（材料加工工程专业论文）fa异种不锈钢焊接区组织性能的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 i i i i f a 异种不锈钢焊接区组织性能的研究 摘要 本文采用理论分析与实验技术手段相结合，对铁素体不锈钢 与奥氏体不锈钢异种焊接溶池及热影响区进行了系统的理论研 究，并采用金相实验、扫描电镜( s e m ) 、电子探针( e p m a ) 和透射 电镜( t e m ) 等技术手段，针对铁素体不锈钢0 c r l8 m 0 2 与奥氏体 不锈钢1 c r l8 n i 9 t i 焊接区的组织与性能进行了研究。 用舍夫勒组织图采取新方法确定f a 异种不锈钢焊缝金属组 织为：a + 6 铁素体；f a 异种不锈钢从母材到焊缝中心的组织变 化规律：f 一侧的变化是f f + m + a a + 8 一铁素体：a 侧的变 化是a a + 6 铁素体。( 实验结果表明，采用0 0 c r l8 n i l 2 m 0 2 n b 焊条时，0 c r l8 m 0 2 与1 c r l8 n i 9 t i 不锈钢焊缝的显微组织是由奥 氏体组织+ 少量6 铁素体组织+ 极少的马氏体组织。焊缝金属的强 度与母材的强度相当；冲击韧性介于两种母材之间。均能满足焊 、 接结构的使用要求。文 铁素体不锈钢0 c r l8 m 0 2 一侧热影响区未发生相变，靠近熔合 线的热影响区有铁素体晶粒长大的倾向，而且存在c 、n 化物的溶 解和析出，晶粒粗化及析出物是异种接头铁素体不锈钢一侧热影 响区韧性下降的主要原因，f a 异种不锈钢采用手工电弧焊 ( s m a w ) ，焊接线能量为3 0 8 j c m 时，焊缝及热影响区能获得良好 的组织性能，焊接时宜尽可能采用较小的焊接线能量( q 1 3 ) 。 关键词：铁素体不锈钢，异种接头，组织结构j 山东大学硕士学位论文 s t u d yo fm i c r o s t r u c t u r e p e r f o r m a n c e i n t h ew e l d l n g z o n eo ff ad l s s i m i l a rm e t a l w e l d i n gj o i n t a bs t r a c t t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t si n t h i sp a p e rs t u d i e dt h e w e l d i n gp o o l a n dt h eh e a t a f f e c t e dz o n e ( h a z ) o ff a d i s s i m i l a r m e t a lw e l d i n gj o i n t s m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f t h e w e l d i n gj o i n t z o n eo ft h e mw e r er e s e a r c h e db ym e a n s o f m e t a l l o g r a p h ，w h i c hi n c l u d e d t h eu s eo fs c a n n i n ge l e c t r o n ( s e m ) ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) a n d e l e c t r o n p r o b e m i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h et e s tw e l dj o i n t so ft h e mw e r eg o o d t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e w e l d i n gm e t a l o ft h e mw a sm a i n l yc o m p o s e do fa u s t e n i t e ，f e r r i t e a n dl i t t l em a r t e n s i t e ， m i c r o s t r u c t u r ei nt h eh a zo ft h e0 c r l8 m 0 2f e r r i t i cs t a i n l e ss s t e e ld i dn o ts h o w na n yp h a s et r a n s f o r m a t i o n b u tt h ef e r r i t i cg r a i n i nt h eh a zh a dt h et r e n do f g r a i ng r o w t h t h e r e d u c t i o ni n t o u g h n e s s i nt h eh a za n d c h a n g e o ff r a c t u r e m o r p h o l o g y w a s a t t r i b u t e dt ot h eg r a i nc o a r s e n i n ga n ds o m ep r e c i p i t a t e s t h e r e f o r e ， w e l d i n gh e a ti n p u t ( q u ) s h o u l db ea sl o wa sp o s s i b l e k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r e ，d i s s i m i l a rm e t a lw e l d i n g j o i n t f e r r i t i es t a i n l e s ss t e e l 2 山东大学硕士学位论文 第一章前言 11 本课题研究的目的及意义 随着科学技术的进步，新材料和新工艺的应用日益广泛。给异 种金属的焊接提出了越来越高的要求。异种金属焊接结构能够 充分利用各种材料的优异性能，如强度、耐腐蚀性、抗氧化性等， 给各种新设备和结构件的设计和应用提供了广阔的前景1 2 1 。 异种金属焊接有许多特殊的规律，如异种金属焊接区的物理、 化学性能的变化，熔合区元素的扩散过程，接头区组织性能的变 化等，涉及面很广【3 1 。近年来，有关异种金属焊接的试验研究和 应用方面的报道日渐增多，已引起广大科技人员的极大关注。特 别是随着我国改革开放的进一步扩大深入，促进了我国的石油、 化工、轻工机械、车辆等行业的飞速发展，对异种钢的应用进一 步扩大。国内外对不锈钢焊接进行了大量的研究1 4 7 1 ，这些研究主 要针对不同奥氏体不锈钢的焊接及铁索体不锈钢的焊接i s , 9 1 ，但目 前对奥氏体和铁素体异种不锈钢的焊接研究很少】，特别对真空 冶炼的超低碳铁素体不锈钢的焊接报道更少。 本课题以0 c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢( f ) 和1 c r l8 n i 9 t i 奥氏体不 锈钢( a ) 为研究对象，采用手弧焊： 艺( s m a w ) ，利用焊接工艺性试 验、微观组织结构分析等，对a + f 异种不锈钢焊接接头的组织性 能进行研究。分析焊接热循环对焊接接头区( 特别是熔合区) 的 组织、性能、裂纹倾向和耐蚀性的影响，为优化焊接工艺和确定 最佳的工艺参数提供理论和实验依据。针对我国轻工、化工及食 品机械行业异种不锈钢焊接区质量不稳定( 严重时导致破断) 的 实际问题，以期得到合理的焊接：1 ：艺，保证奥氏体和铁素体异种 不锈钢的焊接质量，从而推动铁素体和奥氏体不锈钢的更广泛的 3 山东大学硕士学位论文 i i 应用。 1 2f a 不锈钢焊接研究现状 1 2 1f 不锈钢焊接研究现状 铁素体不锈钢在室温下具有纯铁素体组织，强度不很高，塑性、 韧性良好；若将其加热到高温，也有可能出现少量的奥氏体组织 ( 对含铬量较低的钢) 或者根本不出现奥氏体组织，所以在焊接 热循环作用下有可能出现少量或者根本不出现马氏体组织f l “。这 类钢经焊接后不会出现强度显著下降或淬火硬化的问题，即使出 现了少量马氏体组织也可以通过焊后热处理来解决。这类钢焊接 接头的室温强度不是焊接时的主要矛盾” 14 1 ；再由于其焊接热膨 胀问题远比奥氏体钢轻微，因而其焊接热裂纹和冷裂纹的问题也 不很突出。铁索体不锈钢一般不如奥氏体不锈钢好焊，主要是指 焊接过程可能导致焊接接头的塑性、韧性降低即发生脆化的问题 【1 5 “6 1 。同其它类不锈钢的焊接一样，如何保证铁素体不锈钢焊接 接头具有相同于母材的耐蚀性，这是焊接的另一个关键问题1 1 7 】： 再者对于铁素体不锈钢耐热钢而言，焊接接头在高温下长期服役 可能出现逐渐脆化的问题也是必须重视的。 1 2 1 1 焊接接头的晶间腐蚀 普通铁素体不锈钢焊接接头在焊接热循环的作用下，被加热到 9 5 0 以上的温度区域冷却下来时，会在晶间产生腐蚀倾向。如在 7 0 0 8 5 0 进行短时间保温退火处理，可恢复其耐蚀性f i 引。晶间 腐蚀的位露是紧挨着焊缝的高温区。而奥氏体不锈钢焊接接头的 晶间腐蚀区是在最高温度为6 0 0 10 0 0 的区域，即晶间腐蚀的部 位稍稍离开焊缝的区域。 普通铁素体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀机理与奥氏体不锈钢 4 山东大学硕士学位论文 焊接接头的晶间腐蚀机理相同，均认为符合贫铬理论。铁索体不 锈钢一般在退火状态下焊接，其组织为固溶微量碳和氮的铁素体 及少量均匀分布的碳和氮的化合物，组织稳定，耐蚀性较好。当 焊接温度高于9 5 0 时，碳、氮的化合物逐步溶解到铁素体相中， 得到碳、氮过饱和的固溶体。由于碳、氮在铁素体中的扩散速度 比在奥氏体中快的多，在焊后冷却过程中，甚至在淬火冷却过程 中，都来得及扩散到晶界区。加之晶界处碳、氮的浓度高于晶内， 故在晶界上沉淀出( c r ，f e ) 2 3 c 6 碳化物和c r 2 n 氮化物。由于铬 的扩散速度慢，导致在晶界上出现贫铬固溶区。在腐蚀介质的作 用下即出现晶阃腐蚀。 由于铬在铁素体中的扩散比在奥氏体中快，为了克服焊缝高温 区的贫铬带，只需在7 0 0 9 0 0 短时间保温，即可使过饱和的碳 和氮能完全析出，而铬又来得及补充到贫铬区，从而恢复到原来 的耐蚀性。若在6 0 0 较长时间保温或焊接接头自9 0 0 以上缓慢 冷却，使碳、氮化合物充分析出，达到或接近钢材退火状态下固 溶的碳和氮含量的平衡值时，仍能保持其耐蚀性。 超高纯度高铬铁素体不锈钢也有产生晶间腐蚀倾向，其腐蚀机 理仍被认为是贫铬。超高纯度高铬铁素体不锈钢主要化学成分有 c r 、m o 和c 、n 。其中c + n 总含量不等，都存在一个晶问腐蚀的 临界温度区，即超过或低于此区域不会产生晶间腐蚀。同时，还 有一个临界敏化时间区，即在这个区时间之前的段时间，即使 在敏化临界温度区也不会产生晶间腐蚀。超高纯度高铬铁素体不 锈钢必须满足既在敏化临界温度区，又在临界敏化时间区内才有 可能产生晶问腐蚀i ”】。 无论普通纯度高铬铁索体不锈钢，还是超高纯度高铬铁素体不 锈钢焊接接头的晶间腐蚀倾向都与其合会元素的含量有关。随着 5 山东大学硕士学位论文 钢中碳和氮的总含量降低，晶间腐蚀倾向减少。铬含量的提高， 自身的扩散速度加快，碳和氮扩散速度降低，总的效果是敏化区 推向更长时间和较低的温度，即高铬铁素体不锈钢引起晶间腐蚀 的敏感性要低于低铬铁素体不锈钢。钼可以降低氮在高铬铁素体 不锈钢的扩散速度，有助于临界敏化时间向后移动较长时间，因 此含有钼的高铬铁素体不锈钢具有较高的抗敏化性能。合金元素 钛和锟为稳定化元素，能优先与铬和碳、氮形成化合物，可避免 贫铬区的形成。提高其抗晶间腐蚀能力。但要求钛的含量为碳和 氮的总含量的6 8 倍，铌的含量为碳和氮的总含量的8 1 1 倍， 才能达到效果，钛不仅可以改善焊接热影响区的晶间腐蚀倾向， 同时还可以稳定铁素体，防止出现马氏体。 1 2 1 2 焊接接头的脆化 普通铁素体不锈钢在焊接过程中，焊接接头在焊接热循环的作 用下，如果在9 5 0 以上停留时间过久，便会引起热影响区晶粒急 剧长大和碳、氮化合物沿晶界偏聚，可导致焊接接头的塑性和韧 性下降。当焊接构件的刚度足够大时，在室温条件下就可能出现 脆裂，即为焊接接头的脆化现象。这种粗大组织不能经过热处理 进行细化。 焊接接头从1 10 0 以上温度冷却后，焊接热影响区的室温韧 性降低，其脆化程度与合金元素及碳、氮的含量有关。碳、氮含 量越高，焊接热影响区脆化程度就越严重。焊接接头冷却速度越 快，其韧性下降值越多；如果空冷或缓冷，塑性将提高。其原因 在于快速冷却过程中，基体位错上出现了细小分散的析出物，阻 碍位错的运动，此时强度提高了而塑性和韧性则明显降低；在慢 冷过程中，位错上没有析出物，所以塑性不会降低1 2 0 。 当c r 含量 15 5 的普通铁索体不锈钢在温度4 0 0 5 0 0 氏 6 山东大学硕士学位论文 期加热后，常常会出现强度升高韧性下降的现象，称之为4 7 5 脆 性1 2 1 2 引。一般随含铬量提高而脆化倾向严重。该现象在马氏体不 锈钢和半奥氏体沉淀硬化不锈钢中亦偶有发生，但均没有铁素体 不锈钢那样明显。若铁素体不锈钢c r 含量在1 4 左右，在此温度 区间长时间运行，亦会对4 7 5 脆性产生敏感2 3 12 引。工作构件在 4 0 0 6 0 0 范围运行后，冷却速度小于10 s 时，也可产生脆 化：且冷却速度越慢，脆化越严重。c r 含量 1 2 的铁素体不锈 钢，可避免脆化的形成。焊接接头在焊接热循环作用下，不可避 免地经过该温度区，特别当焊缝金属和热影响区在此温度区停留 时间较长时，均有产生4 7 5 脆性的可能 2 5 1 。 大多数铁索体不锈钢在室温下能形成稳定的铁素体组织。但 是，如果钢或焊缝金属中含铬量偏于铁素体区的下限或者碳和氮 含量在允许范围的上限时，可导致高温在晶界形成一些奥氏体， 冷却后转变为马氏体组织，产生轻度脆化。退火处理可使马氏体 转变为铁素体组织。 1 2 2 a 不锈钢的焊接研究现状 奥氏体不锈钢都具有非常好的塑性和韧性，这决定了它具有良 好的弯折、卷曲和冲压成形性，因而便于制成各种形状的构件、 容器或管道，其焊接工作量也因此比其他不锈钢大的多。这类韧 性塑性本来就好的钢又不会发生任何淬火硬化，所以尽管其线膨 胀系数比碳钢大的多，焊接过程中的弹塑性应力应变量很大，却 极少出现冷裂纹。奥氏体不锈钢焊接接头不存在淬火硬化区，又 由于它有很强的加工硬化能力，所以，即使受焊接热影响而软化 的区域，其抗拉强度仍然不低。奥氏体不锈钢焊接性问题主要是 热裂纹、耐蚀性和焊接变形。 7 山东大学硕士学位论文 苎! ! ! 詈! ! 詈i ! 詈篁詈詈! 詈! 竺! ! ! 鼍詈詈! 竺詈鼍詈皇! 墨! 皇! 詈曼= 詈詈竺暑 1 2 2 1 焊接接头的热裂纹 单相奥氏体组织的奥氏体不锈钢焊接接头易发生焊接热裂纹， 这种裂纹是在高温状态下形成的。常见的裂纹形式有弧坑裂纹、 热影响区裂纹、焊缝横向和纵向裂纹 2 6 1 。就裂纹的物理本质上讲， 有凝固裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹等多种。奥氏体不锈钢 易产生焊接接头热裂纹的主要原因有： ( 1 ) 焊缝金属凝固期间存在较大的拉应力，这是产生凝固裂 纹的必要条件。由于奥氏体不锈钢的热导率小，线膨胀系数大， 在焊接区降温期焊接接头必然要承受较大的拉应力，这也促成各 种类热裂纹的产生。 f 2 ) 方向性强的焊缝柱状晶组织，有利于有害杂志的偏析及 晶间液态夹层的形成； ( 3 ) 含镍量高的合金对硫和磷形成易熔共晶更敏感，在某些钢 种硅和铌等元素，也能形成也能形成易熔晶间层【2 。 避免奥氏体不锈钢焊接接头的热裂纹的途径： ( 1 ) 焊缝金属中增添一定数量的铁素体组织，使焊缝成奥氏体 一铁素体双相组织，能很有效地防止焊缝热裂纹的产生。这是由 于铁素体能够溶解较多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上数量 大大减少：同时由于奥氏体晶界上低熔点杂质被铁索体分散和隔 开，避免了低熔点杂质呈连续网状分布，从而阻碍热裂纹的扩展 和延伸。 ( 2 ) 控制焊缝金属中的铬镍比，对于l8 8 不锈钢来说当焊接材 料的铬镍比小于1 6 1 时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2 3 3 2 时，就可以防止热裂纹的产生。 ( 3 ) 在焊缝中严格限制硼、硫、磷、硒等有害元素的含量，以 防止热裂纹的产生。对于不允许存在铁索体的纯奥氏体焊缝，可 g 山东大学硕士学位论文 以加入适当的锰，少许的碳、氮，同时减少硅的含量i 28 - 2 9 1 。这些 冶金措施能够有效防止和抑止热裂纹的产生。 奥氏体不锈钢与碳钢相比，在物理性能上有很大差异，奥氏体 不锈钢在焊接过程中会产生较大的变形和焊后收缩。其原因：与 碳钢相比，奥氏体不锈钢的电阻是碳钢的5 倍；热导率低，约为 碳钢的三分之一，导致热量传递速度缓慢，热变形增大；再者1 8 - 8 不锈钢的线膨胀系数有比碳钢大4 0 左右，更引起加热时热膨胀 量和冷却时收缩量的增加，因此焊后的变形量就显得更加突出。 1 2 2 2 焊接接头的晶问腐蚀 奥氏体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀发生的部位是在热循环峰 值温度6 0 0 10 0 0 的热影响区，即离焊缝边沿1 5 3 m m 之外的 母材金属上；也可发生在焊缝金属上；另一种晶间腐蚀发生在焊 缝的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内，像刃状深入发展，故称之 为刀状腐蚀，它是晶间腐蚀的一种特殊形式1 3 2 1 。 奥氏体不锈钢长期加热而导致晶间腐蚀的敏化温度区为4 5 0 8 5 0 。由于奥氏体不锈钢焊接接头处在焊接快速连续加热过程 中，铬碳化合物的形成过程必然会出现较大的过热区，所以焊接 接头的敏化区位于热循环峰值温度8 0 0 1 0 0 0 的部位。敏化的实 质是，当处于该区段的金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子会逐步 向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原子结合而成碳化物( c r ， f e ) 2 3 c 6 ，并沿晶界沉淀析出。由于铬原子的扩散速率要比碳的扩 散慢的多，来不及补足形成碳化物所消耗的铬，于是晶粒边缘层 的铬含量低于耐蚀所需铬的极限含量( c r 1 2 ) 于是导致晶粒 边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能，在腐蚀介质中工作一段时问后就 会出现晶间腐蚀。焊缝上的晶间腐蚀通常都只是在多道多层焊的 情况下出现。前一道焊缝金属受到后面焊道的热影响而处于敏化 9 山东大学硕士学位论文 温度的区带，可能出现晶问贫铬而不耐腐蚀。为了减少或避免晶 间腐蚀的倾向，应在钢中尽量减少碳的含量，以不形成铬的碳化 物为准“。 1 23f a 不锈钢焊接性的研究现状 奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的焊接结构多数应用于耐腐蚀、 耐高温的环境中。因为这种焊接结构在空气或酸、碱、盐的水溶 液中，具有很高的化学稳定性，比较耐氧化和耐腐蚀【3 4 1 。 奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的焊接接头可以看成是一个由 奥氏体不锈钢的母材金属一奥氏体不锈钢的热影响区一奥氏体不 锈钢的熔合区一焊缝一铁素体不锈钢的熔合区一铁素体不锈钢的 热影响区一铁素体不锈钢的母材金属所构成的一个承载链条，该 接头的性能和使用寿命最终决定于其中的一个最薄弱环节。为了 保证异种材料焊接接头质量，应使焊缝、两个热影响区和两个熔 合区都具有不低于或至少接近母材金属的性能，对两个热影响区 在焊接时的组织变化规律及其所具有的性能，均决定于每一材料 的本性和焊接规范，这和焊接同种材料时的情况一样。异种材料 焊接的根本问题是如何保证焊缝以及两个熔合区的组织性能优 良。 奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的焊接，主要问题发生在铁素体 不锈钢的一侧，焊缝易产生裂纹，且焊接高温区易产生粗晶和脆 化现象。因此，奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢异种焊接研究主要 集中在铁素体不锈钢的一侧。 1 3 本课题研究内容 1 ) 0 c r l8 m 0 2 + 1 c r l8 n i 9 t i 异种不锈钢焊缝结晶形态的研究：利 用舍夫勒图对焊缝组织及焊缝的成分进行计算和预测，判定焊缝 1 0 山东大学硕士学位论文 区的组织类及相对含量；对手工电弧焊( s m a w ) 焊缝和熔合区结 晶形态进行研究，阐述焊接线能量对焊缝和熔合区结晶形态、组 织类、晶粒度之间的内在联系。 2 ) 0 c r l8 m 0 2 不锈钢h a z 的韧性的研究：0 c r l8 m 0 2 + 1 c r l8 n i 9 t i 异种不锈钢焊接接头在设备运行中易在f 不锈钢一侧的h a z 发生 脆性断裂。初步判定主要是由于粗晶脆化、焊缝区夹杂物和o 相 脆化引起，但缺乏较深入的研究，本课题拟用用金相显微镜、扫 描电镜和透射电镜对h a z 进行分析，提出控制h a z 的韧性的工艺 措施。 3 ) 0 c r l8 m 0 2 1 c r l 8 n i 9 t i 异种不锈钢焊缝和热影响区进行扫 描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 以及电子探针( e p m a ) 等分析：对焊 缝及h a z 中6 一铁素体进行系统分析，将分析结果与理论分析相结 合，进行进一步的验证。 山东大学硕士学位论文 第二章研究方法 2 1 试验材料 试验母材采用0 c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢和1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体 不锈钢，其中0 c r l 8 m 0 2 铁素体不锈钢是采用真空冶炼方法生产的 高纯铁素体不锈钢，热处理状态：8 5 0 1 0 m in ，空冷；1 c r 18 n i 9 t i 奥氏体不锈钢经1 0 5 0 固溶处理，水冷；试板尺寸为2 0 0 m m l 5 0 m m 3 m m 。试验用0 c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢和1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈 钢的化学成分和力学性能见表2 1 和表2 2 。 表2 10 c r l 8 m 0 2 和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的化学成分( w t ) 钢号 cnm ns ic rn im ot i sp o cr l8 m 0 2( ) 0 】900 】402 8o 】6 l865014l0 602 【)00 050 024 17080 005 0 1c ll8n l9 t i0l2 20 0l0 000 3 000 35 190l l0 008 0 表2 20 c r l 8 m 0 2 和l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的力学性能 抗拉强度屈服强度延伸率冲击功 钢号 ob m p a o 。m p a6 。a 。j 0 c r l8 m 0 25 6 03 6 03 4l5 2 1 c r l 8 n i 9 t i5 5 92 3 56 92 7 4 试验采用手工电弧焊( s m a w ) 进行焊接，接头型式为不开坡口 的平板对接焊，采用0 0 c r l8 n i l 2 m 0 2 n b 合金系焊条，属钛钙型药 皮超低碳不锈钢焊条，其成分见表2 3 。 l2 山东大学硕士学位论文 表2 3试验用o c r l s m 0 2 + 1 c r l8 n j9 t i 异种不锈钢焊接 焊条化学成分( w t ) 名称成分 cc rn im 0 0 0 c r l8 n i12 m 0 2 n b o 0 3 l7 2 0l l 141 5 2 5 2 2 焊接工艺性试验 o c r l8 m 0 2 + 1 c r l 8 n i 9 t i 异种不锈钢焊接工艺性试验采用手工电 弧焊进行焊接，接头式为不开坡口的平板对接焊，采用不同的工艺 参数，工艺参数如表2 4 所示。 表2 4o c r l 8 m 0 2 和l c r l 8 n i9 t i 不锈钢焊接工艺参数 焊接电流焊接电压焊接速度焊接线能量 试样编号 i au v u ( c m s )e ( k j c m ) 19 02 4o 73 0 8 29 52 4o 73 2 6 31 0 02 5o 73 ，5 7 41 0 52 60 73 9 0 2 3 力学性能试验 根据国标g b 2 6 4 9 - 8 9 接头机械性能试验取样方法、g b 2 6 5 0 8 9 焊接接头拉伸试验方法、g b 2 6 5 1 8 9 焊接接头冲击试验方法进行试 样的制备和试验。 试样分别在w e 一6 0 的液压式万能试验机上进行拉伸试验，测 试焊缝金属的抗拉强度和延伸率：选择f 不锈钢母材和焊接接头 的不同位置分别加工成3 x 1 0 5 5 m m 的冲击试样，f 不锈钢母材 分成三组分别进行不同的热处理：先进行1 2 0 0 jo m i n ；再分别 进行水冷，空冷和炉冷；焊接接头试样分别进行不同温度下保温。 在j b 一3 0 冲机试验机上测试焊缝金属的冲击韧性。 l3 山东大学硕士学位论文 曹i ti i i 暑皇曼曼烹i 詈詈詈皇詈苎詈葛暑皇皇詈鼍皇 24 测试方法 2 4 1 金相试验 用线切割方法分别在o f r 】8 m 0 2 + 】c r l 8 n i9 t i 异种不锈钢焊 接区域截取试样，为了方便后续研磨、抛光和观察的方便，试样 尺寸应大小适当，沿垂直于焊接方向的截面取样；用金相砂纸从 粗到细，按常规的金相样品制备方法进行机械研磨，最后在旋转 抛光盘上抛光成镜面；经过磨制和抛光后，对试样焊接区域采用 强腐蚀性溶液( 硝酸与盐酸的数量比为l ：3 ) 进行浸蚀。在金相显 微镜下观察，直至能观察到清晰的显微组织形态，然后对不同区 域的组织进行摄录和拍照。 2 4 2 显微硬度 将经金相观察后的焊接试样，采用x h 一5 0 0 显微硬度计沿垂直 于熔合区的方向以4 0 0um 间距对焊接接头试样靠近熔合区的区 域分别进行维氏显微硬度逐点测定，并根据测试结果描点作图。 试验载荷5 0 9 ，保持时间1 2 s 。分别测试焊缝、熔合区、h a z 和母 材的硬度值。 2 4 3 扫描电镜试验 扫描电子显微镜( s e m ) 是利用聚焦电子柬在样品表面扫描时激 发产生的某些物理信号来调制成相。本试验对铁素体不锈钢一侧 和奥氏体不锈钢一侧及焊缝区域进行扫描观察，并进行了一些主 要元素的电子探针( e p m a ) 分析。试样的加工过程中特别注意保持 表面的清洁。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 4 4 透射电镜试验 采用电火花线切割方法从o c r l8 m 0 2 铁索体不锈钢和 1 c r l 8 n i9 t i 奥氏体不锈钢焊接试样上切取厚度为0 5 m m 左右的 “薄片”，分别选取焊缝和热影响区不同区域制成直径为2 3 m m 的小圆片，利用机械研磨方法把小圆片预先减薄到0 1 m m 左右的 “薄片”，然后利用离子轰击技术将试样减薄制成厚度小于5 0 “埘 的薄膜。将这些薄膜试样在透射电镜( t e m ) 下观察并进行选区电子 衍射分析。 山东大学硕士学位论文 第三章f a 异种不锈钢焊缝结晶形态的研究 3 1f a 异种不锈焊缝金属的熔合比 试验母材采用o c r l 8 m 0 2 铁素体不锈钢和l c r l 8 n i9 t i 奥氏体 不锈钢，其中0 c r l 8 m 0 2 铁素体不锈钢是采用真空冶炼方法生产的 高纯铁素体不锈钢，热处理状态：8 j 0 1 0 m in ，空冷；l c r l8 n i9 t i 奥氏体不锈钢经1 0 5 0 固溶处理，水冷；试板尺寸为2 0 0 m m x l5 0 m m 3 m m 。0 c r l 8 m 0 2 和1 c r l 8 n i 9 t i 异种不锈钢焊接采用手工 奥氏体不锈 f # ) x 癸 一 f f f ft 一熔敷金属在焊缝中所占面积 f f f 在焊缝中所占面积f a a 在焊缝中所占面积 图3 1f a 异种不锈钢接头示意阁 钢 l6 山东大学硕士学位论文 电弧焊进行焊接，接头式为不开坡口的平板对接焊。其焊接接头 示意图，如图3 1 所示 f a 异种不锈钢焊缝金属的熔合比与焊接方法、焊接参数、接 头形式和尺寸、母材金属的热物理性质有关 35 】。试验用o c r l 8 m 0 2 铁索体不锈钢和1 c r l8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢热物理性质参数，见表 3 1 。考虑以上因素，f a 异种不锈焊接金属的熔合比y 由基体金 属( f a 不锈钢) 在焊缝中的所占的比例确定( 见图3 1 ) 。 表3 1试验用不锈钢的物理性能 物理性能 钢号 热导率 密度电阻率 平均线膨胀系数，( 1 0 。6 c ) w ( m ( g c m 3 )( m0 c m )0 】0 00 3 1 6 0 - 5 3 8o 6 4 9 k ) 0 c r l8 m 0 27 7 06 010 41 1 01 1 31 1 92 7 1 c r 】8 n j 9 t j7 ，9 37 2l6 117 818 418 71 6 2 9 ，：尝 ( 3 1 )j f f + f a + f 甑 、。 式中 ft 一熔敷金属在焊缝中所占面积： f f f 在焊缝中所占面积； f a a 在焊缝中所占面。 根据图3 1 和式3 1 计算可得：y 为o 6 1 。 3 2 f a 异种不锈钢焊缝金属的化学成分 l7 山东大学硕士学位论文 在异种金属的对接接头中，焊缝的化学成分是一个大大影响接头 强度的和腐蚀性能的主要参数。焊缝的化学成分取决于被焊基体 金属在焊缝中所占的比例。因此，本试验中，f a 异种不锈钢焊缝 金属的化学取决于0 c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢、l c r l 8 n i 9 t i 奥氏体 不锈钢以及0 0 c r l8 n i l2 m 0 2 n b 焊条在焊缝金属中的所占比例。 在焊缝中某元素缝的含量x 。，可用下式求得： x 。= ( 1 一y ) x 敷+ k x f 十【1 一女弦 ( 3 2 ) 式中x 一熔敷金属中m 元素的含量： x ，一铁素体不锈钢中m 元素的含量； x 。一奥氏体不锈钢中r n 元素的含量； y 一熔合比； k 一铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相对熔合比。 考虑到不锈钢的物理性能特点，估算f r f a 为0 7 。铁素体不锈钢 与奥氏体不锈钢相对熔合比由下式( 3 3 ) 求得： k ：善譬 ( 3 3 ) f f + f a 、。 即为：k = 0 4 1 。将k 值和y 值代入到式( 3 2 ) 简化为式( 3 4 ) ： z = 0 , 3 9 x 敷+ 0 2 5 x f + 0 3 6 x a ( 3 4 ) 将表3 2 的数据分别代入式( 3 4 ) 中，计算所得见表3 3 。 表3 2 母材及焊接材料中化学成分的质量分数( w t ) 钢号 cm e ls ic rn im ot i 0 c r l8 m 0 20 0 190 2 8o 1 618 6 5o 1 41 0 60 2 0 l cr l8 n i 9 t i00 11 5o 618 6 5 95o 6 5 0 0 c r i8 n i l2 o 0 0 8l8 5 l2 52 m 0 2 n b 18 山东大学硕士学位论文 表3 3f a 异种不锈钢焊缝中化学成分的质量分数( w t ) 类别 cm ns ic rn im o丁i 焊缝 0 0 1 1o6 l0 2 6l8 5 98 331 0 5o2 8 3 3 利用舍夫勒图预测焊缝组织 3 3 1 传统的预测方法 0 c r l 8 m 0 2 铁素体不锈钢和1 c r l8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢焊接时 可以通过合金成分预测焊缝金属的组织和性能1 3 6 。 c r e a 2 l c r + 1 m o + i5 s i + 05 n b 图3 2 用舍夫勒圈预测焊接金属组织 1 9 口苫no+uon+一zi口oz 山东大学硕士学位论文 借助于舍夫勒图( 图3 2 ) 可对焊缝余相组织进行估算。这种状 态图适用于铬镍奥氏体钢结晶条件和冷却速度。 舍夫勒图中的铬、镍当量公式如下 c r e 。= 1 c r + 1 m o + 1 5 s i + 0 5 n b ( ) n i e 。= i n i + 3 0 c + 0 5 m n ( ) 根据表3 2 和表3 3 所给数据，经当量公式计算结果如表3 4 所示。 表3 4f a 母材和焊缝的c r 。和n i 。值( ) 类别c r 。n i 。c r 。n i 。 0 c r l 8 m 0 2 2 0 4 9o 8 52 4 l c r l 8 n i 9 t i 1 9 5 01 4 7 01 3 0 0 c r l 8 n i l 2 m 0 2 n b 2 1 o o13 4 01 5 7 焊缝 2 0 1 71 1 9 41 7 6 如图3 2 所示，将表3 4 中所得焊缝、0 c r l 8 m 0 2 和1 c r l 8 n i 9 t i 的c r 。和n i 。值在舍夫勒图中标定为c 点，a 点和b 点：分析状态 图可知焊缝金相组织为以奥氏体组织为基，分布者1 0 以下的6 铁素体。 传统组织图预测焊缝金属组织时，有两个不足之处：不能 2 0 山东大学硕士学位论文 晓明垂直熔合区向焊缝中心方向上焊缝组织的变化规律。如图3 3 所示，用同一种焊条焊接两种不同的母材时，沿垂直熔合区的l l m 图3 3 异种不锈钢焊缝示意图 和m m 方向上焊缝组织的变化规律不同。不能表达横穿焊缝时 ( 沿图3 3 中的n n 线) 焊缝组织的变化规律。 3 3 2f a 异种不锈钢焊缝组织预测的新方法 目前，已有多种对不同合金系的奥氏体填充材料的焊缝组织 预测方法。选用较适合异种金属接头的舍夫勒图分析o c r l8 m 0 2 铁 素体不锈钢和1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢焊缝的组织性能，见图 3 4 。 由表3 4 可知，o c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢和l c r 18 n i9 t i 奥氏体 2 l 山东大学硕士学位论文 不锈钢c r 。的值分别为2 0 4 9 年t l 1 9 5 ，n i 。的值分别为o 8 5 $ n 1 4 7 ：本课题系用的o o c r l 8 n 2 m 0 2 n b 的焊条c r 。的值为2 1 n i 。的值为13 4 ；将计算所得的值分别对应于图3 4 中的a 点和 b 点，所用的焊条o o c r l 8 n i l2 m 0 2 n b 对应于图中的c 点。o c r l 8 m 0 2 铁索 c r 。= 1 c r + 1 m o + 1 5 s i + 0 5 n b 图3 4用舍夫勒图预测焊接金属组织 ( ) 体不锈钢母材金属的稀释率为2 5 ，l c r l 8 n i9 t i 奥氏体不锈钢的稀 2 2 山东大学硕士学位论文 释率为3 6 ，分别对应于图3 4 中的d 点和e 点。 1 1 均匀混合区的组织由c d e 构成的三角区所覆盖的舍夫勒 图中的组织种类之和表示，即为a + f + m ；1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈 钢一侧焊缝不均匀混合区的组织由线段a d 穿过的舍夫勒圈中的组 织类之和表示，即为a + f ；0 c r l 8 m 0 2 铁素体不锈钢一侧焊缝不均 匀混合区的组织由线段b e 穿过的舍夫勒图中的组织类之和表示， 即为a + m + f 。 2 ) 1 c r l 8 n i9 t i 奥氏体不锈钢母材金属向焊缝金属中心的组织 变化规律为：a a + f ；由0 c r l8 m 0 2 铁素体不锈钢母材金属向焊 缝金属中心的组织变化规律为：f a + m + f a + f 。 3 4 焊缝金属的凝固形态 3 4 1 凝固方式 f e c r n i 合金按凝固时的初生相分为三类：一是在富铬侧以 初生6 铁素体方式凝固：= 是在富镍侧以初生a 奥氏体方式凝固； 三是以a + 6 方式凝固。 在奥氏体填充材料中，铬当量和镍当量之比作为控制凝固的初 生相是以6 铁素体或y 奥氏体为依据来决定的。 2 3 山东大学硕士学位论文 f e - c r h i 合金最初的凝固产物，取决于液念金属的成分。在 非平衡条件下凝固，由于合金元素的偏析，改变了剩余液相的成 分，从而改变了最后的凝n 产物。在剩余液相中，奥氏体化形成 元素的增加，或铁素体化形成元素的减少，有利于奥氏体相的凝 固形成，相应地在固液界面前沿，铁素体形成元素的局部富集 有利于以初生相6 铁素体的凝固形成。 不锈钢焊缝金属在凝固过程中，如果初生相为奥氏体，在移 动的固液界面处的液相是富集铁素体形成元素而贫化奥氏体形成 元素；如果初生相为铁索体，在移动的固液界面处的液相是富集 奥氏体形成元素。界面前沿合金元素的变化，同样会影响焊缝金 属中铁素体和奥氏体的形貌、数量及分布 3 7 1 。 焊接熔池的凝固属于快速凝固，并形成胞状晶和胞状树枝晶。 如果一个胞状晶或胞状树枝晶被看作是一系列小的体积单元，每 个体积单元都可以作为一个平面生长进入液体。快速凝固原理可 以用到所有微观界面，这样，每一个生长中的晶胞或胞状树枝晶 在其中心都有一个初始过渡区，在树枝晶的晶间有末端过渡区。 在初始过渡区和末端过渡区之间，晶粒的生长满足稳态条件 3 8 j 。 2 4 山东大学硕士学位论文 3 4 1 1 初生相为5 铁素体的凝固过程 以初生相为6 铁素体的凝固时，在胞状中心为初始过渡区，直 到相邻的凝固前沿相互接触之前，8 铁素体均以稳态方式凝固 并形成正常成分的固相。一旦接触，从末端过渡区开始，通过形 成奥氏体和铁素体的分离共晶混合物而结束凝固。 以初生相为6 铁索体的凝固时，正好在固相线之下，成分对应 于铁素体不锈钢的初生相6 铁素体位于亚晶中心，分离共晶网位 于亚晶边界。在狭窄的初始过渡区和末端过渡区之间，亚晶之间 的稳定部分构成了6 铁素体的正常成分。如图3 5 a 所示。 图3 5 凝固期间，穿过亚晶粒的铬、镍成分 a ) 初生相6 铁索体b ) 初生相y 奥氏体 2 5 山东大学硕士学位论文 3 4 1 2 初生相为a 奥氏体的凝固过程 与初生相为5 铁素体的凝固相比较，以a 奥氏体凝固的合会液 相面更平缓。在初始过渡区，在胞状树枝晶中心形成的a 奥氏体 中，铬的含量降低而镍的含量升高。在稳态凝固期间，这个刚凝 固形成的a 奥氏体彼此接触后，末端过渡区开始形成富铬和贫镍 的固相。在末端过渡区，铬的富集促进从最后的固液相中形成a 奥氏体和6 铁素体分离共晶混合物，如图3 5 b 所示。在末端过渡 区形成的6 铁素体，只有富集足够的铁素体稳定化元素，而且贫 化奥氏体稳定化元素，才能使所形成的铁素体保持到室温。当合 金成分越接近共晶三角区，在末端过渡区可望形成更多的铁素体。 3 4 i 3 初生相为a + 6 的凝固过程 当焊缝金属成分正好位于a + 6 双相区时，从液态金属中同时 析出a + 6 双相组织。实际生产中，当熔敷金属是以a + 6 双相组 织模式凝固时，焊缝底部液态金属不一定完全以a + 6 双相组织模 式凝固。 当焊缝金属与母材金属成分不同时，受母材成分和熔池底部不 同形貌的影响，使得熔池底部的液态金属的成分不同于熔池中上 2 6 山东大学硕士学位论文 部液态金属的成分，更不同于熔敷金属的成分a 所以，焊缝底部 液态金属凝固的初生相将不同于熔池中上部。只有在被焊母材金 属和熔敷金属的成分基本相同时，才能在焊缝底部一开始就出现 a + 6 双相组织方式凝固。 3 4 2 焊缝金属中的固态相变 3 4 2 1 焊缝金属中的铁素体形成位置和原因 在液固相区之下冷却，具有低铬镍比( 碳和氮的含量足够低) 的合金，将马上进入a 奥氏体- f6 铁素体两相区。对大多数焊接方 法来说，通过两相区时的冷却速度快，靠固态扩散控制反应溶质 原子再分配变得不可能，结果，标称成分的铁索体转变为同成分 的奥氏体。可是，在初始过渡阶段，在亚晶中心形成的高铬和低 镍的区域将保持稳定，并将铁素体保持到室温。在焊态下的显微 组织中看到的是残留的6 铁素体。 具有高铬镍当量比的合金，在冷却到室温过程中，完全保持在 两相区。并且在室温下的显微组织中，保持相当数量的6 铁素体。 在固态期问，6 铁素体还可以有限扩散反应的方式部分转变为奥 氏体，扩散反应受到通过两相区的冷却速度的限制。 2 7 山东大学硕士学位论文 相反，以初生相a 奥氏体凝固的未端过渡区，晶粒和亚晶粒的 边界富铬。因此，在这些部位形成的分离共晶含有相当数量的共 晶铁素体。虽然在冷却到室温的过程中，初生相a 奥氏体不发生 固态相变，一部分具有低铬镍比的共晶6 铁素体可能通过无扩散 方式转变为奥氏体。富集足够铬的那部分6 铁索体将保留到室温， 并存在于晶粒和亚晶粒的边界处。 3 4 2 2 焊缝金属中6 铁素体的相变 2 0j s l o亨b 图3 6 ”f 。7 0 的c r - n i 二元相图 2 8 山东大学硕士学位论文 以图3 6 所示的垂直截面图分析不锈钢焊缝金属中的相变。 在平衡冷却条件下，成分为c o 的合金正好位于相图中的稳 定6 铁素体区。在6 铁索体的固溶温度t j ，该合金进入奥氏体+ 铁 素体两相区。这时，如果平衡条件满足，成分c 2 的奥氏体( 相对 富镍贫铬) ，将从成分c o 的6 铁素体中生成。如果该合金在平衡 条件下冷却，通过扩散从6 铁素体中析出奥氏体将进一步富铬 直到奥氏体整个成分变为c o ，且6 铁索体被完全消耗掉。在温度