國旭明, 柳春恕, 袁進偉

(1.沈陽航空航天大學材料科學與工程學院,沈陽 110136;2.沈陽哈維爾表面工程技術有限公司,沈陽 110041)

近年來,由于稀有金屬鎳、鉬等價格的上漲,導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構,除了具有良好的強度、磁性和耐磨性能外,還具有中等的耐腐蝕性能,特別是耐氯化物應力腐蝕和點蝕的性能優(yōu)異[2,3],是車輛、家用電器、廚房設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,焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)金屬的鐵素體晶粒的長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,實驗發(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]對比研究了激光焊和TIG焊工藝對17%Cr鐵素體不銹鋼焊接接頭組織及性能的影響,結果表明,與激光焊相比,熱輸入大的TIG焊使熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的晶粒粗化嚴重,降低了鐵素體不銹鋼焊接接頭的塑性。針對鐵素體不銹鋼焊接時由于晶粒粗化而導致的性能下降問題,通過減小焊接熱輸入的途徑只能在一定的范圍內得以改善。而要從根木上解決問題,則要通過調整母材的成分才能達到改善性能的目的。因此,本研究采用TIG焊對含Nb元素和不含Nb元素的兩種鐵素體不銹鋼進行了焊接實驗,以研究焊接熱輸入和微合金元素鈮對鐵素體不銹鋼TIG焊接頭組織和性能的影響。

1 實驗材料及方法

實驗采用自制的含Nb元素和不含Nb元素的兩種Cr16鐵素體不銹鋼,厚度為1mm,其化學成分示于表1。焊接設備采用美國生產的Miller氬弧焊機,進行不填絲平板對接焊,保護氣體為純度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。拉伸試驗在AG-250KNE電子拉伸試驗機上進行,拉伸速率為2mm/min。金相試樣經過研磨和拋光后,用 10%的草酸溶液電解腐蝕,然后用OLYMPUS-GX71光學金相顯微鏡對焊接接頭的顯微組織進行觀察和分析。

2 實驗結果與討論

2.1 焊接熱輸入對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?？梢?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的扁平狀沿軋制方向分布,晶粒較粗大。熱影響區(qū)包括細小的等軸晶區(qū)和粗晶區(qū)(圖 1a)。等軸晶區(qū)的形成是由于焊接過程中遠離熱源的焊接熱影響區(qū)受到電弧熱的影響較小,溫度相對較低,母材的鐵素體晶粒發(fā)生了恢復和再結晶,被拉長的晶粒通過重新形核、長大形成了均勻、細小的等軸晶。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重過熱,而發(fā)生明顯的長大,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)生結晶方式向焊縫中心生長,當接近焊縫中心時,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 鐵素體不銹鋼化學成分(質量分數(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?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大。這是由于隨著焊接電流的增加,焊接熱輸入增大,焊接時的峰值溫度和高溫停留時間增加的結果。根據(jù)文獻[6]可知,鐵素體鋼焊接時,熱影響區(qū)晶粒的大小與加熱溫度和高溫停留時間存在如下關系：

式中,D為經過加熱后晶粒尺寸,D0為原始晶粒尺寸,△t為從峰值溫度降到 900℃時的時間,T (t)為加熱過程的溫度是時間 t的函數(shù)?？梢?隨著加熱溫度的升高和高溫停留時間的增加,熱影響區(qū)的晶粒尺寸越大。而焊縫區(qū)柱狀晶的長大歸因于兩個因素,一是焊接電流的增加,導致熱影響區(qū)的過熱區(qū)晶粒粗化,從而使之與其聯(lián)生結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,過冷度減小,也促進了焊縫柱狀晶的粗化。

2.2 微合金元素Nb對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。這是因為鐵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點在焊接加熱時具有釘扎晶界的作用,阻礙鐵素體晶粒的長大;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,具有強烈的拖曳晶界移動的能力[7,8]。因此 Nb的這種雙重作用,細化了焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的鐵素體晶粒。與此同時,由于粗晶區(qū)晶粒的細化,使之與其聯(lián)生結晶的焊縫柱狀晶的形核質點數(shù)量增加,也產生了明顯的細化效果。

圖2 電流為75A時不含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焊接頭的拉伸實驗結果。可以看出,對于不含 Nb元素的鐵素體鋼當焊接電流由65A提高到75A時,焊接接頭的抗拉強度由397.9MPa降低到386.3MPa,同時伸長率也由9.7%減小到9.0%。當鐵素體鋼中添加少量的Nb元素后,在相同的焊接熱輸入下,抗拉強度由386.3MPa提高到408.7MPa,伸長率也由9.0%增加到9.5%。上述實驗結果是與它們焊接接頭的顯微組織變化密切相關的。根據(jù)Hall-Petch公式,金屬的晶粒度越大,其強度和塑性、韌性越低。由于不含Nb的鐵素體鋼對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,因此導致了焊接接頭強度和塑性的降低。當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,可以強化鐵素體基體,同時Nb與C、N原子形成的NbN,Nb(C,N)等彌散的第二相質點,可起到沉淀強化的作用。因此含 Nb鐵素體鋼焊接接頭的強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,通過釘扎晶界和拖曳晶界移動的雙重作用,降低了粗晶區(qū)和焊縫區(qū)中鐵素體晶粒的長大程度,提高了焊接接頭的強度和塑性。

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