奧氏體不銹鋼全奧氏體組織熔敷金屬中Ni含量對力學性能影響

摘要： 為了研究Ni含量對全奧氏體組織熔敷金屬力學性能的影響，采用鉻當量相近、Ni質量分數不同的6種E316LMn-15焊條，通過控制其它化學成分，避免金屬間化合物的形成并減弱了熱裂傾向。分別對SMAW施焊后熔敷金屬進行光學金相組織觀察、鐵素體測量、室溫拉伸試驗和-196 ℃沖擊試驗。結果表明，熔敷金屬均為以奧氏體模式凝固的全奧氏體組織，具有良好的室溫拉伸性能，抗拉強度均在520 MPa以上，屈服強度均超過380 MPa，斷后伸長率也都在35%以上；同時熔敷金屬均具有較高的低溫韌性，-196 ℃平均沖擊吸收能量均超過60 J。Ni的質量分數在15.58%～16.04%范圍內，-196 ℃平均沖擊吸收能量提升幅度大于Ni質量分數在16.04%以上的熔敷金屬，且Ni質量分數在16.27%以上的熔敷金屬低溫沖擊吸收能量趨于穩定，Ni質量分數為16.85%的試樣-196 ℃平均沖擊吸收能量高達90.4 J。

關鍵詞： 奧氏體不銹鋼；Ni含量；室溫拉伸；低溫韌性

中圖分類號： TG 422.1

The Impact of nickel content in the molten metal of austenitic stainless steel withfull austenitic structure on mechanical properties

Guo Xuchao1，2， Zhang Xuegang2， Wang Meng2，Wang Jingshuo2， Bai Peiqi2

（1.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China; 2. Harbin Well Welding Co.， Ltd.， Harbin 150060， China）

Abstract： To investigate the impact of Ni content on the mechanical properties of molten metal with a fully austenitic structure， six types of E316LMn-15 electrodes with comparable chromium equivalents but varying Ni mass fractions were employed. This approach aimed to prevent the formation of intermetallic compounds and reduce the susceptibility to hot cracking by regulating the other chemical compositions. Optical metallographic observations， ferrite measurements， and room temperature tensile and -196 ℃ impact tests were performed on the molten metals after Shielded Metal Arc Welding （SMAW）， respectively. The results show that the molten metal solidifies in the austenite mode with a full austenite structure. The molten metal exhibits excellent tensile properties at room temperature. The tensile strength is more than 520 MPa， the yield strength is more than 380 MPa， and the elongation at break is more than 35%.Additionally， the molten metal demonstrates high toughness at low temperatures; at -196 ℃， the average impact energy absorbed is more than 60 J. Ni content in the range of 15.58%～16.04%， -196 ℃ impact absorption energy enhancement is greater than the Ni content of 16.04% above the molten metals， and Ni content of 16.27% above the molten metals at low temperatures tends to stabilize the impact absorption energy， Ni content of 16.85% of the specimen-196 ℃ average impact absorption energy up to 90.4 J.

Key words：" austenitic stainless steel; Ni content; room temperature tension; low-temperature toughness

0 序 言

隨著工程應用向低溫極端環境發展，工程建設對焊接接頭性能要求也逐步提高。奧氏體不銹鋼作為低溫環境代表性結構材料，其焊接接頭低溫韌性隨溫度降低而降低的特性導致焊接接頭仍屬于薄弱部位［1-2］。E316LMn-XX焊條的基本用途是焊接在低溫下使用的相似和非相似低溫鋼，施焊后焊縫金屬中δ-鐵素體含量極低或不含δ-鐵素體，可極大地減弱δ-鐵素體韌-脆轉變對低溫韌性的影響［3-4］。除組織影響外，熔敷金屬中一些化學元素也會對低溫韌性造成影響。Ni元素作為奧氏體形成元素可顯著改善熔敷金屬低溫韌性。因此，為提升E316LMn-XX焊條的低溫沖擊韌性，通過控制Si、Mo等鐵素體形成元素含量，在鉻當量相似而Ni含量（后文中出現的含量均為質量分數）不同的熔敷金屬中，研究了不同Ni含量對低溫韌性的影響，以確定合適的Ni含量，穩定熔敷金屬低溫韌性，確保低溫結構在實際應用中的安全性。

1 試驗要求與方法

試驗采用同種焊芯制備的4.0 mm規格E316LMn-15焊條作為試驗材料，僅通過控制焊條藥皮成分以調整熔敷金屬化學成分，GB/T 983-2012標準規定E316LMn-XX化學元素成分含量范圍列于表1。母材和墊板材料為Q235，母材尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，過渡層使用同類型焊條堆焊以抑制元素擴散，對接焊縫坡口的配置如圖1所示。

制備的焊條以及過渡層焊條在經過350 ℃/1 h烘干后進行施焊，采用低的熱輸入以避免奧氏體不銹鋼焊縫過熱而造成焊縫性能惡化，并嚴格控制道間溫度在100 ℃以下，詳細焊接參數如表2所示。" 熔敷金屬拉伸試驗按照GB/T 228.1-2021《金屬材料 拉伸試第1部分室溫試驗方法》

標準在室溫下進行，拉伸試樣平行于焊接方向制取。夏比V型缺口沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口位于焊縫中心，缺口方向為熔敷金屬厚度方向，低溫沖擊試驗按照GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準要求，試樣在液氮中充分冷卻至-196 ℃后，在5 s內完成沖擊試驗，對每種成分熔敷金屬進行3次夏比沖擊試驗。金相試樣經研磨、拋光后，使用濃度為10%鉻酸溶液進行電化學腐蝕并通過OLYMPUS GX53光學顯微鏡進行組織觀察，熔敷金屬鐵素體含量使用FICHER FMP30進行檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 熔敷金屬中主要合金元素作用

奧氏體不銹鋼焊材的選擇應盡可能與母材成分相匹配，焊縫金屬中3%以上鐵素體被用來抑制焊接熱裂紋的產生并具有細化二次奧氏體組織作用，但鐵素體在低溫下發生韌-脆轉變，將極大地降低焊縫金屬韌性，低鐵素體或不含鐵素體焊縫金屬具有較高的低溫韌性［5-6］。E316LMn-XX焊條焊縫金屬正常是最大鐵素體含量為0.5 FN的全奧氏體合金，高奧氏體含量使熔敷金屬在低溫下仍具有較高的韌性。

熔敷金屬組織受鉻當量（Creq）和鎳當量（Nieq）影響，通過增加Nieq元素降低Creq/Nieq可減少組織中鐵素體含量。除了對組織的影響外，熔敷金屬中化學元素對低溫韌性同樣具有較大影響，為獲得良好的力學性能并降低組織開裂傾向，還需對成分進行設計。奧氏體不銹鋼的凝固開裂傾向取決于幾種冶金現象，而不僅限于化學成分或焊接參數，E316LMn-XX中5%～8%的Mn含量在焊接冶金過程中與S形成MnS，減少S的有害作用，可提高熔敷金屬抗裂性能［7-8］。同時降低熔敷金屬Si含量，減少晶界處Si的富集也有助于抑制熱裂紋的產生。較高的Mo含量會導致熔敷金屬中形成σ相，嚴重降低低溫沖擊韌性，在Perricone等人［9］的研究中，觀察到Mo含量超過2.5%后，以初生奧氏體凝固模式的合金中出現與γ-奧氏體耦合生長的σ相，因此將熔敷金屬中Mo含量控制在2.5%以下。N的固溶強化作用會提高熔敷金屬的強度，另外作為奧氏體形成元素，隨著氮含量的增加，可減少熔敷金屬中δ-鐵素體含量，但在低溫環境中N會降低熔敷金屬沖擊吸收能量，因此需要控制N含量避免低溫韌性損失［10］。

2.2 Ni元素的作用

沖擊韌性是低溫下奧氏體不銹鋼焊接接頭低溫應用的關鍵性能，沖擊韌性與材料的晶體結構密切相關，相較于體心立方晶體，面心立方晶體的低溫抗沖擊性能較好，全奧氏體組織焊縫金屬低溫下具有良好韌性［11］。Ni元素作為重要奧氏體形成元素，具有減少凝固過程中鐵素體形成以及提高奧氏體相穩定性避免馬氏體相變發生等作用［12］。提高全奧氏體相焊縫金屬Ni含量仍可進一步提高低溫韌性，Ni基合金焊材一般具有較高低溫沖擊吸收能量［13-14］，Kane等人［15］推薦的焊縫金屬目標Ni含量高達25%以獲得良好的低溫韌性。但過高的Ni含量對熔敷金屬熱裂紋敏感性有負面影響。

試驗所用6組鉻當量相近而Ni含量不同焊條，施焊后熔敷金屬S1～S6化學成分列于表3，熔敷金屬中Ni含量變化范圍為15.5%～17.0%，其它元素成分大致在同一水平，Mo含量均在2.5%以下。

2.3 熔敷金屬顯微組織

S1～S6熔敷金屬典型光學金相組織如圖2所示，使用鐵素體儀對熔敷金屬的檢測結果均顯示為0 FN，且光學金相組織中也并未觀察到δ-鐵素體組織。熔敷金屬以全奧氏體（A）模式凝固，基體均表現為柱狀枝晶或胞狀枝晶的全奧氏體組織。S1～S6熔敷金屬凝固過程中γ-奧氏體自液相形核，并隨溫度的降低液相減少，γ-奧氏體逐漸長大，熔敷金屬中無其它相形成，S1～S6凝固順序均為：L→L+γ→γ。熔敷金屬全奧氏體組織避免了δ-鐵素體以及金屬間化合物析出對低溫沖擊韌性的損害，熔敷金屬室溫拉伸性能及低溫沖擊吸收能量僅受化學成分的影響。

2.4 熔敷金屬力學性能

S1～S6熔敷金屬室溫拉伸試驗結果及-196 ℃沖擊吸收能量分別如圖3（a）、圖3（b）所示。低溫對一系列合金力學性能造成巨大影響，隨溫度降低，奧氏體不銹鋼強度將大幅升高，因此低溫用材一般將室溫強度作為保證值，奧氏體不銹鋼塑性雖隨溫度降低而下降，但在低溫環境中仍能符合要求［16］。室溫拉伸試驗結果顯示了S1～S6熔敷金屬良好的強度與塑性配合：抗

拉強度均在520 MPa以上，屈服強度均超過380 MPa，斷后伸長率也都在35%以上，且抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率隨熔敷金屬中Ni含量升高未出現明顯波動。-196 ℃平均吸收能量隨熔敷金屬中Ni含量升高而呈現逐漸升高趨勢，且在15.58%～16.04%（S1～S3）范圍和16.04%～16.85%（S3～S6）范圍平均沖擊吸收能量升高趨勢明顯不同。在15.58%～16.04%（S1～S3）范圍內的平均沖擊吸收能量提升幅度較大，而在16.04%以上提升幅度減緩。S3相對S1的-196 ℃平均沖擊吸收能量提高了約20 J，而這一數值在S6和S3之間則為8.4 J。雖然S5相較于S4平均吸收能量略有降低但仍高達84 J，且兩者相差僅3.5 J。由此可見增加熔敷金屬中Ni含量可有效提高以及穩定熔敷金屬低溫沖擊韌性。

3 結論

（1）全奧氏體組織熔敷金屬室溫抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率良好，在-196 ℃環境中具有良好沖擊韌性，并隨熔敷金屬中Ni含量增加沖擊韌性逐漸升高。

（2） Ni含量在15.58%～16.85%范圍內，熔敷金屬-196 ℃平均沖擊吸收能量均超過60 J。Ni含量在15.58%～16.04%范圍內，-196 ℃平均沖擊吸收能量提升幅度較大，16.04%以上提升幅度減緩。

（3） E316LMn-15焊條熔敷金屬中16.27%以上Ni含量將有助于改善熔敷金屬低溫沖擊韌性，確保低溫結構的安全。

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收稿日期： 2024-01-10

郭旭超簡介： 碩士研究生；主要從事不銹鋼焊接材料及焊接工藝的研究；guo-xuchao@outlook.com。

張學剛簡介： 通信作者，研究員；主要從事焊接材料及焊接工藝的研究；zxgstone@163.com。。