奧氏體化合金元素Mn和Ni對FV520B焊縫組織與力學性能的影響

張　敏，劉明志，張　明，李繼紅

(西安理工大學 材料科學與工程學院，西安 710048)

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奧氏體化合金元素Mn和Ni對FV520B焊縫組織與力學性能的影響

張敏，劉明志，張明，李繼紅

(西安理工大學 材料科學與工程學院，西安 710048)

采用金相觀察及掃描電鏡(SEM)等研究了奧氏體化合金元素Mn和Ni對FV520B馬氏體不銹鋼的焊縫組織及力學性能的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)V520B不銹鋼的焊縫組織以回火馬氏體為主，隨著合金元素增加，焊縫組織變得更加細小。Mn，Ni元素能夠有效提高焊縫中奧氏體的含量。合金元素對焊縫強度的影響較小，但當同時添加Mn，Ni元素時，焊縫抗拉強度和屈服強度得到提高。Mn，Ni元素能夠通過提高焊縫奧氏體量改善焊縫的沖擊韌度。相對于Mn元素，Ni元素提高焊縫韌性的效果更好。

FV520B馬氏體不銹鋼；奧氏體化；合金元素；力學性能

FV520(B)馬氏體不銹鋼用于風機葉輪的生產(chǎn)，但常因焊接接頭韌性不足而發(fā)生斷裂失效[1]。研究發(fā)現(xiàn)奧氏體含量是影響其韌性的主要因素。

Mn是奧氏體化合金元素，可以擴大奧氏體相區(qū)，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性[2]，使奧氏體相變移向較低的溫度。在通常的焊縫金屬冷卻速率下，Mn會抑制奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，提高奧氏體生長速率[3,4]。焊縫中隨著Mn含量的增加，焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度增大，且Mn能顯著降低脆性轉(zhuǎn)變溫度[5]。

Ni是不銹鋼中僅次于Cr的重要合金元素，Ni可以提高不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性，從而提高不銹鋼的熱力學穩(wěn)定性[6]。Ni是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體的元素，能無限固溶于γ-Fe并且擴大奧氏體相區(qū)，降低馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度。另外，隨著Ni含量的增加，在形變過程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變也更加困難[7,8]。在馬氏體時效不銹鋼中，隨著Ni含量的增加，鋼中奧氏體體積分數(shù)明顯上升，材料的沖擊韌度顯著提高[9,10]。

本工作通過藥芯焊絲向焊縫中過渡奧氏體化合金元素，提高焊縫組織中逆變奧氏體含量，增強FV520B不銹鋼焊接接頭韌性。

1　實驗

1.1實驗材料

FV520B不銹鋼成分中主要奧氏體化合金元素是Mn和Ni，實驗中通過在藥芯焊絲的藥粉中加入中碳錳鐵和鎳粉的形式將其過渡到焊縫，實驗所使用的中碳錳鐵和鎳粉的成分如表1所示。

表1　錳鐵及鎳粉的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

實驗中制取了4種不同合金元素含量的藥芯焊絲，對應(yīng)實驗編號及合金元素的含量如表2所示。

表2　試樣中Mn，Ni含量(質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2實驗方案

在藥芯焊絲生產(chǎn)設(shè)備上，經(jīng)過鋼帶清洗-軋U型槽-加粉-合口-粗拉-精拉-清理等工藝制作直徑1.2mm的藥芯焊絲。

實驗?zāi)覆倪x用FV520(B)不銹鋼板材，焊接試板的尺寸為350mm×150mm×15mm，并按照GB/T 17493- 2008《低合金鋼藥芯焊絲》進行試樣加工。焊接使用林肯DC-400型直流焊機和LN-23P送絲機。為了減少冷裂紋傾向，試板焊前進行300℃×1h預(yù)熱，焊后進行1050℃固溶處理1h水冷+850℃保溫2h調(diào)整處理+620℃保溫1h空冷回火處理的熱處理工藝[11]，獲得最佳強化效果。取熔敷金屬橫截面做金相試樣，經(jīng)磨光、拋光后，用1g FeCl3∶20mL HCl∶10mL H2O配置的溶液進行試樣腐蝕，然后在GX-71型金相顯微鏡下觀察焊接接頭的組織形貌，并根據(jù)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》和GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》取樣，檢測熔敷金屬力學性能，實驗分別在SHT5106拉伸試驗機和NI750F沖擊試驗機上進行。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3　焊接工藝參數(shù)

2　結(jié)果及分析

2.1合金元素的過渡效果

為了檢測通過藥芯焊絲過渡合金元素的效果，利用能譜分析，測得焊縫各元素的質(zhì)量分數(shù)如表4所示。從表中可以看出，隨著藥粉中Mn和Ni元素的增加，焊縫中Mn和Ni元素也有所增加。焊縫中合金元素主要由焊絲外皮、藥粉及局部熔化的母材三部分組成。由于實驗中所用藥芯焊絲外皮都是一樣的，焊接工藝相同，所以焊縫成分的變化主要是由藥粉中合金元素的過渡引起的。

表4　焊縫的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

為了對比焊縫和母材合金元素的差異，對3#試樣熔合線附近的元素進行能譜掃描分析，結(jié)果如圖1所示。3#試樣焊縫和母材的成分相近，線掃描結(jié)果也反應(yīng)出熔合線附近的元素含量相差不大。如圖1(b)，(c)所示的Mn，Ni元素，熔合線附近的焊縫和母材的含量相當，成分變化的波動不大。合金元素之間過渡系數(shù)的差異主要受氧化損失的影響。在1600℃時合金元素對氧親和力由小至大的順序為：Cu，Ni，F(xiàn)e，Cr，Mn，Si，T，Al。焊接過程中，位于Fe元素左面的元素幾乎無氧化損失，只有殘留損失，故過渡系數(shù)大。Mn元素對氧親和力比Fe元素大，氧化損失嚴重，所以過渡系數(shù)較小。

圖1　3#試樣熔合線附近元素線掃描結(jié)果　(a)總體趨勢；(b)Mn元素；(c) Ni元素Fig.1　The element line scan results of 3# sample near the fusion line　(a)general trend；(b)Mn；(c)Ni

2.2合金元素對焊縫奧氏體量的影響

淬火鋼冷卻到室溫會有部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體保留下來，稱為殘余奧氏體。殘余奧氏體的多少取決于母材的淬透性、冷卻方式和高溫時奧氏體晶粒的初始尺寸。由于Mf溫度遠低于室溫，在常溫下必然會在馬氏體附近出現(xiàn)殘余奧氏體。鉻-鎳-鉬系馬氏體不銹鋼在回火過程中部分馬氏體會直接切變成奧氏體，形成所謂的逆變奧氏體。逆變奧氏體從化學成分上與淬火馬氏體相同，具有一定的穩(wěn)定性，這種奧氏體在室溫下甚至更低溫度下都可以穩(wěn)定存在。為了與殘余奧氏體區(qū)別，根據(jù)其形成特點，稱之為逆變奧氏體。根據(jù)FV520B鋼的相變溫度和所采用的焊后熱處理工藝，F(xiàn)V520B鋼焊縫中殘余奧氏體和逆變奧氏體都可能存在。通過對焊縫進行X射線衍射分析，測量焊縫中奧氏體的含量，焊縫的XRD譜圖如圖2所示。由圖2可見，焊縫主要是馬氏體，馬氏體(110)面衍射峰最強，奧氏體(111)面衍射峰較為明顯，不同焊縫的衍射峰的強度也有所不同。選取馬氏體(110)，(200)，(211)峰，奧氏體(111)，(200)峰計算得出焊縫奧氏體含量如表5所示。相對于1#焊縫，增加了Ni含量的2#和增加了Mn含量的4#焊縫，奧氏體含量都有所增加，而2#焊縫的效果更加明顯。同時添加Mn，Ni元素的3#焊縫，奧氏體含量也有較大提高。

圖2　焊縫XRD圖譜Fig.2　XRD patterns of the weld

Noα(110)-γ(111)α(200)-γ(200)α(211)-γ(200)Average1#18.017.719.618.52#22.326.524.424.43#24.224.426.925.24#19.222.620.920.9

實驗中通過藥芯焊絲向焊縫中過渡合金元素Mn，Ni，提高了焊縫中奧氏體的含量。Mn，Ni元素是奧氏體形成和穩(wěn)定元素，降低鋼的As和Ms點。Mn，Ni元素含量的提高，時效時發(fā)生逆轉(zhuǎn)變奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度越低，在相同的時效溫度下得到更多的逆轉(zhuǎn)變奧氏體。Mn，Ni元素能夠穩(wěn)定奧氏體，使焊縫中逆變奧氏體化學穩(wěn)定性增加，含量增多[12,13]。Ni元素奧氏體化效果比Mn元素更好。主要是由于逆變奧氏體的增多與Ni元素的遷移有關(guān)[14]，當回火溫度升至稍高于As點時，逆變奧氏體相的核心就通過切變方式在高Ni區(qū)直接生成，并沿板條界面縱向長大成極細的針條狀逆變奧氏體。另外，由于藥粉中的錳鐵是脫氧劑，在合金過渡時Mn元素被氧化的損失較大，降低了其過渡系數(shù)，從而也影響了焊縫奧氏體的含量。

2.3合金元素對FV520B焊縫組織的影響

采用表2中不同合金元素含量的藥芯焊絲，焊接FV520B鋼后焊縫的微觀組織如圖3所示。圖中試樣均是采用相同的焊后熱處理工藝(1050℃固溶+850℃調(diào)整+620℃回火)。

不銹鋼FV520B經(jīng)1050℃×1h固溶處理后，組織為典型的低碳馬氏體，再經(jīng)850℃×2h的中間調(diào)整處理后，組織為細小的板條馬氏體+少量的殘余奧氏體。在時效過程中主要是沉淀硬化相的析出、馬氏體基體回火、逆變奧氏體的生成等。從圖3中可以看出，經(jīng)過焊后熱處理的焊縫組織主要為回火馬氏體，在焊后時效處理過程中會有逆變奧氏體和二次析出相出現(xiàn)，二次析出相主要分布在晶界和晶粒內(nèi)部，起沉淀強化作用。由于合金元素在焊縫金屬結(jié)晶過程中可形成質(zhì)點，這些形核質(zhì)點促進了液態(tài)金屬的結(jié)晶；合金元素含量越多焊縫金屬結(jié)晶過程中形核質(zhì)點越多，結(jié)晶越快，組織越細小。對比分析不同合金元素添加情況下的焊縫區(qū)微觀形貌，隨著合金元素Mn，Ni的增加焊縫組織更加細小，馬氏體片層更加細小，分布更加彌散。對比圖3(a)和圖3(c)可以看出，添加合金元素Ni，焊縫組織細小致密，焊縫組織中馬氏體片層也不明顯。對比圖3(a)和圖3(d)可以看出，添加合金元素Mn，焊縫中馬氏體片層更加均勻，馬氏體位向更加明顯。對比圖3(a)和圖3(b)可以看出，同時添加合金元素Mn，Ni，焊縫組織明顯細化。由于晶粒細化，馬氏體板條束的大小也隨之細化，晶界構(gòu)成位錯運動的障礙，因而強化效果顯著。晶粒越細，強化貢獻越大。

2.4合金元素對FV520B焊接接頭力學性能的影響

向焊縫過渡合金元素的主要目的是使焊接接頭具有更優(yōu)異的性能。對于FV520B不銹鋼焊接接頭來說，在于保證高的強度的同時，提高焊接接頭的韌性。

圖3　焊縫區(qū)組織微觀形貌　(a)1#；(b)2#；(c)3#；(d)4#Fig.3　The microstructure of welding line　(a)1#；(b)2#；(c) 3#；(d) 4#

然而材料的強度和韌性常常是一對矛盾，增加鋼的強度往往要犧牲其塑形和韌性。

2.4.1合金元素對焊接接頭強度的影響

表6是拉伸實驗結(jié)果，4種藥芯焊絲焊接的接頭抗拉強度都超過900MPa，屈服強度都在800MPa以上。

表6　焊縫的拉伸性能測試結(jié)果

焊縫中添加Mn，Si，Cr，Ni等置換固溶元素進行強化，這些合金元素的強化作用可以疊加，使總的強化效果增大。實驗中藥芯焊絲過渡的Mn，Ni合金元素增加了固溶效果，使焊接接頭的強度達到較高水平。

FV520B不銹鋼時效強化相主要為富銅相(ε-Cu)。在焊縫金屬快速冷卻的過程中，可得到過飽和的固溶體。固溶態(tài)組織中的淬火馬氏體內(nèi)部含有較高密度的位錯亞結(jié)構(gòu)，高密度的位錯和淬火空位有利于Cu的擴散，促進了時效處理過程中富銅相的析出強化。Ni的提高對富銅相的相變和時效長大過程有較大的影響[15]。Ni含量的提高，顯著影響了馬氏體沉淀強化不銹鋼中富銅相的沉淀相變動力學，降低了淬火過程中富銅相的沉淀相變溫度，可以有效地促進富銅相的析出，并且可以使析出相的尺寸變得細小且分布均勻。

2.4.2合金元素對FV520B焊縫韌性的影響

4種不同藥芯焊絲的焊接接頭沖擊功分別為52，68，79，61J?？梢钥闯?，隨著合金元素的加入及其含量的增加，焊縫的沖擊韌度變好。加入適量的合金元素Mn，Ni，可形成更多奧氏體，這對沖擊韌度的提高起到主要作用。3#焊縫的最高，較1#增加了50%左右。在1#藥粉的基礎(chǔ)上，增加5%鎳粉的3#試樣焊縫的沖擊韌度，比增加5%中碳錳鐵的4#試樣焊縫的沖擊韌度更高，鎳粉改善FV520B鋼焊縫韌性的效果更好。和FV520B不銹鋼母材相比，焊縫的沖擊韌度還是明顯較低。焊絲中的雜質(zhì)元素S，P等會偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，從而降低了焊縫的韌性。

圖4所示為試樣焊縫沖擊斷口纖維區(qū)的微觀形貌，可以看出其形貌為等軸狀韌窩，這些韌窩的深度都較淺，且在有些韌窩的底部和解理平臺上可以看出由于第二項粒子與基體脫落而留下的微孔。

對比2#，3#與1#試樣斷口纖維區(qū)的微觀形貌，可以看出加入Ni元素的2#，3#試樣斷口的韌窩更加密集，韌窩大小更加均勻，在小韌窩的底部由于二次析出相脫落而形成的細小微孔數(shù)量也較多。Ni元素的加入增加了焊縫中馬氏體間奧氏體量，其連續(xù)分布在回火馬氏體基體內(nèi)，且十分細小，與回火馬氏體間的彌散度很大，這種形態(tài)的組織使斷口韌窩分布更均勻，數(shù)量更多，從而提高了焊縫接頭的沖擊韌度。

圖4　焊縫沖擊斷口形貌　(a)1#；(b)2#；(c)3#；(d)4#Fig.4　Fracture morphology of the weld metal　(a)1#；(b)2#；(c)3#；(d)4#

3　結(jié)論

(1)FV520B不銹鋼的焊縫組織以回火馬氏體為主，隨著合金元素增加，焊縫組織變得更加細小。Mn，Ni元素能夠有效提高焊縫中奧氏體的含量。

(2)合金元素對焊縫強度的影響較小，但當同時添加Mn，Ni元素時，焊縫抗拉強度和屈服強度得到提高。

(3)Mn，Ni元素能夠通過提高焊縫奧氏體量改善焊縫的沖擊韌度。相對于Mn元素，Ni元素提高焊縫韌性的效果更好。

[1]樊俊鈴, 郭杏林, 吳承偉. FV520B不銹鋼角焊縫接頭的組織和斷裂機理[J]. 材料工程, 2013, (7): 1-5,91.

FAN Jun-ling, GUO Xing-lin, WU Cheng-wei. Microstructures and fracture mechanisms of fillet welded joints of FV520B steel[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, (7): 1-5,91.

[2]JOHN C L,DAMIAN J K.不銹鋼焊接冶金學及焊接性[M]. 陳劍虹，譯. 北京: 機械工業(yè)出版社,2008. 18-32.

[3]ERICH F.不銹鋼焊接冶金[M]. 栗卓新,朱學軍，譯.北京: 化學工業(yè)出版社,2004.19-29.

[4]牛靖,董俊明,薛錦. 沉淀硬化不銹鋼FV520(B)的析出硬化及韌性[J].機械工程學報,2007,43(12): 78-80.

NIU Jing,DONG Jun-ming,XUE Jin.Precipitation-hardening and toughness of precipitation-hardening stainless steel FV520(B)[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,43(12): 78-80.

[5]李昭東,宮本吾郎,楊志剛,等. Mn和Si對Fe-0.6C鋼中珠光體-奧氏體相變的影響[J]. 金屬學報,2010,46(9): 1066-1074.

LI Zhao-dong,MIYAMOTO G,YANG Zhi-gang,et al. Effects of Mn and Si additions on pearlite-austenite phase transformation in Fe-0.6C steel[J].Acta Metallurgica Sinica,2010,46(9): 1066-1074.

[6]SONG Y Y ,LI X Y ,RONG L J,et al. Formation of the reversed austenite during intercritical tempering in a Fe-13%Cr-4%Ni-Mo martensitic stainless steel[J].Materials Letters,2010,64(13): 1411-1413.

[7]BYUN J S ,SHIM J H ,SUH J Y. Inoculated acicular ferrite microstructure and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering： A,2001,38(4): 319-322.

[8]羅靜,陳雪慧,張彪. Ni當量對00Cr13Co9NiMo5馬氏體時效不銹鋼沖擊韌度的影響[J]. 物理測試,2013,31(3): 18-21.

LUO Jing，CHEN Xue-hui,ZHANG Biao.Effect of Ni equivalence on the impact toughness of maraging stainless steel 00Cr13Co 9Ni5Mo5[J]. Physics Examination and Testing,2013,31(3): 18-21.

[9]LIU L,YANG Z.G,ZHANG C.Effect of retained austenite on austenite memory of a 13%Cr-5%Ni martensitic steel[J].Journal of Alloys and Compounds,2013,557(1):654-660.

[10]XIE Z J, YUAN S F, ZHOU W H, et al. Stabilization of retained austenite by the two-step intercritical heat treatment and its effect on the toughness of a low alloyed steel[J].Materials and Design，2014，59：193-198.

[11]LIU Y R,YE D Y,QI L,et al. Effect of heat treatment on microstructure and property of Cr13 super martensitic stainless steel[J]. Journal of Iron and Steel Research,International,2011,18(11): 60-63.

[12]鐘平.Co-Ni超高強度鋼的組織與性能[J].航空材料學報,2003,23(增刊1):14-16.

ZHONG Ping.Microstructure and mechanical properties in Co-Ni ultrahigh strength steel[J].Journal of Aeronautical Materials,2003,23(Suppl 1):14-16.

[13]MUSIYACHENKO V E,KASATKIN O G. Calculating the optimum alloying of the weld metal when welds are made in high-strength low-alloy steels[J].Autom Weld,1976,30(11): 12-15.

[14]張弗天,姜健,宋建先,等. 1Ni9鋼回轉(zhuǎn)奧氏體相變的Mossbauer譜學研究[J]. 金屬學報,1986,22(4): 113-120.

ZHANG Fu-tian, JIANG Jian, SONG Jian-xian,et al.Mossbauer study of transformation of return austenite of 1Ni9 steel[J]Acta Metallurgica Sinica,1986,22(4): 113-120.

[15]楊鋼,王劍星,楊沫鑫. Ni含量對0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼富銅相析出的影響[J]. 材料熱處理學報,2012,33(增刊1): 51-56.

YANG Gang，WANG Jian-xing，YANG Mo-xin. Effect of Ni content on precipitation of Cu-rich phase in 0Cr17Ni4Cu4Nb stainless steel[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2012,33(Suppl 1): 51-56.

Microstructure and Mechanical Properties of FV520BAffected by Austenitizing Elements Mn and Ni

ZHANG Min，LIU Ming-zhi，ZHANG Ming,LI Ji-hong

(College of Material Science and Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Metallographic observation and SEM graphic analysis were applied to the research of the microstructure and mechanical properties of FV520B affected by austenitizing elements Mn and Ni. The results show that the microstructure of FV520B stainless steel is mainly tempered martensite. With the increase of the alloy elements,the microstructure becomes finer. Mn and Ni can effectively improve the content of austenite in the weld. The effect of alloying elements on the weld strength is small,but the tensile strength and yield strength of the welded joint can be improved when the Mn and Ni elements are added. Mn and Ni elements can improve the impact toughness of the weld by increasing the volume of the austenite. Relative to the Mn element,the Ni element improves the weld toughness better.

FV520B martensite stainless steel;austenitizing;alloying element;mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.03.007

TG422.3

A

1001-4381(2016)03-0040-06

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(2013AA031303)；國家自然科學基金(51274162)

2014-07-02；

2015-07-27

張敏(1967—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事焊接成形過程的力學行為及其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的控制、焊接凝固過程的組織演變行為及先進焊接材料研究，聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)金花南路5號西安理工大學材料學院焊接教研室(710048)，E-mail:zhmmn@xaut.edu.cn