高溫時效對異質(zhì)接頭碳遷移和組織的影響

崔一哲， 李德元， 婁建新

（沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

現(xiàn)代動力機械、化工和石油加工設(shè)備以及多種儀器的許多零部件越來越廣泛地應(yīng)用異種金屬焊接結(jié)構(gòu)［1］。在火力發(fā)電系統(tǒng)中，電站鍋爐對流管束高溫段（高于580℃）便采用具有良好的高熱強性和耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼，低溫段（低于580 ℃）從經(jīng)濟方面考慮仍使用具有高蠕變強度、持久強度和持久塑性、良好的高溫抗氧化性和足夠的組織穩(wěn)定性的低合金鉻鉬耐熱鋼［2－3］。異種鋼的焊接可以充分的兼顧兩者的特性，并且能夠降低產(chǎn)品的制作成本。

低合金鋼和奧氏體不銹鋼在化學(xué)成分、力學(xué)性能以及組織結(jié)構(gòu)等方面有較大差異，降低了異質(zhì)接頭的焊接性和使用壽命［4］。由于焊接過程中母材對焊縫的稀釋作用，造成焊縫合金中奧氏體形成元素不足，在熔合區(qū)可能出現(xiàn)馬氏體組織［5］，從而使焊接接頭質(zhì)量惡化。由于異種鋼中化學(xué)成分對碳的親和力不同，造成異質(zhì)接頭熔合線兩側(cè)碳元素的化學(xué)勢不同，形成化學(xué)勢梯度［6］，在高溫下焊縫熔合區(qū)會發(fā)生碳擴散現(xiàn)象，使碳由低合金鋼一側(cè)向不銹鋼焊縫一側(cè)擴散，在奧氏體不銹鋼一側(cè)形成增碳層，在低合金耐熱鋼一側(cè)出現(xiàn)脫碳層［7－8］。碳遷移是造成接頭高溫機械性能降低，高溫下失效斷裂增加，影響高溫使用壽命的主要原因之一［9－10］。為了分析高溫時效對異質(zhì)接頭碳遷移和組織的影響，模擬異質(zhì)接頭在高溫下的工作環(huán)境，對試樣進行500 ℃／100h的時效處理。

1 實驗材料和方法

根據(jù)電站鍋爐的選用材料，以12Cr1MoV 為母材，供貨狀態(tài)為正火＋回火，組織為鐵素體＋珠光體。以不銹鋼焊條A102為焊接材料進行手工電弧堆焊。并對異質(zhì)接頭進行500 ℃／100h 的時效處理。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 時效時間對碳擴散的影響

利用能譜分析測量焊態(tài)下和經(jīng)過500 ℃／100h時效處理后異質(zhì)接頭試樣熔合線兩側(cè)各點C、Cr、Ni元素的質(zhì)量分數(shù)，各成分點及碳分布曲線如圖1所示，各點元素質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

圖1 垂直于熔合線的成分點Fig.1 Composition point perpendicular to fusion line

表1 垂直與熔合線各成分點實測質(zhì)量分數(shù)Table 1 Fact mass fraction of composition point perpendicular to fusion line %

從各成分點元素含量表和碳含量分布曲線可以看出，在焊態(tài)下熔合線兩側(cè)便呈現(xiàn)出明顯的碳質(zhì)量分數(shù)梯度，在不銹鋼側(cè)距熔合線2μm 左右出現(xiàn)碳質(zhì)量分數(shù)的峰值，測量為0.14%，在母材一側(cè)距離熔合線2μm區(qū)域碳質(zhì)量分數(shù)降低，最低值為0.09%。說明在焊態(tài)下異質(zhì)接頭便出現(xiàn)少量的碳擴散現(xiàn)象。在經(jīng)過500 ℃／100h時效處理后，在不銹鋼一側(cè)形成增碳區(qū)，C、Cr質(zhì)量分數(shù)增加，碳質(zhì)量分數(shù)高于0.17%的區(qū)域?qū)挾却蠹s在10μm。最高碳質(zhì)量分數(shù)為0.22%。在低合金鋼母材一側(cè)形成脫碳區(qū)，碳質(zhì)量分數(shù)值降低，最低碳質(zhì)量分數(shù)為0.07%，脫碳區(qū)的寬度大約為15μm。通過碳質(zhì)量分數(shù)分布曲線圖可以看出，經(jīng)過高溫時效處理后，由低合金鋼一側(cè)向不銹鋼一側(cè)擴散碳的量增加。說明在異質(zhì)接頭中，碳擴散主要是由異種材料碳元素的活度梯度引起的，碳總是由活度高的一側(cè)向活度低的部位擴散。碳在鋼中的活度大小取決于碳在固溶體中的濃度和鋼中其它親碳合金元素的含量。而在不銹鋼焊縫中，由于親碳元素鉻含量高于母材，造成焊縫與母材間形成碳的活度梯度，促使碳由低合金鋼一側(cè)向不銹鋼一側(cè)擴散。

2.2 時效時間對組織的影響

經(jīng)過時效處理后，焊縫兩側(cè)含碳量發(fā)生變化，元素成分的變化以及高溫時效引起熔合區(qū)和母材組織的變化，通過電鏡圖片和能譜成分分析時效處理對組織的影響。

焊態(tài)下母材熱影響區(qū)的組織如圖2所示，圖2（a）為母材＋不完全重結(jié)晶區(qū)組織，（a）圖中左側(cè)為母材，由于該區(qū)域距離焊縫較遠，焊接熱循環(huán)并沒有對該區(qū)域有太大的影響，所以該區(qū)域仍然是供貨態(tài)組織，即鐵素體＋珠光體組織。（a）圖的右側(cè)及（b）圖左側(cè)為不完全重結(jié)晶區(qū)，該區(qū)域組織為鐵素體＋針狀鐵素體組織，寬度大約為500μm，距離熔合線1.8mm。焊接過程中，該區(qū)域溫度在Ac1～Ac3之間，組織由的α－Fe和P轉(zhuǎn)變成α－Fe和γ－Fe，即只有珠光體組織發(fā)生了相變重結(jié)晶，冷卻過程中轉(zhuǎn)變成針狀鐵素體，而另一部分始終未熔入奧氏體的α－Fe轉(zhuǎn)變成粗大的鐵素體，所以該區(qū)域晶粒大小不均，并且由左到右，針狀鐵素體組織增加。圖2中（c）圖為完全重結(jié)晶區(qū)，寬度大約為600μm，距離熔合線大約1.2 mm，焊接時，該區(qū)域被加熱到Ac3～1 000℃，將發(fā)生完全重結(jié)晶（即鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體），在空冷中得到均勻的針狀鐵素體組織。圖2中（d）、（e）為過熱粗晶區(qū)，寬度大約為750μm，（e）圖中（A）區(qū)的顯微組織放大后如圖（f）所示，組織為上貝氏體和粒狀貝氏體組織，并且有微量碳化物，該區(qū)溫度在1 000 ℃到固相線以下，奧氏體晶粒長大現(xiàn)象嚴重。由于碳在液相中的溶解度高于固相，因此當(dāng)熔池與母材接觸過程中，碳會由低合金鋼一側(cè)的未熔化區(qū)向焊縫的熔合邊界擴散，又由于碳在奧氏體中的溶解度高于鐵素體中的溶解度，在冷卻結(jié)晶過程中，先共析鐵素體的析出使碳在未轉(zhuǎn)變的奧氏體中過飽和，焊接冷卻速度快，碳不能充分的擴散，因此形成碳過飽和的上貝氏體和粒狀貝氏體組織，并且從左到右（即由母材向熔合線方向）晶粒逐漸變大。

圖2 焊態(tài)下母材HAZ組織Fig.2 Microstructure of base metal HAZ in welding

異質(zhì)接頭在500 ℃／100h時效處理后熱影響區(qū)的組織如圖3所示，高溫時效增加了碳的活度，促進了碳的擴散。在焊態(tài)下，母材、不完全重結(jié)晶區(qū)、完全重結(jié)晶區(qū)的組織均為穩(wěn)定性較好的組織，所以在經(jīng)過高溫時效后這些區(qū)域的組織并沒有發(fā)生明顯變化，如圖3中的（a）、（b）、（c）、（d）圖。時效處理后過熱粗晶區(qū)的組織發(fā)生較大變化，如圖3中（e）、（f）所示，為回火索氏體組織，原焊態(tài)下過熱粗晶區(qū)不穩(wěn)定的碳過飽和的上貝氏體和粒狀貝氏體組織，在高溫下發(fā)生退化，碳元素在高溫下擴散重熔，滲碳體顆粒不再呈片狀或顆粒狀，而是呈現(xiàn)長條狀甚至橢圓狀。在高溫下由于碳的擴散，在低合金鋼一側(cè)距離熔合線15μm 的區(qū)域內(nèi)形成脫碳區(qū)，由于碳的脫離，該區(qū)域組織與其他過熱粗晶區(qū)組織相比，鐵素體組織比例增加，并且滲碳體成顆粒狀。在不銹鋼一側(cè)緊靠熔合線出現(xiàn)一條明顯的白亮的增碳層。

圖3 500 ℃／100h后母材HAZ組織Fig.3 Microstructure of base metal HAZ after 500 ℃／100 h

2.3 增碳區(qū)的組織

增碳層組織和各點成分如圖4 所示，增碳區(qū)的組織為類似于馬氏體組織＋碳化物。由于焊接的稀釋作用，該區(qū)域奧氏體形成元素Cr、Ni質(zhì)量分數(shù)降低，Cr質(zhì)量分數(shù)在9%～13%，而Ni質(zhì)量分數(shù)低于5%～6%，在焊接冷卻過程中易形成馬氏體組織，由于高溫時效使增碳區(qū)碳含量增加，Cr質(zhì)量分數(shù)也高于焊態(tài)下該區(qū)域的實測值，說明C、Cr元素在該區(qū)域大量聚集，（b）圖中A 點碳質(zhì)量分數(shù)達到0.48%，遠高于其他點的含碳質(zhì)量分數(shù)，A 點為碳元素與Cr、Fe形成碳化物。B 點和C 點碳含質(zhì)量分數(shù)分別為0.28%和20%，也高于焊態(tài)下該區(qū)域的平均值。由于該區(qū)域各化學(xué)元素分布不均勻，在高溫時效后組織發(fā)生退化，所以增碳層的組織為不規(guī)則的類似于馬氏體的組織和大量碳化物。

圖4 增碳區(qū)組織和成分Fig.4 Microstructure and composition of recarburization

3 結(jié)論

焊態(tài)下異質(zhì)接頭熔合線兩側(cè)便出現(xiàn)了少量的碳擴散，高溫時效促進了碳由低合金鋼一側(cè)向不銹鋼一側(cè)的擴散，在不銹鋼一側(cè)的出現(xiàn)增碳區(qū)，增碳區(qū)組織為不規(guī)則的類似于馬氏體組織和碳化物，增加了該區(qū)域的脆硬性。

在母材一側(cè)形成脫碳區(qū)，脫碳區(qū)組織為鐵素體和顆粒狀滲碳體，降低了該區(qū)域的強度和韌性。高溫時效使母材熱影響區(qū)組織發(fā)生退化，原焊態(tài)過熱粗晶區(qū)的上貝氏體和粒狀貝氏體組織退化成回火索氏體。

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