退火對A32鋼焊接接頭耐蝕性能的影響

姜文龍，譚 力，高延敏

(江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

退火對A32鋼焊接接頭耐蝕性能的影響

姜文龍，譚 力，高延敏*

(江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

A32鋼焊接接頭廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)，其耐蝕性能的優(yōu)劣對于焊接接頭的力學(xué)性能和使用壽命至關(guān)重要.采用掃描電鏡，超景深數(shù)碼顯微鏡和電化學(xué)分析儀等表征手段，研究了船用A32鋼焊接接頭在進(jìn)行去應(yīng)力退火前后各部位在模擬海水溶液中的腐蝕行為，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行了討論.結(jié)果表明:800℃去應(yīng)力退火后，A32鋼焊接接頭部位耐蝕性能顯著提高，這主要是由于在焊縫區(qū)和熔合區(qū)形成了趨向一致的樹枝晶，母材組織鐵素體增多，珠光體減少;另外，退火后的銹層成分為Fe2O3和α-FeOOH，較退火前的焊接接頭銹層致密、覆蓋完整，防腐蝕性能更好.

焊接接頭;退火;組織;腐蝕

A32高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于制造大型游輪，散、貨輪，集裝箱船舶等大型船只，同船用其他鋼材相比，有較好的機(jī)械性能、較低的成本，同時提高了船體間結(jié)合的強(qiáng)度.但其熱膨脹系數(shù)較高，焊件往往存在較大的焊接殘余應(yīng)力，在實(shí)際使用中殘余應(yīng)力和外載荷共同作用將會降低焊接件的力學(xué)性能和使用壽命［1］.在船舶連接部位加工過程中，經(jīng)常會采用應(yīng)力退火措施來提高鋼材的性能［2-3］，退火熱處理雖然能夠在一定程度上消除殘余應(yīng)力，但是會引起焊接接頭組織結(jié)構(gòu)的變化［4］，從而影響焊接接頭耐腐蝕性能［5-6］.文獻(xiàn)［7］研究了熱處理對35CrMo鋼硬度、顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)淬火樣由于存在較大的淬火應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕傾向增大;文獻(xiàn)［8］研究了熱處理對 K55鋼硬度、顯微組織的影響，結(jié)果表明熱處理改善了K55鋼的組織結(jié)構(gòu)，腐蝕傾向降低，試樣耐蝕性提高;文獻(xiàn)［9］采用去應(yīng)力退火處理310S鋼焊接接頭，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的硬度總體分布規(guī)律不變，由于存在熱處理態(tài)殘余壓應(yīng)力，去應(yīng)力退火后平均顯微硬度得以提高.雖然，退火對于焊接接頭的處理工藝已經(jīng)很成熟了，但是，有關(guān)熱處理對A32鋼焊接接頭腐蝕的研究卻鮮有報(bào)道，尤其是模擬海洋水環(huán)境對焊接接頭進(jìn)行耐蝕性能的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)道更是少之又少.文中針對A32鋼焊接接頭組織，通過去應(yīng)力退火后超景深數(shù)碼顯微鏡觀察、電化學(xué)測試、XRD及SEM法，分析了退火前后的焊接接頭組織與腐蝕的關(guān)系，探討了組織變化衍生出的腐蝕產(chǎn)物與耐腐蝕性的關(guān)系.

1 試驗(yàn)

試樣選用滬東中華船廠現(xiàn)役A32船用低碳高強(qiáng)鋼板，板厚20 mm，化學(xué)成分如表1.母材采用焊條電弧焊.去應(yīng)力退火溫度為800℃，保溫時間為40 min，然后空冷至室溫.隨后對試樣進(jìn)行打磨、拋光.采用3%硝酸酒精做腐蝕劑，腐蝕時間3～5 s.

表1 試驗(yàn)用A32鋼材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the tested A32 steel

采用VHX-900超景深數(shù)碼顯微鏡對退火前后的焊接鋼頭微觀組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀察;采用JMS5310掃描電鏡研究試樣腐蝕前后表面形貌的變化;采用島津XRD-6000型X射線衍射儀研究焊接接頭的化學(xué)成分和物相結(jié)構(gòu).

制備退火前后焊接接頭，試樣尺寸10 mm× 10 mm×4 mm，背面錫焊銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂密封在PVC管中，試驗(yàn)前工作面分別用200，400，600，800，1 000，1 500級砂紙打磨、拋光.用無水乙醇、去離子水清洗，電吹風(fēng)吹干后待用.利用CS2350雙單元電化學(xué)工作站，在模擬海水的3.5%NaCl溶液中對A32鋼焊接接頭進(jìn)行極化曲線測試，試樣采用三電極體系，以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，A32鋼焊接接頭為工作電極.極化曲線掃描范圍-0.5～0.7 V，掃描速率0.5 mV/s，焊接工藝參數(shù)如表2.

表2 A32鋼焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of A32

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織觀察及分析

圖1為去應(yīng)力退火前后的焊接接頭金相組織.由圖1a)，b)對比可知，焊縫區(qū)以粒狀貝氏體(GB)為主，上面分布著馬氏體奧氏體(M-A)組織，呈網(wǎng)狀分布，800℃去應(yīng)力退火40 min保溫處理后，與焊態(tài)組織相比晶粒形貌和方向均變化不大，但晶粒大小略微增大.由圖1c)，d)對比可知退火前熔合區(qū)由于焊后熱循環(huán)作用，部分晶界局部熔化，晶粒發(fā)生再結(jié)晶從而形成粗大雜亂的形貌.而退火后的熔合區(qū)由于再次熱處理使粗大雜亂的晶粒取向趨于一致，并形成樹枝晶存在于熔合線附近.由圖1e)，f)對比可知母材在去應(yīng)力退火前組織為鐵素體+珠光體［10］，珠光體呈粗大片狀，晶態(tài)大小不等，晶粒疏松，有較多的破碎亞晶粒，結(jié)構(gòu)為不規(guī)則片狀;去應(yīng)力退火后的母材組織珠光體明顯減少，鐵素體取向規(guī)則緊湊，鐵素體+少量珠光體組織排列更加緊密均勻.

圖1 退火前后焊接接頭金相組織Fig.1 Metallographic structure of annealed and unannealed welded joints

2.2 耐腐蝕性能變化研究

圖2為去應(yīng)力退火前后焊接接頭動電位極化曲線，從圖上看，在陽極區(qū)都存在一個很窄的鈍化區(qū)，形狀幾乎一致，表明熱處理對陽極的電化學(xué)行為影響較小，而陰極電化學(xué)行為影響較大.退火前的焊接接頭自腐蝕電位為-0.505 5 V，腐蝕電流密度為19.44×10-6A/cm2;退火后焊接接頭自腐蝕電位為-0.464 86 V，腐蝕電流密度為9.23×10-6A/cm2.腐蝕電位較退火前變高，腐蝕電流密度較退火前變小，這種變化與組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系.焊接接頭中鐵素體是貧碳相組織而滲碳體為富碳相組織，珠光體是鐵素體和滲碳體的共析體.由于鐵素體和滲碳體的電位差很大，它們形成了腐蝕微電池.滲碳體電位高充當(dāng)陰極，鐵素體充當(dāng)陽極，而析出的珠光體會優(yōu)先腐蝕［11］.同時碳會在發(fā)生腐蝕的珠光體表面聚集，碳由于電極電位較高可作為陰極與金屬基體形成腐蝕電偶，從而導(dǎo)致金屬陽極腐蝕加劇.也就是說，退火處理后，金屬組織結(jié)構(gòu)變化影響了陰極的電化學(xué)行為，這引起了腐蝕電流的降低，從而降低了腐蝕速度，表明退火后的焊接接頭腐蝕速率更低，耐腐蝕性能相比去應(yīng)力退火前的焊接接頭更好.

有些學(xué)者認(rèn)為由于焊后殘余應(yīng)力釋放，從而使焊接接頭具有更好的耐蝕性［12］，這一觀點(diǎn)依然有待探究.

由于工件較小，采用焊條電弧焊，在進(jìn)行多層多道焊時，層間溫度為50℃.較低的層間溫度，可防止熱影響區(qū)過熱，有利于減小接頭的熱裂紋傾向，提高抗晶間腐蝕能力.

圖2 退火前后焊接接頭極化曲線Fig.2 Polarization curve of annealed and unannealed welded joints

2.3 退火對腐蝕產(chǎn)物的影響

焊接接頭的組織與腐蝕后銹層的形成有一定關(guān)系，圖3為去應(yīng)力退火前后的焊接接頭銹層表面形貌.退火前的銹層疏松，銹蝕產(chǎn)物粗大，孔隙明顯，銹層部分存在裂紋，在氯離子環(huán)境中，氯離子本身具有很強(qiáng)的穿透性，空隙和裂紋的存在很大程度增加了腐蝕介質(zhì)與基體的接觸概率.而退火后的銹層致密緊湊，銹蝕產(chǎn)物細(xì)小且分布平整均勻，未出現(xiàn)局部腐蝕相對嚴(yán)重的情況，該銹層組織完整性較好，沒有明顯的孔隙裂紋缺陷因而該銹層對基體覆蓋率高，保護(hù)較好.

對經(jīng)過96 h干濕循環(huán)后的兩種不同組織銹層XRD(圖4)表明，去應(yīng)力退火前后焊接接頭腐蝕產(chǎn)物物相均由Fe3O4，α-FeOOH，γ-FeOOH組成，但兩種組織的銹層比例存在一定差異.去應(yīng)力退火前的焊接接頭銹層的XRD(圖4a)圖像表明主要由Fe3O4，α-FeOOH和γ-FeOOH組成，去應(yīng)力退火后(圖4b)的焊接接頭銹層中Fe3O4，α-FeOOH含量略微增多，γ-FeOOH的比例卻大量下降.退火前焊接接頭的母材組織含有大量珠光體，組織不規(guī)則，晶粒大小不等，所形成的銹層γ-FeOOH含量較多;退火后的焊接接頭母材組織珠光體減少，組織規(guī)則緊湊，銹層中γ-FeOOH含量減少，而α-FeOOH增多.干濕環(huán)境下腐蝕中內(nèi)銹層為Fe3O4，外銹層首先沉淀出不穩(wěn)定的γ-FeOOH，由于干濕環(huán)境中O2的作用，使得焊接接頭表面酸化，γ-FeOOH部分甚至全部溶解，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的α-FeOOH［13］.去應(yīng)力退火后的焊接接頭含有大量α-FeOOH說明所形成的銹層更加穩(wěn)定、致密.

圖3 退火前后焊接接頭銹層形貌Fig.3 Rusty layer of annealed and unannealed welded joints

圖4 退火后焊接頭銹層XRDFig.4 XRD of annealed and unannealed welded joints

圖5為去應(yīng)力退火前后的銹層橫截面對比，退火前后的銹層滲入深度相差不大，但是退火前銹層與基體連接不緊密，有銹層脫落并伴隨有大量孔洞，并且有整個裂紋貫穿銹層，這種銹層作為腐蝕通道會大大降低銹層的耐腐蝕性能;退火后的銹層致密，延伸方向與基體平行，貫穿性裂紋較少，這種銹層可以阻止腐蝕介質(zhì)與基體接觸，有效減緩腐蝕.因此，含有珠光體較多的退火前的焊接接頭耐腐蝕較差，而退火后的焊接接頭耐蝕性較好.

圖5 退火前后焊接接頭銹層橫截面Fig.5 Rusty layer section of annealed and unannealed welded joints

3結(jié)論

1)A32鋼焊接接頭經(jīng)過退火后，焊縫區(qū)熔合區(qū)晶粒長大，部分晶界熔解，形成趨向一致的樹枝晶;母材區(qū)鐵素體增多，珠光體減少，耐蝕性提高.

2)退火后的焊接接頭銹層致密、覆蓋完整.退火前的焊接接頭的銹層成分為Fe2O3，α-FeOOH和γ-FeOOH，退火后的銹層成分為 Fe2O3和α-FeOOH.

References)

［1］游敏，鄭小玲.對接接頭橫向殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2002，23(4):37-40.

［2］ 吳良晨，王東坡，王康，等.Q235B焊接接頭超高周疲勞性能［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41(12): 1480-1484.Wu Liangchen，Wang Dongpo，Wang Kang et al.Super high cycle fatigue properties of q235b steel welded joint［J］.Journal of Tianjin University，2008，41(12): 1480-1484.(in Chinese)

［3］ 倪瀟，呂瑞強(qiáng)，許偉，等.去應(yīng)力退火對不同焊接電流下Q235鋼焊接接頭組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2012，37(5):65-69.Ni Xiao，Lv Ruiqiang，Xu Wei，et al.Effects of stress relief annealing on Q235 steel weld joints under microstructure and properties of different welding currents［J］.Heat Treatment of Metals，2012，37(5):65-69.(in Chinese)

［4］Saha A，Mondal D K，Maity J，et al.An alternate approach to accelerated spheroidization in steel by cyclic anneealing［J］.Journal of Materials Engineering＆Performance，2011，20(1):114-119.

［5］閆萍，王國慶.焊接后后熱處理對腐蝕性能的影響［J］.熱加工工藝，2009，38(8):147-148.Yan Ping，Wang Guoqing.Effect of post heat treatment after welding on corrosive performance［J］.Hot Working Technology，2009，38(8):147-148.(in Chinese)

［6］González M A，Martínez D I，Pérez A，et al.Microstructural response to heat affected zone cracking of preweldingheat-treated Inconel 939 superalloy［J］.Materials Characterization，2011，62(12):1116-1123.

［7］ 陳孝文，張仁勇，張德芬，等.熱處理對35CrMo鋼耐蝕性能的影響［J］.材料熱處理技術(shù)，2011，24(2): 176-178.Chen Xiaowen，Zhang Renyong，Zhang Defen，et al.Effect of heat treatment on corrosion resistance of 35CrMo steel［J］.Hot Working Technology，2011，24 (2):176-178.(in Chinese)

［8］王霞，瞿騰飛.熱處理對K55鋼耐蝕性的影響［J］.金屬熱處理，2012，37(9):116-118.Wang Xia，Qu Tengfei.Effect of heat treatment on corrosion resistance of K55 steel［J］.Heat Treatment of Metals，2012，37(9):116-118.(in Chinese)

［9］孫有平，張揚(yáng)揚(yáng)，涂耀耀，等.去應(yīng)力退火處理對310S鋼焊接接頭殘余應(yīng)力與力學(xué)性能的影響［J］.焊接技術(shù)，2015，44(2):34-37.Sun Youping，Zhang Yangyang，Tu Yaoyao，et al.Effect of annealing on residual stresses and mechanical properties of the welded joints of 310S steel［J］.Welding Technology，2015，44(2):34-37.(in Chinese)

［10］ 崔忠折.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［11］Cleary H J，Greene N D.Electrochemical properties of Fe and steel［J］.Corrosion Science，1969，9(1):3-13.

［12］ 閆萍，王國慶，李均峰.焊接后后熱處理對焊接殘余應(yīng)力的影響研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(3): 99-100.Yan Ping，Wang Guoqing，Li Junfeng.The study of post heat treatment after welding effected on welding residual stresses［J］.Machinery Design＆Manufacture，2009 (3):99-100.(in Chinese)

［13］Yamashita M，Misawa T.Surface science and homeopathy for rust［J］.Surface Science Society of Japan，1999，20(4):235-242.

(責(zé)任編輯:顧 琳)

Effects of anneal on the corrosion resistance properties of A32 welded joints

Jiang Wenlong，Tan Li，Gao Yanmin*

(School of Material Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

A32 steel is widely used in shipbuilding and the corrosion resistance properties of welded joints is key to the mechanical property and service life of welded joints.The corrosion behavior in simulated seawater of the annealed A32 welded joint was investigated using scanning electron microscope，super depth digital microscope and the electrochemical system，and the relevant factors were discussed.The results showed that the corrosion resistance properties of 800℃ annealed A32 welded joint had a great improvement because of the formation of dendritic grains growth，the increase of ferritein and the decrease of pearlite in the weld metal and fusion zone of annealed A32 steel.In addition，the rust layer annealed with 800℃ contained Fe3O2and α-FeOOH，which turned to be denser，more corrosion-resistant than the rust layer without annealing and of complete coverage.

welded joint;anneal;structure;corrosion

TG142.71

A

1673-4807(2015)06-0525-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.004

2015-07-20

姜文龍(1989—)，男，碩士研究生.*通信作者:高延敏(1964—)，男，教授，博士后，研究方向?yàn)楦g與防護(hù).

E-mail:33268139@qq.com.

姜文龍，譚力，高延敏.退火對A32鋼焊接接頭耐蝕性能影響［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，29(6):525-529.