不同回火溫度下G115鋼熔敷金屬的顯微組織及硬度

齊向前

（天津海運職業(yè)學(xué)院，天津 300304）

1 試驗方法

焊接熔敷金屬所用試驗用鋼板為Q235鋼，尺寸為250mm*250mm*13mm，坡口形式為V型，焊接前首先在坡口兩側(cè)及墊板上堆焊約3mm的過渡層，以保證Q235鋼不會對熔敷金屬起到稀釋作用，焊接坡口形式如圖1所示，焊接所用焊條由廠家提供，典型化學(xué)成分見表1，焊接工藝參數(shù)見表2，焊接完成后，將試板冷卻至200℃～300℃，保溫2h，以保證熔敷金屬完成馬氏體轉(zhuǎn)變，用線切割在熔敷金屬試樣內(nèi)切取金相試樣，取樣位置見圖1，尺寸為10mm*10mm*20mm，將金相試樣放入型號為KRX1200-40的電阻熱處理爐中進行回火處理，團體標準T/CISA003-2017《電站用新型馬氏體耐熱鋼08Cr9W3Co3VNbCuVN（G115）無縫鋼管》推薦的正火后的回火溫度為760℃～795℃，據(jù)此設(shè)定回火溫度分別為740℃、760℃、780℃、800℃，設(shè)定升溫速度為150℃/分，恒溫2h后隨爐空冷，試樣在預(yù)磨機經(jīng)砂紙磨制、金相拋光機拋光后由三氯化鐵鹽酸水溶液（HCl：50mL，F(xiàn)eCl3：5g，H2O：50mL）浸蝕，在OLYMPUS-PM3金相顯微鏡下觀察顯微組織，在HVS-1000數(shù)顯布洛維硬度計上測量熔敷金屬的顯微硬度，加載力15kg，從焊縫中心由上至下打5點取其平均值[1-3]。

圖1 焊接接頭坡口形式及金相試樣切取位置示意圖

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

圖2為未熱處理的焊接接頭的宏觀金相組織，在焊接過程中，由于焊縫金屬在熔融金屬狀態(tài)迅速冷卻至室溫，焊縫會形粗大的柱狀晶組織，焊接過程中，焊接焊道會對已焊完的下面一層焊道產(chǎn)生一定的正火及回火作用，致使其部分晶粒發(fā)生細化，應(yīng)力降低，因此在宏觀金相上反映出焊縫整體上呈粗大的組織形態(tài)，在粗大組織中混合有部分細晶區(qū)，G115鋼為合金含量超過10%的高合金鋼，存在很大的淬硬傾向，為降低淬火應(yīng)力，均勻焊縫的組織及性能，必須進行焊后回火處理織及性能，必須進行焊后回火處理[4]。

圖2 G155熔敷金屬的宏觀金相（未處理）

圖3 不同回火溫度下G115鋼熔敷金屬的顯微組織

表1 試驗用G115鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分（%）

圖3為不同回火溫度下G115鋼熔敷金屬的顯微組織照片，可以看出，不同溫度下回火，熔敷金屬均呈現(xiàn)出板條馬氏體特征，未發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體相的存在，焊縫金屬在快速冷卻過程中，原子來不及擴散，大量的合金元素固溶于基體組織中不能析出，碳在α-Fe基體內(nèi)形成過飽和的固溶體，即淬火馬氏體，微觀上在基體內(nèi)形成高密度位錯，在固溶強化和高密度位錯的綜合作用下，表現(xiàn)出很高的硬度和較低的塑性。

比較圖3（a）和圖3（b）、（c）可見，熔敷金屬經(jīng)740℃回火后，馬氏體板條束呈針片狀，板條束比較細密，板條束的位向差不明顯，無明顯馬氏體塊狀特征，熔敷金屬的顯微硬度為312HV15，760℃、780℃回火后，馬氏體板條束變寬，馬氏體塊內(nèi)板條束位相差明顯，熔敷金屬的顯微硬度分別為254HV15、238HV15，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是在回火過程中，馬氏體板條內(nèi)的高密度位錯會發(fā)生回復(fù)，部分位錯通過滑移和攀移相抵消，使位錯密度下降，造成熔敷金屬的硬度降低，同時部分板條向相鄰板條合并成寬板條。

圖3（d）為回火溫度升高到800℃后的組織，可見，此時馬氏體板條束特征不如圖3（b）、（c）明顯，同時基體上碳化物增多，硬度測試為203HV15，主要原因在于隨著回火溫度的進一步升高，部分馬氏體開始分解為碳化物，基體內(nèi)的位錯密度進一步降低。

G115鋼屬9%系馬氏體耐熱鋼，其在高溫下的強化機制主要包括M23C6的析出強化，Nb，V（C，N）碳氮化物的彌散強化，及合金元素的固溶強化，隨著回火溫度的升高，Cr、Mo、Mn、V由固溶體向碳化物擴散，M23C6析出相變大，會使熔敷金屬硬度降低，同時Nb，V（C，N）碳氮化物的彌散分布的數(shù)

量的增多會提高熔敷金屬的硬度，因此熔敷金屬最終的硬度是上述變化綜合作用的結(jié)果，回火的目的是在上述綜合強化機制下得到優(yōu)異的焊接接頭性能，保證鍋爐機組的長期穩(wěn)定運行，DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標準規(guī)定，對于9%～12%Cr系列鋼，焊縫硬度應(yīng)控制在185HB～270HB，從熱處理的金相微觀組織分析可以看出，760℃～780℃回火馬氏體板條塊及板條特征明顯，但760℃回火后熔敷金屬的硬度偏標準上限，因此最佳的熱處理溫度應(yīng)設(shè)定為780℃。

3 結(jié)論

不同回火溫度下G115鋼熔敷金屬均為典型的馬氏體組織，在740℃回火，馬氏體組織呈針狀，板條束特征不明顯，硬度為312HV15，760℃～780℃回火，馬氏體板條束變寬，位向特征明顯，254HV15～238HV15，800℃回火，基體上碳化物彌散相增多，馬氏體板條有分解的趨勢，硬度為203HV15，綜合組織特征與硬度測試結(jié)果，780℃回火為G115鋼熔敷金屬最佳的焊后回火溫度。