基于相图的12%cr铁素体不锈钢焊接热影响区的研究

基于相图的12%cr铁素体不锈钢焊接热影响区的研究

0不锈钢钢种特性及焊接热影响区分析这类钢最初由美国开发，在12%的铬铁素中发展。由于含有12%的铬，耐候性优于电影行业，如sandivik5cmr12、nista4003、中国ts35等。这类钢是根据12%的铬铁素重铬钢发展而成的。由于含有12%的铬，其耐候性远高于低合金高钢q50。为了提高12%cr铁素重旭二醇的焊接性和高的间隙敏感性，通常添加了ni和ti等元素。不同的工厂的生产工艺。2006年，中国在c80b铁路车辆的c80b模式下使用了大量的cs35。在产品的开发和应用过程中，发现了许多问题发生在ct35。通过对sd345钢型特征的分析，本文分析并研究了sd35的焊接热影响区域的组织变化机制，并提出了提高焊接接头的耐性措施。1试验材料及设备采用宝钢生产的6mm厚TCS345不锈钢热轧酸洗退火的No.1板材,板材的实际成分见表1,力学性能见表2.表2中性能数据为平均值,横向为垂直于轧制方向,纵向为平行于轧制方向,冲击试样尺寸为55mm×10mm×5mm,冲击温度为-40℃.其中母材的纵向拉伸性能低于横向,这是由于此钢种在轧制过程中铁素体晶粒织构取向造成的.采用熔化极自动气体保护焊,工艺参数为焊接电流210～230A;电弧电压24～26V;焊接速度300～600mm/min.保护气体为氩气和2.5%～3%CO2,气体流量为16～18L/min,V形坡口,坡口角度为60°.焊接材料为直径1.2mm的ER308L.金相试样的腐蚀试剂为FeCl3溶液.2试验结果与分析2.1焊接热影响区组织中马氏体的变化12%Cr不锈钢是一种经济型不锈钢,其不但具有优良的耐大气腐蚀性能,而且性价比较高,目前文献资料有称之为铁素体不锈钢,也有称之为铁素体+马氏体双相不锈钢,导致此现象的出现与不同不锈钢企业生产该类不锈钢的工艺密切相关.利用Thermal-cal软件得出此钢种相图(图1),同Fe-Cr二元相图不同,由于少量Ni元素的加入,使得奥氏体区域右移扩张,表现在相图上即850～1100℃为奥氏体单相区.700～850℃,1100～1300℃之间为奥氏体+铁素体双相组织.奥氏体单相区的存在意味着在一定冷却速度下,如果没有完成γ向α铁素体的转变,将有一部分奥氏体保留下来,在Ms转变温度460℃左右发生马氏体转变,Mf温度大约在380℃.由于焊接过程是极不平衡的加热和冷却过程,因此高温形成的奥氏体在冷却过程中将有一部分转变形成马氏体.TCS345不锈钢的使用状态为热轧、退火、酸洗态.退火温度以及保温时间、出炉时间将决定母材的最终组织.在合适的退火温度和时间内,奥氏体能够充分转变成铁素体,母材为全铁素体组织,否则将为铁素体+马氏体双相组织,宝钢生产的TCS345不锈钢母材为铁素体组织.在钢种的研发初期,钢板的碳+氮大约为0.04%～0.05%,为了改善此类钢种的焊接性,防止焊接热影响区出现晶间腐蚀,添加一定量的稳定化元素Ti,利用Ti与C,N元素极强的结合性,使C与Cr元素不易形成碳化物,降低形成贫铬区的倾向,避免焊接热影响区腐蚀性能下降.但是由于焊接过程是一个极不平衡的热、冶金过程,在焊接热影响区将出现以粗晶区(CGHAZ)、细晶区(FGHAZ)为主的两部分区域,如图2a所示.也有研究者将粗晶区称为高温热影响区(HTHAZ),细晶区称为低温热影响区(LTHAZ),粗晶区是由白色的铁素体(F)以及分布在铁素体边界的黑色马氏体(M)组成,如图2b所示.粗晶区以及细晶区都是由受热粗化的铁素体晶粒以及在晶粒边界上的马氏体组成,粗晶区中组织形貌在光学显微镜下即可区分,而细晶区则需借助扫描电镜,如图3所示.试验证明,马氏体形成的多少与母材成分体系密切相关.为了预测焊接热影响区组织中马氏体的含量,通常采用铁素体当量,即WKff进行预测.WKff=Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb-2Mn-4Ni-40(C+N),WKff越大,在快速冷却过程中形成的马氏体含量越少.当WKff大约为13.5时,将为全铁素体组织.WKff与马氏体之间的对应关系见图4.当C,N元素含量有显著变化时,图4所示的关系并不一定准确.经过多次不同合金成分的碳、氮研究得出,当碳+氮在0.015%～0.025%时,WKff与马氏体含量变化趋势如图4中试验结果所示的曲线.同已有资料数据相比,当母材碳+氮在0.015%～0.025%时,焊接热影响区马氏体含量稍低于碳+氮在0.046%时马氏体含量,这与碳、氮作为强奥氏体形成元素的含量变化密切相关.转变形成的奥氏体减少,必然导致焊接冷却后马氏体含量的降低.2.2铁素体晶粒尺寸铁素体不锈钢焊接后由于焊接热循环的作用导致焊接热影响区铁素体晶粒的急剧长大,从而降低接头的韧性性能是这类钢种的特性之一.3CR12及TCS345也具有同样的使用特点.12%Cr不锈钢的焊接热影响区韧性主要取决于铁素体晶粒尺寸以及马氏体含量.粗晶区作为接头最为薄弱区,为了最大程度的抑制焊接接头韧性性能的下降,控制粗晶区的铁素体晶粒的尺寸以及晶界,马氏体的含量将是改善12%Cr不锈钢接头韧性的关键.无论3CR12,Nirosta4003还是TCS345,在母材成分体系中均加入一定量的钛,钛的作用除了前述改善焊接接头的腐蚀性能外,对于抑制铁素体晶粒的长大也将具有一定的促进作用.Ti与C,N元素形成的Ti(C,N)颗粒也是非常重要的第二相组织,其形貌见文献.尤其形成的TiN的熔点高达1550℃以上,能稳定的存在于液相中.弥散分布的TiN颗粒在液相将为更多的铁素体晶粒形成提供形核核心,降低其形核自由能,从而细化铁素体晶粒的尺寸.在高温热循环的作用下,遍布在晶粒边界的TiN将抑制铁素体晶粒边界的扩展,具有钉扎作用,抑制了铁素体晶粒的长大.由于TiN是典型的块状颗粒,其尺寸过大也会对基体的韧性带来负面作用,表现在当受到外力作用时,裂纹往往会首先沿着颗粒与基体的结合面处产生并扩展,降低裂纹产生及扩展所需要的能量,表现在基体的冲击韧性下降.因此钢种在冶炼时,必须控制形成TiN的颗粒尺寸,结合文中钢种的研究认为,Ti(C,N)颗粒控制在2～5μm时,具有最佳的母材组织性能,碳、氮化物分布情况见图5.马氏体形成于奥氏体冷却过程中的转变,在焊接热影响粗晶区,1300℃以上,将为全铁素体晶粒.随着温度的降低,在边界上将形成奥氏体,温度越低,铁素体转变形成奥氏体的量越多.焊接是极不平衡的过程,相变奥氏体在冷却过程中往往不会有充足的时间完成铁素体转变,将有一部分形成马氏体.焊接热影响区中马氏体的含量以及形态与母材成分体系密切相关,对于具有超低碳氮铁素体的不锈钢,将形成具有板条结构的马氏体组织.研究表明,马氏体的形成对抑制铁素体晶粒的长大具有一定的作用.但是马氏体组织毕竟是一种脆性相,这种脆性相随着其固溶的碳浓度降低而有所改善.因此在研制TCS345钢种时,采用超低碳氮设计思路也是为了改善马氏体的韧性进行考虑的.在3CR12研究中,得出马氏体含量、铁素体晶粒尺寸与韧脆转变温度(DBTT,即冲击韧度为30J/cm2时的转变温度)的关系,DBTT温度将随着马氏体含量的增加而提高,随着铁素体晶粒尺寸的减小而降低.当马氏体含量达到90%,3CR12的DBTT温度将达到最高105℃;晶界马氏体含量的进一步增加,将抑制高温铁素体晶粒的长大,从而降低其DBTT温度.因此为了使焊接热影响最为薄弱的粗晶区具有较低韧脆转变温度,必须控制母材成分体系中的C,N等奥氏体元素的含量,从而降低粗晶区中马氏体的含量.但粗晶区马氏体含量也不是越低越好,因为纯铁素体晶粒将会是韧性最差的一种状态.大量试验研究得出,当母材碳+氮含量在0.02%左右,粗晶区具有40%马氏体含量,此时热影响粗晶区具有最为优化的焊接接头性能.在上述试验条件下,当热输入为0.65kJ/mm,母材成分中碳+氮含量为0.0191%,其焊接接头粗晶区部位冲击韧性试验结果如图6所示.由于冲击件尺寸为55mm×10mm×5mm,是标样的一半,因此按照挪威船级社规范中半标准试样冲击吸收功是标准试样的0.67换算关系,即冲击韧度达到20J/cm2(相应的冲击吸收功为16J)时的温度作为DBTT,上述条件下的母材焊接接头最为薄弱的粗晶区韧脆转变温度为-22℃,远远低于碳+氮为0.04%～0.05%的12%Cr铁素体不锈钢焊接热影响区的韧脆转变温度,因此采用超低碳氮冶炼技术生产的12%Cr铁素体不锈钢具有较好的焊接接头韧脆转变温度.3铁素体晶粒尺寸对焊接热的影响(1)12%Cr铁素体不锈钢的热影响区由铁素体和马氏体以及碳、氮化