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奥氏体钢焊接区域的金相组织及扫描电镜分析
魏 星 刘德镇
(山东工业大学材料科学与工程学院 济南 250061)
摘 要 采用金相、扫描电镜(SEM)等试验方法,分析了奥氏体不锈钢焊接区域显微组织的变化,特别是对焊缝中δ2铁素体的含量和分布形态进行了研究,为焊接生产中奥氏体钢焊接接头区的晶间腐蚀、热裂纹等问题的解决提供了实验依据.
关键词 奥氏体不锈钢;δ铁素体;焊缝组织/结晶形态
0 前言
奥氏体不锈钢具有优异的抗腐蚀性、良好的高温抗氧化性和低温韧性,具有很高的经济价值.国内外众多研究者对铬2镍奥氏体钢焊缝中δ2铁素体含量对焊缝性能的影响进行过大量的试验研究[1～3].一般认为,奥氏体钢在焊接中存在的问题主要有:焊接接头区的晶间腐蚀、应力腐蚀开裂及含Ni较高的单相奥氏体钢焊接接头的热裂纹等[4].这些问题都与奥氏体钢焊接区域的显微组织结构有关.本文采用金相、电镜(SEM、TEM)和X2射线衍射等试验手段研究了奥氏体钢焊接区域中δ2铁素体的形态分布、含量等,为解决奥氏体钢焊接接头的一系列问题提供了实验数据.
1 试验材料及方法
试验母材为18-8奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti),试板厚度为8mm.试验母材的化学成分和机械性能见表1.取四对奥氏体钢板,清除表面氧化物及油污,焊接接头处开单面V型坡口,坡口角度为60°.采用手工电弧焊(SMAW)进行焊接.电焊条型号为E0-19-10-16,焊条直径Φ3.2mm,焊接电流I=95105A,焊接电压U=2528V,电流种类为交流弧焊电源.其中两块对试板单面对接焊,两块试板双面对接焊,焊后垂直于焊缝截成宽度为10mm的试块,制成金相试样,采用王水溶液作为金相腐蚀剂.制备扫描电镜试样和X射线衍射试样.
用线切割机将奥氏体钢母材和焊接热影响区切下厚0.5mm的薄片.对焊接区薄片用王水溶液侵蚀,显示出熔合区将薄片在砂纸上磨至50μ,再用离子减薄仪在氩气介质中减薄至30μ.从薄片试样上截下Φ=3mm的圆片,即可进行透射电镜观察分析.
取焊接区金相试样在管式电炉中加热至750℃保温24h,随炉冷却,取出后在苛性赤血盐溶液中煮沸24分钟,然后在金相显微镜下观察σ相析出程度.
2 试验结果及分析
2.1 焊接区显微组织
对18-8奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)单面焊、双面焊焊接区域在显微镜下观察的结果表明,两种试样焊接区域的组织特征相似典型组织形态见图1a.几种类型的铁素体形态(蠕虫状、板条状的、骨架状的)共存于18-8奥氏体不锈钢焊缝中,且不同位置处各种铁素体形态所占比例不同.在焊缝中心以骨架状铁素体为主,偏离中心处以板条状铁素体为主,而在熔合区附近则以蠕虫状铁素体为主.板条状铁素体由奥氏体晶界向奥氏体晶内生长,板条间相互平行.熔合区靠近焊缝一侧,由于冷速快而形成大量蠕虫状铁素体,δ2铁素体含量很少,奥氏体晶粒较粗大,可观察到杂质和析出物被轧制成带状的形态见图1b.焊接处有一条条状夹杂物带,可能会成为裂纹萌生处.
a.
b.
图1 奥氏体钢焊接熔合区附近的显微组织,200×
2.2 Cr、Ni含量对焊缝组织的影响
研究表明,奥氏体不锈钢焊缝中的显微组织是由结晶方式及铁素体向奥氏体转化的固态相变共同决定的,而结晶方式和固态相变最终随着Creq/Nieq和冷速的增加,奥氏体钢焊缝中的铁素体形态由骨架状向蠕虫状过渡.虽然受到由于元素偏析而造成的局部Creq/Nieq不同的影响,但主要原因是由于焊缝不同位置处冷速不同所致.焊缝中部冷速最慢,温度梯度小,δ-铁素体以图2a所示的骨架状为主;焊缝偏离中心处冷速慢,铁素体以蠕虫状为主.由以上观察可知随距焊缝距离的增加,δ-铁素体含量减少.
为了更清楚地观察焊缝中的组织形态,对奥氏体焊缝作了扫描电镜试验,图2b所示为焊缝放大(1500)倍的扫描电镜组织,可以清楚地看出奥氏体晶粒及沿奥氏体晶界分布的δ-铁素体的特征.
a.400× b.1500×
图2 奥氏体钢焊缝中δ-铁素体的分布形态(SEM,400×,1500×)
对奥氏体晶内及晶界进行扫描电镜能谱分析,以确定奥氏体和δ-铁素体成分的差别,测定点位置见图3,能谱分析结果为:
A点—奥氏体中:
Cr19.40%;Fe72.08%;Ni8.52%.
B点—δ素体中:
Cr21.95%;Fe71.04%;Ni7.01%.
二者相比可以看出,Fe含量相差不大,而奥氏体较铁素体中相对贫Cr而富Ni.这也表明了Creq/Nieq将影响焊缝的室温组织.
2.3 焊缝中的析出物分析
试验中发现,奥氏体钢焊缝在经过高温处理或时效处理时将有σ相和M23C6析出.对焊接区金相试样在管式电炉中进行750℃保温24h的加热处理,试样随炉冷却后用苛性赤血盐溶液煮沸24分钟.在显微镜下观察,可看
到光亮绿色的奥氏体基体上分布着淡黄色的铁素体和大量黑色析出物.这些析出物分布是不均匀的,有些晶界存在,有些晶界不存在.还可以观察到有些析出物由铁素体组织转变而成,有的是由奥氏体组织部分转变而成.根据σ相形成的机理,σ相是形核控制其形成速率的,一旦形核,σ相长大很迅速,δ铁素体可能全部转变为σ相,而不会出现δ铁素体部分转变为σ相的情况.可以推知,由铁素体部分转变而成的析出物可能为M23C6,由铁素体完全转变而成的析出物可能为σ相.由σ相和M23C6析出的TTT曲线可以看出,σ相析出比M23C6要缓慢得多.σ相结构是包括32个原子的大的正方体结构,所以很易理解为什么这个复杂结构的形成可能会很缓慢.其次是很难形成σ相,因为σ相晶粒中含有大量堆躲层错,这表明,形成完整的σ相晶格非常困难,这是转变缓慢的重要原因.对奥氏体钢焊接区域及母材进行X射线衍射.将X射线衍射分析结果与粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)公布的标准值进行对比,实测衍射峰所对应的晶面间距与JCPDS公布的对应相的晶面间距标准基本吻合.由此可知奥氏体钢焊接区域及母材中都以奥氏体为主要组成相,其次是铁素体相和微量的其它相.但相对来说,焊缝中铁素体含量比母材中高些,这与金相观察的结果相一致.
电镜观察区发现,在奥氏体钢焊缝和HAZ的奥氏体晶粒内部都存在少量马氏体,但其数量很少,焊缝中的马氏体组织中位错亚结构很少,HAZ的马氏体中的位错亚结构比焊缝中的多.
3 结论
(1)用E0-19-10-16焊条焊接奥氏体不锈钢时,焊缝中多种铁素体形态(板条状、带状、蠕虫状和骨架状)共存,焊缝中以骨架状铁素体为主,熔合区附近以蠕虫状铁素体为主.随距焊接熔合区距离的增加,焊缝中铁素体含量相对增多.
(2)奥氏体钢焊接接头不同区域中的铁素体含量不同,焊缝中的相对较多,焊接热影响区中相对较少,母材中的铁素体量更少.
(3)奥氏体钢焊缝中δ-铁素体的分布形态取决于熔敷金属的成分,主要是受Cr、Ni等元素的影响.结晶过程的微观偏析和固态相变过程中的扩散使晶界和晶内、奥氏体和铁素体中的Cr、Ni浓度存在较大差异.
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