不銹鋼的焊接熱影響區(qū)組織特征

1.試驗材料和方法

1.1試驗材料

選取寶鋼不銹鋼分公司生產(chǎn)的12%Cr不銹鋼板，經(jīng)過熱軋、退火、酸洗后6mm的 No.1板，其成分見表1。

注：含有微量的Ti、Nb合金元素。

1.2 焊接方法

采用的焊接工藝參數(shù)見表2。選取在車輛制造廠制造過程中使用的MAG自動焊方法，富氬氣體保護（Ar＋2.5%～3%CO ₂），氣體流量在16～18L/min，“V”型坡口，坡口角度為45°。焊接材料選用ER308L，直徑為1.2mm。

2 試驗結(jié)果

2.1焊接接頭的拉伸性能

2.2 焊接接頭的沖擊性能

焊接接頭的沖擊性能結(jié)果見圖1，從圖1中可以看出，隨著熱輸入的增大，熔合線粗晶區(qū)（F.L.）和HAZ部位（F.L.+1mm）的韌性均明顯下降，這與焊接熱輸入加大造成粗晶區(qū)鐵素體晶粒粗化以及粗晶區(qū)寬度增大密切相關(guān)。同時，焊接接頭熔合線部位的沖擊性能也要低于同接頭的HAZ部位。

3 討論

3.1 焊接接頭熱影響區(qū)組織

焊接接頭主要由焊縫、焊接熱影響區(qū)（熔合線、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)）組成，作為焊接接頭作為薄弱的焊接熱影響粗晶區(qū)，其組織種類為分布在晶界上黑色的馬氏體和白色的鐵素體，見圖2?？梢婋S著熱輸入從0.6KJ/mm增加到0.78KJ/mm，首先是粗晶區(qū)的寬度增加，平均寬度由0.3mm增加到0.45mm；其次是粗晶區(qū)鐵素體平均晶粒度大小也會由3級到1.5級；第三，分布在晶界上馬氏體的量也會發(fā)生一定程度的變化。綜合作用條件下，表現(xiàn)在熱輸入較小的焊接熱影響區(qū)的沖擊性能優(yōu)于較高的，如圖1所示。

高倍下觀察的晶界馬氏體照片見圖3，可見均為板條狀馬氏體，這和該類不銹鋼的C、N含量（200～400ppm）較低密切相關(guān)，顯微硬度測試結(jié)果表明，該馬氏體的顯微組織硬度在280-300HV5。

通過Thermol－cal軟件的計算得到該類鋼種的溫度－相組織圖，見圖4。該類不銹鋼在1100℃－1300℃之間是由δ（α）＋γ兩相組織組成的，在焊接快速加熱及冷卻的條件下，高溫下形成的奧氏體最終會轉(zhuǎn)變成馬氏體，即在焊接熱影響粗晶區(qū)晶界上會出現(xiàn)黑色的低碳板條馬氏體的原因。在焊接熱影響區(qū)峰值溫度條件下，奧氏體的出現(xiàn)無疑將在一定程度上限制了δ鐵素體的快速長大。因為隨著溫度的降低，奧氏體在冷卻過程中將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，也將帶來一定程度的相變膨脹，對被其分割的鐵素體晶粒長大而言，具有一定的阻礙作用，一定程度上抑制的高溫鐵素體晶粒的長大。這與文獻[1]闡述的鐵素體不銹鋼焊接接頭韌性改善的措施也是吻合的。但是，是不是粗晶區(qū)馬氏體含量越多越好？以及馬氏體含量到底和什么影響因素相關(guān)呢？

粗晶區(qū)馬氏體的含量和母材成分體系中的C、N、Ni等奧氏體形成元素的含量以及Cr、Ni比密切相關(guān)。同樣鐵素體形成元素含量情況下，奧氏體形成元素的含量越高，即Cr/Ni比越高，則焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)域形成的馬氏體含量越高。但理論分析認(rèn)為，低碳馬氏體的形成，對于粗晶區(qū)裂紋擴展能量的需求也將提高。裂紋在粗晶區(qū)擴展過程中一方面需要穿越M和F兩相的晶界，另一方面在M晶界中擴展時也將不定的改變方向，這些因素都將增加裂紋擴展所需要的能量，宏觀表現(xiàn)即沖擊吸收功的提高。過高的奧氏體雖然在抑制鐵素體晶粒長大具有一定的作用，但是其冷卻形成的馬氏體仍是脆性相，尤其當(dāng)其固溶C含量較多時，脆性傾向更為明顯。因此，采用C來提高粗晶區(qū)馬氏體的含量不是一個最佳的選擇。既是奧氏體形成元素，同時又對韌性具有突出貢獻的Ni的增加也能使馬氏體含量增多，但是由于Ni的價格原因以及12%鐵素體不銹鋼的市場定位，提高Ni含量，雖然可以提高焊接接頭組織中馬氏體的含量，從而一定程度上改善接頭的韌性，但這不是一條最佳的途徑。因此，主要研究目標(biāo)可以考慮其他奧氏體形成元素，如Mn、N等元素的含量。同時注意，隨著粗晶區(qū)馬氏體含量的增加，降低材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，即韌性性能有所提高，但當(dāng)達到90%比例時，將達到一個最高值；進一步增加馬氏體含量，韌性將隨之下降 ^[2]。過多的馬氏體也將使得其韌性下降。因此，為了改善12%Cr鐵素體不銹鋼焊接接頭粗晶區(qū)韌性性能，在焊接接頭形成一定數(shù)量的馬氏體是必須的條件之一。

因此，為了更好地控制焊接熱影響粗晶區(qū)的韌性性能，一方面控制母材成分體系中鉻鎳當(dāng)量比，不影響材料腐蝕性能基礎(chǔ)上，盡可能降低材料的鉻當(dāng)量，從而提高焊接熱循環(huán)條件下的馬氏體含量；其次利用碳氮化物析出顆粒的釘扎作用，也在一定程度上抑制了CGHAZ鐵素體晶粒的長大。

3.2 微量元素的作用分析

Ti和Nb都是強烈的碳氮化物形成元素，通常作為穩(wěn)定化元素加入鐵素體不銹鋼，通過與C、N結(jié)合形成Ti（C、N）或者Nb（C、N），利用穩(wěn)定形成的碳氮化物，提高鋼種本身抗晶間腐蝕的能力。通過Thermol－cal相圖計算分析，發(fā)現(xiàn)Ti和Nb的化合物在鋼中析出的溫度是不同的，見圖6，其中Ti（C、N）能夠在1500℃以上的液態(tài)中形成并析出，而Nb（C、N）在930℃從基體中析出。因此，從抑制鐵素體晶粒長大傾向的角度，Ti的作用優(yōu)于Nb，Nb更多的表現(xiàn)在利用析出強化的作用提高材料的抗拉強度性能上。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在粗晶區(qū)晶界邊緣處有很多的Ti（C、N）顆粒，對于高溫條件下鐵素體晶粒的長大具有很好的抑制作用，能有利于鐵素體不銹鋼焊接熱影響粗晶區(qū)韌性的改善。

4 結(jié)語

（1）隨著熱輸入的增加，12％Cr鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒度、寬度增加，沖擊韌性下降。為改善熱影響區(qū)的韌性，應(yīng)采用適當(dāng)小線能量輸入的焊接方法。

（2）超低碳、氮的12％Cr鐵素體不銹鋼在焊接熱影響粗晶區(qū)將形成板條狀的低碳馬氏體，一定量的馬氏體含量可以抑制鐵素體晶粒的長大；采用合適的奧氏體化形成元素，以降低母材成分體系中鉻鎳當(dāng)量比值，獲得具有最佳性價比的組織組成。

（3）微合金元素Ti和Nb在鐵素體不銹鋼中析出溫度不同，從抑制晶粒長大作用而言，Ti的作用優(yōu)于Nb；Nb對提高12%Cr鐵素體不銹鋼強度有一定作用。