶粒度比母材小约为0～1级；而在远离熔合线的部位，晶粒迅速粗化。其长为4mm左右，多沿横向拉应变方向择优生长，再远则晶粒度等同于母材。
c) 回复后再热处理的接头组织。研究了残余应变对该焊接接头再结晶的影响，在对焊接接头进行固溶处理之前，首先进行350℃×2h 和550℃×2h的预热处理，使应变区发生低温回复和中温回复。经回复后再进行1050℃固溶+550℃时效处理，结果表明，经350℃×2h的预热望处理后，再进行1050℃固溶+550℃时效处理，与未经预热处理的试样相比，与变形所对应的晶粒粗大区已无粗晶存在，尚存的个别粗晶处于接头中的焊缝金属根部。这说明，低温回复后再固溶处理，基本已无再结晶粗化。而预先较高温度(550℃×2h)的恢复却得到了相反的结果，无论是焊缝金属区还是热影响区晶粒都明显粗化，远远超过直接固溶处理时接头中的粒粗化情况。这表明，低温回复处理使热处理后接头中晶粒粗化现象明显减轻，且对板厚较薄的接头有更好的改善作用，因而通过选择合适的回复温度和时间可有效地防止焊接接头经固溶处理而产生的晶粒粗化现象。关于回复温度高低对而后的再结晶状况的影响认为，回复过程中位错重新分布随回复温度不同而变化并影响以后的再结晶过程，只有低温回复可明显地阻止变形后再加热所形成的晶粒粗化。

2) 铁素体不锈钢焊接接头的组织特征。研究了厚度为3mm高纯度的Crl8Mo铁素体锈钢，化学成分和力学性能见表4-5。该铁素体不锈钢的性能接近18-8奥氏体(1Crl8Ni8Ti)的水平，具有优良的力学性能。采用焊条电弧焊进行焊接，焊接接头型式不开坡口的平板对接焊。试验焊条是铁素体不锈钢专用焊条，属钛钙型药皮超低碳不锈钢焊条，熔敷金属的成分(质量分数)为：Cr17%～20%，Ni11%～14%，Mo2%～2.5%，C≤0.04%。焊接参数见表4-6。

 在金相显微镜下，铁素体不锈钢焊缝金属显微组织为铁素体+奥氏体。与母材晶粒相比，铁素体不锈钢焊接热影响区(HAZ)晶粒明显粗大，远离熔合线晶粒尺寸随之减小。而且在焊接HAZ中还分布着一些点状析出物，在母材和焊缝金属中析出物较少。与处于焊态的组织相比，经过焊后热处理的焊接HAZ晶粒明显粗大，点状析出物也增多。其HAZ晶粒长大倾向随着加热时间的延长更加明显，而且逐渐出现晶界氧化现象。显然，晶粒粗化、点状析出物增多以及晶界氧化是引起铁素体不锈钢焊接HAZ脆化的主要原因。
    众所周知，铁素体不锈钢在475℃温度附近对脆性特别敏感。焊接接头经过475℃×44h加热处理后，发现焊接HAZ显微组织变化不大，晶粒粗化现象也不十分明显，但点状析出物明显增多。因此，这种脆化主要不是由于晶粒长大或晶界氧化所引起，而是由点状析出物引起的。对处于焊态和经过750℃×32h加热处理的铁素体不锈钢焊接接头样进行X射线衍射分析表明，经过热处理的铁素体不锈钢焊接接头试样中存在少量FeO和β-Cr₂N相析出物。FeO的形成是晶界处于高温下Fe与O相互作用的结果。这些FeO和β-Cr₂N等析出物是引起铁素体不锈钢焊接HAZ性能下降，造成脆化的原因之一。
    应当指出，如果在750℃长时间加热，铁素体不锈钢焊接HAZ中将析出σ相，这种硬而脆的σ相的析出将导致严重的脆化倾向。加热时间仅32h是见不到有σ相析出的。
    铁素体晶粒与焊后再加热温度和保温时间成正比。晶粒粗化、析出物增多以及晶界氧化是造成铁素体不锈钢焊接HAZ脆化的主要原因。
铁素体不锈钢焊接HAZ中存在许多点状析出物，随着焊后再加热温度和时间的增加，析出物明显增多，经分析判定为TiN、Tic和β-Cr₂N相。HAZ中的析出物对脆化裂纹的产生和扩展有促进作用。