時(shí)效處理對(duì)0Cr15Ni5Cu4Nb鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響

李 能， 郭紹慶， 周 標(biāo)， 孫兵兵， 張學(xué)軍， 張文揚(yáng)， 唐思熠

(北京航空材料研究院，北京100095)

沉淀硬化不銹鋼是第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的鋼種。它是在含Cr，Ni元素的不銹鋼中加入Al，Cu，Ti，Mo，Nb等沉淀硬化元素，通過時(shí)效處理析出金屬間化合物等彌散沉淀相，來達(dá)到沉淀硬化［1，2］。因時(shí)效處理溫度及時(shí)效時(shí)間決定了沉淀強(qiáng)化相的析出行為，所以沉淀硬化不銹鋼的力學(xué)性能受時(shí)效熱處理制度的影響很大。低溫時(shí)效(300℃以下)，鋼的強(qiáng)度、硬度較低，隨時(shí)效溫度的升高，強(qiáng)度、硬度增加，達(dá)到最大值后，逐漸下降，即為過時(shí)效［3～6］。

0Cr15Ni5Cu4Nb鋼為新型馬氏體型沉淀硬化不銹鋼，它以強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕性能好、綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于宇宙航天、飛機(jī)制造、武器裝備、核動(dòng)力裝置、石油化工等領(lǐng)域［7～9］。由于這些零件工作條件苛刻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用焊接加工制造時(shí)，對(duì)焊接接頭的質(zhì)量提出了更高要求。0Cr15Ni5Cu4Nb鋼具有良好的焊接性，一般焊前無需預(yù)熱，焊后也無需緩冷，比具有相同強(qiáng)度水平的低合金高強(qiáng)度鋼熱影響區(qū)的氫脆敏感性小。但是，由于該不銹鋼的合金元素含量高達(dá)20% ～30%，屬于高合金鋼，焊接時(shí)容易產(chǎn)生偏析并形成奧氏體組織，從而導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的軟化，焊接接頭的強(qiáng)度和韌性低于母材等問題［10～13］。鑒于0Cr15Ni5Cu4Nb鋼母材的應(yīng)用有多種時(shí)效溫度和強(qiáng)度水平［14］，本工作對(duì)其焊接接頭經(jīng)480℃/1h，550℃/h，620℃/2h和620℃/4h四種時(shí)效處理的力學(xué)性能進(jìn)行研究，力圖揭示時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定適用于0Cr15Ni5Cu4Nb鋼的焊后熱處理制度。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 母材化學(xué)成分

母材的化學(xué)成分見表1。

表10 Cr15Ni5Cu4Nb鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 0Cr15Ni5Cu4Nb steel(mass fraction/%)

1.2 焊接材料及工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選擇自動(dòng)鎢極氬弧焊方法，并選用與母材成分相近的焊絲進(jìn)行焊接。母材厚度為15mm。坡口選用40°的V型坡口，鈍邊高度為1mm。采用多層多道焊，焊接工藝參數(shù):焊接電流為130～200A;焊接速率為11～15cm/min;送絲速率為25～66cm/min;保護(hù)氣體選用純度為99.9%的氬氣，正面保護(hù)氣流量為15L/min;背面保護(hù)氣流量5L/min。焊后熱處理制度為1040℃/45min，空冷固溶處理，固溶處理后分別于480℃/1h，空冷(E1);550℃/4h，空冷(E2);620℃/ 2h，空冷(E3)和620℃/4h，空冷(E4)工藝下進(jìn)行時(shí)效處理。將焊態(tài)未經(jīng)過熱處理的接頭作為E0狀態(tài)。表2為焊絲中部分雜質(zhì)元素的控制要求。對(duì)比表1和表2數(shù)據(jù)，可以看到焊絲的雜質(zhì)元素含量控制得比母材嚴(yán)格。

表20 Cr15Ni5Cu4Nb焊絲部分元素的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Composition of micro elements in 0Cr15Ni5Cu4Nb welding wire(mass fraction/%)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

焊接試板經(jīng)外觀檢查以及X射線檢查合格后進(jìn)行取樣。拉伸試樣的工作區(qū)和沖擊試樣的缺口均取自焊縫處，每組取3個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果為平均值。拉伸試樣形狀、尺寸、加工及測(cè)試方法均按HB5143中圓形拉伸試樣的規(guī)定。沖擊試樣形狀、尺寸、加工及測(cè)試方法均按HB5144中U型缺口的規(guī)定。室溫拉伸在INSTRON4507試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，室溫沖擊在JB6試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

金相試樣經(jīng)砂紙打磨和拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕液配比為40mL HCl+5g CuCl2+30mL H2O+ 25mL乙醇，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察。在QUANTA 600掃描電鏡下對(duì)顯微組織和沖擊斷口進(jìn)行形貌分析。在Z323維氏硬度計(jì)上對(duì)接頭的硬度分布進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 室溫沖擊性能

四種焊后熱處理制度下的焊接接頭和母材室溫沖擊性能，結(jié)果如圖1所示。對(duì)比圖1中數(shù)據(jù)可以看出，E2，E3，E4三種制度熱處理后的焊接接頭的室溫韌度比E1狀態(tài)有較大幅度提高，并以E4的沖擊值最高，達(dá)350 J/cm2，隨著時(shí)效處理溫度的升高以及時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭的室溫沖擊值呈明顯的上升趨勢(shì)，這與母材經(jīng)過熱處理后沖擊值的變化規(guī)律相同。E1狀態(tài)接頭的韌性最差，僅為73 J/cm2，低于相同熱處理?xiàng)l件下的母材;E2接頭(283 J/cm2)、E3接頭(297 J/cm2)、E4接頭(350 J/cm2)的室溫沖擊值均超過了同爐熱處理的母材。分析認(rèn)為，主要原因是與母材相比，制備焊絲時(shí)，對(duì)于S，P等有害雜質(zhì)元素的成分控制更加嚴(yán)格。焊接接頭經(jīng)過焊后熱處理，沖擊韌度反而高于同樣熱處理狀態(tài)下的母材。

圖1 焊接接頭和母材的沖擊韌度Fig.1 Impact toughness of welded joints and parent metal

2.2 室溫拉伸性能

圖2是四種焊后熱處理制度下焊接接頭和母材室溫抗拉強(qiáng)度的變化曲線。從圖2的數(shù)據(jù)看出，四種熱處理制度對(duì)于焊接接頭和母材的抗拉強(qiáng)度(σb)和屈服強(qiáng)度(σ0.2)的影響規(guī)律是一致的，即隨著時(shí)效溫度的升高以及時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，σb和σ0.2都隨之下降。這與室溫沖擊值的變化規(guī)律正好相反。四種時(shí)效制度下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為1349MPa，1071MPa，972MPa和932MPa。對(duì)應(yīng)時(shí)效制度下母材的抗拉強(qiáng)度分別為1371MPa，1125MPa，1024MPa和940MPa，不同制度時(shí)效后，焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)均達(dá)到了相應(yīng)熱處理制度下母材性能的95%以上。

圖3是四種焊后熱處理狀態(tài)下的焊接接頭和母材的伸長(zhǎng)率δ5和斷面收縮率ψ的變化曲線。從圖中可以看出，隨著時(shí)效處理溫度的升高以及時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭的伸長(zhǎng)率隨之上升，從E1狀態(tài)接頭的11.7%達(dá)到了E4狀態(tài)的18.8%;而對(duì)于斷面收縮率而言，焊接接頭經(jīng)E2，E3和E4三種熱處理制度后，斷面收縮率 ψ基本保持不變，均大于70%，明顯高于E1接頭的52.7%。

2.3 沖擊斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌分析

圖4分別是四種不同熱處理制度下焊接接頭沖擊斷口的微觀形貌(SEM)。對(duì)于E1接頭，斷口呈準(zhǔn)解理特征，主要特點(diǎn)為宏觀斷口比較平坦，基本上無宏觀變形或有極少的宏觀塑形變形，斷口大多呈結(jié)晶狀。斷口的微觀形貌特征為撕裂棱。隨著熱處理溫度的升高，接頭的斷裂由穿晶斷裂向沿晶斷裂過渡，E2接頭的斷面呈準(zhǔn)解理+韌窩的混合斷裂特征，出現(xiàn)穿晶斷裂與沿晶斷裂相結(jié)合的斷裂方式。對(duì)于溫度更高的E3和E4接頭，斷面則呈現(xiàn)明顯的韌窩特征，多為沿晶斷裂。

2.4 分析與討論

對(duì)焊態(tài)和四種焊后熱處理狀態(tài)下的焊接接頭進(jìn)行了維氏硬度測(cè)試，結(jié)果見圖5。經(jīng)E3和E4處理后的接頭硬度與焊態(tài)(E0)的硬度相似，而經(jīng)E1和E2兩種制度處理后的接頭硬度高于焊態(tài)的硬度。由圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，焊接接頭熔合線靠近熱影響區(qū)(HAZ)位置的硬度比焊縫中心和母材明顯降低。

分析認(rèn)為，馬氏體沉淀硬化不銹鋼的合金元素含量高達(dá)20%～30%，屬高合金鋼，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的區(qū)域偏析現(xiàn)象。鋼在凝固過程中，液固兩相的合金成分是在變化的。一般來講，先結(jié)晶的固相含溶質(zhì)的濃度較低，也就是先結(jié)晶的固相比較純，而后結(jié)晶的固相含溶質(zhì)的濃度較高并富集了較多的雜質(zhì)。在焊接過程中，由于冷卻速率快，固相內(nèi)的成分來不及擴(kuò)散，而在相當(dāng)大的程度上保持著由于結(jié)晶有先后所產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻性，同時(shí)由于熔池中存在激烈的攪拌作用，焊接熔池又不斷向前推移，不斷加入新的液體金屬，因此結(jié)晶后的焊縫，雖然從宏觀上不會(huì)像鑄錠那樣有大體積的區(qū)域偏析，但是，在焊縫結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶體繼續(xù)長(zhǎng)大和推移，此時(shí)會(huì)把溶質(zhì)或雜質(zhì)“趕向”熔池的中心。這時(shí)熔池中心的雜質(zhì)濃度逐漸升高，致使在最后凝固的部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的區(qū)域偏析。相對(duì)于母材鑄錠的均勻化熱處理，焊后固溶處理的溫度較低，時(shí)間較短，無法完全消除成分的偏析。因而導(dǎo)致焊縫中心因?yàn)镃，S等元素的富集而硬度增加，而熔合線靠近熱影響區(qū)處則由于C，S等元素的減少而軟化，硬度低于母材。

圖6為 0Cr15Ni5Cu4Nb鋼接頭經(jīng) 550℃/4h (E2)熱處理后的金相照片。從圖中可以看到，經(jīng)過固溶和E2時(shí)效熱處理后，接頭的焊縫、熔合線和母材仍然可以清楚辨識(shí)出來。對(duì)圖中的A，B，C三處 進(jìn)行元素分析，結(jié)果如表3所示。

表3 0Cr15Ni5Cu4Nb焊接接頭部分元素的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Composition of micro elements in 0Cr15Ni5Cu4Nb welded joint(mass fraction/%)

圖7為0Cr15Ni5Cu4Nb鋼接頭經(jīng)550℃/4h (E2)熱處理后的微觀組織。從圖7a中可以看出，經(jīng)過固溶熱處理，在時(shí)效處理之前的組織主要為板條馬氏體組織，從圖7b中可以看到，隨著時(shí)效熱處理的進(jìn)行，在板條間析出了白色顆粒相，對(duì)板條間出現(xiàn)的白色小顆粒進(jìn)行能譜分析，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87%的Nb元素和10%的C元素，從元素配比來看，應(yīng)該為NbC。這與之前Harbibi等關(guān)于0Cr15Ni5Cu4Nb鋼熱處理后的研究結(jié)果相同［3，4］。

圖70 Cr15Ni5Cu4Nb鋼接頭微觀組織 (a)固溶熱處理后，E2熱處理前;(b)E2熱處理后Fig.7 Microstructure of 0Cr15Ni5Cu4Nb welded joints (a)after solution treatment，before E2;(b)after E2

此前有研究［3，4］表明該鋼的強(qiáng)化相主要是富銅相，富銅相有釘扎位錯(cuò)的作用，均勻分布的富銅相起到穩(wěn)定位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的作用。文獻(xiàn)認(rèn)為［3，4］，馬氏體沉淀硬化不銹鋼時(shí)效中的沉淀與Fe-Cu和Fe-Cu-X合金的沉淀過程一樣，Cu在γ-Fe中的溶解度大于在α-Fe中的溶解度，固溶處理后，得到過飽和的α-Fe固溶體，隨后在適當(dāng)溫度時(shí)效時(shí)，析出ε-Cu，即富銅相，剛開始形成的相與基體共格，長(zhǎng)到一定尺寸時(shí)，共格破壞，成為獨(dú)立的ε-Cu相。在480℃時(shí)效時(shí)，沖擊值最低，沖擊斷口微觀形貌表現(xiàn)為準(zhǔn)解理。其他溫度時(shí)效時(shí)，沖擊斷口形貌為韌窩的斷裂特征。

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0Cr15Ni5Cu4Nb鋼焊接接頭選用550℃/4h時(shí)效熱處理，可以獲得良好的強(qiáng)度與韌性的配合，此時(shí)合金處于過時(shí)效狀態(tài)，組織表現(xiàn)為具有較高位錯(cuò)密度的板條馬氏體，在板條馬氏體上析出細(xì)小彌散分布的強(qiáng)化富銅相和尺寸較大的NbC顆粒。

3 結(jié)論

(1)隨著固溶熱處理之后，時(shí)效熱處理溫度的升高以及時(shí)間的延長(zhǎng)，0Cr15Ni5Cu4Nb鋼焊接接頭的沖擊韌度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率增加，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，沖擊斷口由準(zhǔn)解理向韌窩特征過渡。

(2)接頭性能的變化與組織中細(xì)小彌散與基體共格的富銅相析出有關(guān)，550℃/4h處理后的焊接接頭具有比較合理的綜合性能?？估瓘?qiáng)度為1071 MPa，沖擊韌性為283 J/cm2，均達(dá)到了母材的95%以上。

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