鐵素體不銹鋼TIG焊接頭組織與性能研究

國(guó)旭明, 柳春恕, 袁進(jìn)偉

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)哈維爾表面工程技術(shù)有限公司,沈陽(yáng) 110041)

近年來(lái),由于稀有金屬鎳、鉬等價(jià)格的上漲,導(dǎo)致了以鎳為主要添加合金元素的鉻鎳奧氏體不銹鋼成本的上升。因此,發(fā)展成本低廉、性能優(yōu)良的不含鎳或少含鎳的鐵素體不銹鋼具有重要的意義[1]。鐵素體不銹鋼的含鉻量一般在11%～30%之間,具有體心立方晶體結(jié)構(gòu),除了具有良好的強(qiáng)度、磁性和耐磨性能外,還具有中等的耐腐蝕性能,特別是耐氯化物應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕的性能優(yōu)異[2,3],是車(chē)輛、家用電器、廚房設(shè)備以及建筑裝飾等行業(yè)常用的金屬材料。然而與奧氏體不銹鋼相比,鐵素體不銹鋼焊接時(shí),焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)金屬的鐵素體晶粒的長(zhǎng)大傾向受焊接熱輸入的影響較為明顯。王寶森等人[4]研究了 12%Cr鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)組織特征,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),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。Rakesh Kaul等人[5]對(duì)比研究了激光焊和TIG焊工藝對(duì)17%Cr鐵素體不銹鋼焊接接頭組織及性能的影響,結(jié)果表明,與激光焊相比,熱輸入大的TIG焊使熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的晶粒粗化嚴(yán)重,降低了鐵素體不銹鋼焊接接頭的塑性。針對(duì)鐵素體不銹鋼焊接時(shí)由于晶粒粗化而導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題,通過(guò)減小焊接熱輸入的途徑只能在一定的范圍內(nèi)得以改善。而要從根木上解決問(wèn)題,則要通過(guò)調(diào)整母材的成分才能達(dá)到改善性能的目的。因此,本研究采用TIG焊對(duì)含Nb元素和不含Nb元素的兩種鐵素體不銹鋼進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn),以研究焊接熱輸入和微合金元素鈮對(duì)鐵素體不銹鋼TIG焊接頭組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用自制的含Nb元素和不含Nb元素的兩種Cr16鐵素體不銹鋼,厚度為1mm,其化學(xué)成分示于表1。焊接設(shè)備采用美國(guó)生產(chǎn)的Miller氬弧焊機(jī),進(jìn)行不填絲平板對(duì)接焊,保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣,流量為20L/m in,焊接工藝參數(shù)示于表 2。焊接后從焊接試件上截取焊接接頭的拉伸和金相試樣。拉伸試驗(yàn)在AG-250KNE電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為2mm/min。金相試樣經(jīng)過(guò)研磨和拋光后,用 10%的草酸溶液電解腐蝕,然后用OLYMPUS-GX71光學(xué)金相顯微鏡對(duì)焊接接頭的顯微組織進(jìn)行觀察和分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接熱輸入對(duì)TIG焊接頭顯微組織的影響

圖1為不含Nb元素的鐵素體鋼采用65A電流焊接后,焊接接頭的顯微組織形貌。可見(jiàn),鐵素體不銹鋼TIG焊接后,焊接接頭由母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)三部分組成。母材的鐵素體晶粒呈拉長(zhǎng)的扁平狀沿軋制方向分布,晶粒較粗大。熱影響區(qū)包括細(xì)小的等軸晶區(qū)和粗晶區(qū)(圖 1a)。等軸晶區(qū)的形成是由于焊接過(guò)程中遠(yuǎn)離熱源的焊接熱影響區(qū)受到電弧熱的影響較小,溫度相對(duì)較低,母材的鐵素體晶粒發(fā)生了恢復(fù)和再結(jié)晶,被拉長(zhǎng)的晶粒通過(guò)重新形核、長(zhǎng)大形成了均勻、細(xì)小的等軸晶。靠近焊縫的熱影響區(qū)由于加熱溫度高,母材的鐵素體晶粒嚴(yán)重過(guò)熱,而發(fā)生明顯的長(zhǎng)大,形成了粗晶區(qū)。焊縫區(qū)的金屬由柱狀晶和焊縫中心的多邊形鐵素體晶粒組成(圖1b,c)。柱狀晶依附于熔池邊界未熔的鐵素體晶粒以聯(lián)生結(jié)晶方式向焊縫中心生長(zhǎng),當(dāng)接近焊縫中心時(shí),溫度梯度變小,散熱方向趨于均勻,為多邊形鐵素體的形成提供了條件。

表1 鐵素體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of ferritic stain less steel(mass fraction/%)

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

圖1 電流為65A時(shí)不含Nb鐵素體鋼焊接接頭的顯微組織 (a)母材金屬和熱影響區(qū)的等軸晶; (b)熱影響區(qū)的粗晶和焊縫的柱狀晶;(c)焊縫中心Fig.1 Microstructure of welded-joint of ferritic stainless steel withoutNb at 65A welding current (a)basemetaland fine grain in HAZ;(b)coarse grain in HAZ and columnar grain in weld;(c)weld centre

圖2為不含Nb元素的鐵素體鋼采用75A電流焊接后,焊接接頭的顯微組織形貌?？梢?jiàn),隨著焊接電流的增加,不僅焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的寬度增加,而且熱影響區(qū)的粗晶區(qū)以及焊縫區(qū)的鐵素體晶粒也隨著長(zhǎng)大。這是由于隨著焊接電流的增加,焊接熱輸入增大,焊接時(shí)的峰值溫度和高溫停留時(shí)間增加的結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知,鐵素體鋼焊接時(shí),熱影響區(qū)晶粒的大小與加熱溫度和高溫停留時(shí)間存在如下關(guān)系：

式中,D為經(jīng)過(guò)加熱后晶粒尺寸,D0為原始晶粒尺寸,△t為從峰值溫度降到 900℃時(shí)的時(shí)間,T (t)為加熱過(guò)程的溫度是時(shí)間 t的函數(shù)?？梢?jiàn),隨著加熱溫度的升高和高溫停留時(shí)間的增加,熱影響區(qū)的晶粒尺寸越大。而焊縫區(qū)柱狀晶的長(zhǎng)大歸因于兩個(gè)因素,一是焊接電流的增加,導(dǎo)致熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)晶粒粗化,從而使之與其聯(lián)生結(jié)晶的柱狀晶必然粗化;二是焊接電流的增加,熔池的溫度升高,冷卻速率降低,過(guò)冷度減小,也促進(jìn)了焊縫柱狀晶的粗化。

2.2 微合金元素Nb對(duì)TIG焊接頭顯微組織的影響

圖3為含Nb元素的鐵素體鋼采用75A電流焊接后,焊接接頭的顯微組織形貌。對(duì)比圖 2可以看到,含有微合金元素 Nb的鐵素體鋼,在相同的焊接熱輸入條件下,無(wú)論是熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸,還是焊縫區(qū)的柱狀晶和多邊形鐵素體都明顯減小。這是因?yàn)殍F素體鋼中添加少量的 Nb元素后,一方面Nb與鋼中的C,N原子結(jié)合形成了穩(wěn)定的碳、氮化合物,如NbN,Nb(C,N)等,這些析出的第二相質(zhì)點(diǎn)在焊接加熱時(shí)具有釘扎晶界的作用,阻礙鐵素體晶粒的長(zhǎng)大;另一方面,Nb的原子半徑比鐵大得多,固溶態(tài)Nb易在晶界富集,具有強(qiáng)烈的拖曳晶界移動(dòng)的能力[7,8]。因此 Nb的這種雙重作用,細(xì)化了焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的鐵素體晶粒。與此同時(shí),由于粗晶區(qū)晶粒的細(xì)化,使之與其聯(lián)生結(jié)晶的焊縫柱狀晶的形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量增加,也產(chǎn)生了明顯的細(xì)化效果。

圖2 電流為75A時(shí)不含Nb鐵素體鋼焊接接頭的顯微組織 (a)母材金屬和熱影響區(qū)的等軸晶; (b)熱影響區(qū)的粗晶和焊縫的柱狀晶;(c)焊縫中心Fig.2 Microstructure of welded-joint of ferritic stainless steel without Nb at 75A welding current (a)basemetal and fine grain in HAZ;(b)coarse grain in HAZ and columnar grain in weld;(c)weld centre

圖3 電流為75A時(shí)含Nb鐵素體鋼焊接接頭的顯微組織 (a)母材金屬和熱影響區(qū)的等軸晶; (b)熱影響區(qū)的粗晶和焊縫的柱狀晶;(c)焊縫中心Fig.3 Microstructure of welded-jointof ferritic stain less steelwith Nb at 75A welding current (a)basemetaland fine grain in HAZ;(b)coarse grain in HAZ and columnar grain in weld;(c)weld centre

2.3 焊接接頭的拉伸性能

表3為鐵素體不銹鋼TIG焊接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?對(duì)于不含 Nb元素的鐵素體鋼當(dāng)焊接電流由65A提高到75A時(shí),焊接接頭的抗拉強(qiáng)度由397.9MPa降低到386.3MPa,同時(shí)伸長(zhǎng)率也由9.7%減小到9.0%。當(dāng)鐵素體鋼中添加少量的Nb元素后,在相同的焊接熱輸入下,抗拉強(qiáng)度由386.3MPa提高到408.7MPa,伸長(zhǎng)率也由9.0%增加到9.5%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果是與它們焊接接頭的顯微組織變化密切相關(guān)的。根據(jù)Hall-Petch公式,金屬的晶粒度越大,其強(qiáng)度和塑性、韌性越低。由于不含Nb的鐵素體鋼對(duì)焊接熱輸入非常敏感,隨著焊接電流的增加,焊接接頭的顯微組織明顯粗化,因此導(dǎo)致了焊接接頭強(qiáng)度和塑性的降低。當(dāng)鐵素體鋼中加入少量的Nb元素后,一方面阻礙了焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)和焊縫區(qū)中鐵素體晶粒的長(zhǎng)大,使晶粒粗化的程度明顯降低;另一方面Nb作為鐵素體形成元素,富集于鐵素體相中,可以強(qiáng)化鐵素體基體,同時(shí)Nb與C、N原子形成的NbN,Nb(C,N)等彌散的第二相質(zhì)點(diǎn),可起到沉淀強(qiáng)化的作用。因此含 Nb鐵素體鋼焊接接頭的強(qiáng)度和塑性得到明顯提高。

表3 鐵素體不銹鋼母材及焊接接頭的拉伸性能Table 3 Tensile p roperties of basemetal and welded-jointof ferrite stainless steel

3 結(jié)論

(1)不含Nb元素的鐵素體不銹鋼隨著焊接熱輸入的增加,熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和焊縫區(qū)的鐵素體晶粒明顯粗化,使焊接接頭的強(qiáng)度和塑性降低。

(2)向鐵素體不銹鋼中加入少量的Nb元素,通過(guò)釘扎晶界和拖曳晶界移動(dòng)的雙重作用,降低了粗晶區(qū)和焊縫區(qū)中鐵素體晶粒的長(zhǎng)大程度,提高了焊接接頭的強(qiáng)度和塑性。

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