不锈钢的焊接热影响区组织特征

1.试验材料和方法

1.1试验材料

选取宝钢不锈钢分公司生产的12%Cr不锈钢板，经过热轧、退火、酸洗后6mm的 No.1板，其成分见表1。

注：含有微量的Ti、Nb合金元素。

1.2 焊接方法

采用的焊接工艺参数见表2。选取在车辆制造厂制造过程中使用的MAG自动焊方法，富氩气体保护（Ar＋2.5%～3%CO ₂），气体流量在16～18L/min，“V”型坡口，坡口角度为45°。焊接材料选用ER308L，直径为1.2mm。

2 试验结果

2.1焊接接头的拉伸性能

2.2 焊接接头的冲击性能

焊接接头的冲击性能结果见图1，从图1中可以看出，随着热输入的增大，熔合线粗晶区（F.L.）和HAZ部位（F.L.+1mm）的韧性均明显下降，这与焊接热输入加大造成粗晶区铁素体晶粒粗化以及粗晶区宽度增大密切相关。同时，焊接接头熔合线部位的冲击性能也要低于同接头的HAZ部位。

3 讨论

3.1 焊接接头热影响区组织

焊接接头主要由焊缝、焊接热影响区（熔合线、粗晶区、细晶区）组成，作为焊接接头作为薄弱的焊接热影响粗晶区，其组织种类为分布在晶界上黑色的马氏体和白色的铁素体，见图2。可见随着热输入从0.6KJ/mm增加到0.78KJ/mm，首先是粗晶区的宽度增加，平均宽度由0.3mm增加到0.45mm；其次是粗晶区铁素体平均晶粒度大小也会由3级到1.5级；第三，分布在晶界上马氏体的量也会发生一定程度的变化。综合作用条件下，表现在热输入较小的焊接热影响区的冲击性能优于较高的，如图1所示。

高倍下观察的晶界马氏体照片见图3，可见均为板条状马氏体，这和该类不锈钢的C、N含量（200～400ppm）较低密切相关，显微硬度测试结果表明，该马氏体的显微组织硬度在280-300HV5。

通过Thermol－cal软件的计算得到该类钢种的温度－相组织图，见图4。该类不锈钢在1100℃－1300℃之间是由δ（α）＋γ两相组织组成的，在焊接快速加热及冷却的条件下，高温下形成的奥氏体最终会转变成马氏体，即在焊接热影响粗晶区晶界上会出现黑色的低碳板条马氏体的原因。在焊接热影响区峰值温度条件下，奥氏体的出现无疑将在一定程度上限制了δ铁素体的快速长大。因为随着温度的降低，奥氏体在冷却过程中将转变为马氏体时，也将带来一定程度的相变膨胀，对被其分割的铁素体晶粒长大而言，具有一定的阻碍作用，一定程度上抑制的高温铁素体晶粒的长大。这与文献[1]阐述的铁素体不锈钢焊接接头韧性改善的措施也是吻合的。但是，是不是粗晶区马氏体含量越多越好？以及马氏体含量到底和什么影响因素相关呢？

粗晶区马氏体的含量和母材成分体系中的C、N、Ni等奥氏体形成元素的含量以及Cr、Ni比密切相关。同样铁素体形成元素含量情况下，奥氏体形成元素的含量越高，即Cr/Ni比越高，则焊接热影响区粗晶区域形成的马氏体含量越高。但理论分析认为，低碳马氏体的形成，对于粗晶区裂纹扩展能量的需求也将提高。裂纹在粗晶区扩展过程中一方面需要穿越M和F两相的晶界，另一方面在M晶界中扩展时也将不定的改变方向，这些因素都将增加裂纹扩展所需要的能量，宏观表现即冲击吸收功的提高。过高的奥氏体虽然在抑制铁素体晶粒长大具有一定的作用，但是其冷却形成的马氏体仍是脆性相，尤其当其固溶C含量较多时，脆性倾向更为明显。因此，采用C来提高粗晶区马氏体的含量不是一个最佳的选择。既是奥氏体形成元素，同时又对韧性具有突出贡献的Ni的增加也能使马氏体含量增多，但是由于Ni的价格原因以及12%铁素体不锈钢的市场定位，提高Ni含量，虽然可以提高焊接接头组织中马氏体的含量，从而一定程度上改善接头的韧性，但这不是一条最佳的途径。因此，主要研究目标可以考虑其他奥氏体形成元素，如Mn、N等元素的含量。同时注意，随着粗晶区马氏体含量的增加，降低材料的韧脆转变温度，即韧性性能有所提高，但当达到90%比例时，将达到一个最高值；进一步增加马氏体含量，韧性将随之下降 ^[2]。过多的马氏体也将使得其韧性下降。因此，为了改善12%Cr铁素体不锈钢焊接接头粗晶区韧性性能，在焊接接头形成一定数量的马氏体是必须的条件之一。

因此，为了更好地控制焊接热影响粗晶区的韧性性能，一方面控制母材成分体系中铬镍当量比，不影响材料腐蚀性能基础上，尽可能降低材料的铬当量，从而提高焊接热循环条件下的马氏体含量；其次利用碳氮化物析出颗粒的钉扎作用，也在一定程度上抑制了CGHAZ铁素体晶粒的长大。

3.2 微量元素的作用分析

Ti和Nb都是强烈的碳氮化物形成元素，通常作为稳定化元素加入铁素体不锈钢，通过与C、N结合形成Ti（C、N）或者Nb（C、N），利用稳定形成的碳氮化物，提高钢种本身抗晶间腐蚀的能力。通过Thermol－cal相图计算分析，发现Ti和Nb的化合物在钢中析出的温度是不同的，见图6，其中Ti（C、N）能够在1500℃以上的液态中形成并析出，而Nb（C、N）在930℃从基体中析出。因此，从抑制铁素体晶粒长大倾向的角度，Ti的作用优于Nb，Nb更多的表现在利用析出强化的作用提高材料的抗拉强度性能上。通过扫描电镜观察发现，在粗晶区晶界边缘处有很多的Ti（C、N）颗粒，对于高温条件下铁素体晶粒的长大具有很好的抑制作用，能有利于铁素体不锈钢焊接热影响粗晶区韧性的改善。

4 结语

（1）随着热输入的增加，12％Cr铁素体不锈钢热影响区粗晶区的晶粒度、宽度增加，冲击韧性下降。为改善热影响区的韧性，应采用适当小线能量输入的焊接方法。

（2）超低碳、氮的12％Cr铁素体不锈钢在焊接热影响粗晶区将形成板条状的低碳马氏体，一定量的马氏体含量可以抑制铁素体晶粒的长大；采用合适的奥氏体化形成元素，以降低母材成分体系中铬镍当量比值，获得具有最佳性价比的组织组成。

（3）微合金元素Ti和Nb在铁素体不锈钢中析出温度不同，从抑制晶粒长大作用而言，Ti的作用优于Nb；Nb对提高12%Cr铁素体不锈钢强度有一定作用。