熱輸入對445J2超純鐵素體不銹鋼焊接接頭顯微組織和力學性能的影響

張婷婷,王文先,閆志峰,王志斌,張心保

(1. 太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024; 2. 山西太鋼不銹鋼技術股份有限公司,太原 030002)

熱輸入對445J2超純鐵素體不銹鋼焊接接頭顯微組織和力學性能的影響

張婷婷1,王文先1,閆志峰1,王志斌2,張心保2

(1. 太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024; 2. 山西太鋼不銹鋼技術股份有限公司,太原 030002)

研究了不同熱輸入445J2超純鐵素體不銹鋼TIG焊焊接工藝。設計三組熱輸入分別為低熱輸入(1.67 J/mm),中熱輸入(1.75 J/mm)和高熱輸入(1.95 J/mm),系統地分析了接頭組織和力學性能。結果表明:接頭焊縫均由中心等軸晶和外圍柱狀晶組成,HAZ均為粗化的等軸晶;低熱輸入接頭的靜載拉伸強度最高;拉伸試樣斷裂位置均位于接頭柱狀晶區;隨著熱輸入的增大,拉伸斷裂機理由韌窩斷裂向準解理轉變;對彌散分布的第二相SEM和EDS分析,其成分為Ti或Nb的氮化物,有利于焊縫中心柱狀晶向等軸晶的轉變。

熱輸入;超純鐵素體不銹鋼;顯微組織;斷口形貌;力學性能

近年來,鐵素體不銹鋼作為結構和功能材料已被逐漸應用研究于多種環境中,其中包括汽車工業、建筑物的裝飾材料等。由于其在Cl離子環境中具有良好的耐應力腐蝕開裂性能,被應用于海水環境下的熱交換器[1]。超純鐵素體不銹鋼是將C、N含量控制在極低水平,且加入Ti、Nb、Cu、Al等微量元素,以改善其性能。在汽車排氣系統和太陽能熱水器等領域有很大的應用前景[2-5]。焊接是用于不銹鋼加工的重要加工工藝[6]。其中,熔化焊工藝簡單、成本較低,被廣泛應用于多個領域。因此焊接接頭冶金變化備受各專家、學者關注。然而,由于鐵素體不銹鋼在焊接加熱熔化過程中無相變,導致鐵素體晶粒易粗化,由此引發了接頭性能下降問題[7-9]。

445J2是采用VOD精煉工藝將C、N含量嚴格控制在極低的水平,并通過添加微量Mo、Nb、Ti和N等穩定化元素研發出的一種經濟型超純鐵素體不銹鋼。

目前,國內外學者對不銹鋼的研究多集中于奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼上和409、430等普通鐵素體不銹鋼焊接的研究[10-13]。本文系統分析了不同熱輸入445J2超純鐵素體不銹鋼薄板接頭組織和性能,為材料優化及工程應用提供依據。

1 實驗方法

實驗材料選用1.2 mm的445J2超純鐵素體不銹鋼薄板,其化學成分見表1所示。其顯微組織為單一的鐵素體組織,其組織形態為不規則的多邊形形貌,如圖1所示。其平均晶粒尺寸約為35 μm。

表1 445J2 FSS化學成分(質量分數%)

施焊前,用丙酮擦拭試樣待焊部位的油污和水份等雜質,以避免產生氣孔等焊接缺陷。焊接設備選用直縫TIG焊機,保護氣體為99.99%的純Ar。焊接工藝通過改變焊接速度實現三組不同熱輸入。具體工藝參數見表2所示。實驗過程中發現,當速度大于780 mm/min時,會出現未焊透缺陷;當速度小于666 mm/min時,會出現燒穿缺陷。

表2 對接接頭的工藝參數

線切割截取接頭試樣用于制作金相試樣,再經砂紙打磨、拋光和腐蝕(腐蝕試劑為王水)后,用金相顯微鏡和掃描電鏡SEM對四組不同熱輸入獲得的焊接接頭顯微組織和析出的第二相粒子進行觀察、分析。

靜載拉伸實驗在萬能試驗機上進行,拉伸試樣的尺寸示意圖見圖2所示。拉伸速率為0.5 mm/min。

圖2 拉伸試樣幾何尺寸(mm)

2 實驗結果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織特征

分別對三組熱輸入試樣接頭金相試樣在光學顯微鏡下觀察。焊縫組織均由中心等軸晶和外圍柱狀晶組成,HAZ均為粗化的等軸晶。其中接頭柱狀晶區和HAZ典型組織如圖3-5所示。分別測量熱

影響區鐵素體晶粒的平均晶粒尺寸(具體測定方法參照GB/T6394-2002[14]中直線截點法)和柱狀晶區組織的長寬比,將得到的結果繪制出如圖6所示的曲線。根據圖中曲線的變化趨勢可知,445J2不銹鋼焊接過程中晶粒長大對熱輸入非常敏感。隨著熱輸入的增大,接頭熱影響區組織和柱狀晶組織(長寬比)尺寸均增大;熱輸入從1.67 J/mm分別增加4.8%和16.8%時,HAZ平均晶粒尺寸分別增加25.0%和45.8%,柱狀晶的平均尺寸分別增加33.3%和100.0%。熱輸入越小,冷卻速度越快,溫度梯度越大,柱狀晶組織長大時間越短,柱狀晶組織的長寬比越小。Kumar et al[15]的研究中得到了相似的結論,即隨著熱輸入的增加,焊縫組織及熱影響區組織的晶粒尺寸均增大。

對接頭中析出的第二相粒子進行掃描(SEM)和能譜(EDS)分析,得到的結果如圖7所示。由此可知,在焊縫中的晶粒內和晶界出有細小的第二相粒子析出,如圖7-a所示。對能譜曲線分析可知,為Ti或Nb的氮化物,該析出相可增加形核點[16-17],既有利于抑制柱狀晶生長、細化晶粒,也可起到沉淀強化的作用,提高接頭性能[18-19]。

焊縫中心等軸晶形成有以下兩方面因素:一是隨著柱狀晶的發展,經過散熱,熔池中心的液態金屬溫度全部降到熔點以下而滿足形核的要求,于是在整個液體中同時形核。此外,在熔池凝固到中心時散熱會失去方向性,晶核在液體中自由生長,在各個方向的長大速率基本相同,于是在焊縫中心會形成等軸晶。隨著焊接熱輸入的增大,冷卻速度減小,熔池中心的過冷度越小,越不利于等軸晶的形成;二是焊縫中心的液態金屬中可能存在一些雜質元素,如金屬Ti元素易在熔池中形成難溶化合物,在凝固過程中作為不均勻形核質點,這也可由圖7得到佐證。

圖3 焊接接頭典型微觀組織

圖4 焊接接頭典型微觀組織

圖5 焊接接頭典型微觀組織

圖6 不同熱輸入接頭晶粒尺寸信息

圖7 焊接接頭中析出相的SEM和EDS

2.2 接頭拉伸性能

對不同熱輸入焊接接頭進行了橫向靜載拉伸實驗。每組熱輸入接頭拉伸均做三個試樣,拉伸實驗結果取三組實驗結果的平均值,并與母材的拉伸實驗結果進行對比分析,見表3所示。

表3 拉伸實驗結果

圖8 拉伸斷口的微觀組織(一側)

低熱輸入焊接接頭的拉伸性能最好,抗拉強度、伸長率分別為475.93 MPa、29.00%;中熱輸入焊接接頭次之,分別為457.87 MPa、28.50%;高熱輸入焊接接頭最差,分別為436.57 MPa、27.53%。此外,拉伸試樣的斷裂位置均位于焊接接頭,且位于接頭的柱狀晶區,如圖8所示。接頭的柱狀晶組織在靜載拉伸力的作用下,變形成拉長的柱狀晶形態,對應拉伸后的接頭宏觀現象即出現一定的縮頸現象。說明445J2鐵素體不銹鋼TIG焊焊接接頭的強度低于母材的強度,且有一定的塑性。這主要是由于焊接接頭柱狀晶有明顯的方向性,垂直于熔合線(散熱最快的方向)生長,即平行于拉伸載荷方向,其承載能力明顯低于各向異性的母材等軸晶。低熱輸入、中熱輸入和高熱輸入焊接接頭系數[(接頭抗拉強度/母材抗拉強度)×100]分別為96.89%、93.21%和88.89%。

分別對三組焊接接頭拉伸斷口進行掃描分析,如圖9-11所示。對比三組圖可知,低熱輸入焊接接頭的拉伸斷口形貌由細小的韌窩和極少量的解理面組成,表現為韌窩斷裂,也同時反映出其具有高的抗拉強度和延伸率;中熱輸入焊接接頭的斷口形貌由較大的韌窩和較多的解離面組成,表現為以韌窩為主的準解理斷裂;高熱輸入焊接接頭的斷口形貌由少量的細小韌窩和大部分的解理面組成,表現為準解理斷裂[20]。因此,隨著焊接熱輸入的增大,焊接接頭的晶粒粗化,445J2超純鐵素體不銹鋼焊接接頭的抗拉強度和延伸率均降低。

圖9 低熱輸入焊接接頭拉伸斷口掃描圖

圖10 中熱輸入焊接接頭拉伸斷口掃描圖

圖11 高熱輸入焊接接頭拉伸斷口掃描圖

3 結論

1) 采用不同熱輸入TIG焊工藝對1.2 mm的445J2超純鐵素體不銹鋼板進行焊接,晶粒長大對熱輸入非常敏感。熱輸入從1.67 J/mm分別增加4.8%和16.8%時,HAZ平均晶粒尺寸分別增加25.0%和45.8%,柱狀晶的平均長寬比分別增加33.3%和100.0%。

2) 在接頭中的晶粒邊界和晶粒內部均彌散分布有第二析出相,經SEM和EDS分析結果可能為Ti或Nb的氮化物,有利于接頭柱狀晶向等軸晶的轉變,接頭性能的提高。

3) 隨著熱輸入增加,445J2超純鐵素體不銹鋼拉伸斷口由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。

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(編輯：劉笑達)

EffectofHeatInputontheMicrostructureandMechanicalPropertiesof445J2Ultra-pureFerriticStainlessSteelWeldingJoints

ZHANGTingting1,WANGWenxian1,YANZhifeng1,WANGZhibin2,ZHANGXinbao2

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanIron&Steel(Group)CompanyLimited,Taiyuan030002,China)

The different heat input welding technology of TIG welded 445J2 ultra-pure stainless steel joints was studied. Three heat input combinations were designated as low heat input (1.67 J/mm), medium heat input (1.75 J/mm) and high heat input (1.95 J/mm), separately. The microstructure and mechanical properties of the joints were analyzed systematically. Test results show that the microstructure of the joints was composed by central equiaxed grains, peripheral columnar grains, and the coarse ferrite grains in HAZ; The joints made using low heat input exhibited the highest tensile strength; The fracture locations of the tensile samples were located in columnar zone of the weld joints; With the increase of heat input, the tensile fracture mechanism changed from dimple fracture to quasi-cleavage fracture; The constituent of the second phase dispersed in the matrix was nitrides like (Ti, Nb)N according to the SEM and EDS analysis, which would be beneficial for the transformation of the columnar grains to equiaxed grains in weld center.

heat input; ultra-pure ferritic stainless steel; microstructure; fracture morphology; mechanical property

2013-09-10

國家自然科學基金資助項目(51375328)

張婷婷(1988-)，女，山西長治人，碩士生，主要從事不銹鋼焊接性研究，(Tel)18234128022

王文先，男，教授，博士生導師，(Tel)13903411143

1007-9432(2014)02-0210-05

TG457.11

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