2205双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为

:2007-04-09:中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发资助项目(04B41101)22051,1,1,2(1.中国石油天然气集团公司管材研究所,西安710065;2.西安交通大学材料科学与工程学院,西安710049):通过焊接热模拟方法和现代材料组织分析技术,研究了冷却时间t8P5和t12P8对2205双相不锈钢模拟热影响区(HAZ)组织转变行为的影响。结果表明,固定t12P8,改变t8P5,2205双相不锈钢模拟HAZ的组织形态和相比例相差不大,用t8P5作为参数研究这种材料HAZ组织转变行为是不恰当的;固定t8P5,改变t12P8,2205双相不锈钢模拟HAZ的组织形态和相比例变化比较大,t12P8是影响这种材料HAZ组织的本质因素,用它来研究对2205双相不锈钢HAZ组织的影响更为确切。冷却时间t12P8对2205双相不锈钢模拟HAZ组织的影响规律是,随着t12P8的增加,奥氏体由原来的长条状逐渐变成树枝状,晶界和晶粒内部均析出奥氏体,相互交集在一起形成网状。铁素体的比例随着冷却时间t12P8的增加而缓慢下降;2205双相不锈钢模拟HAZ组织中奥氏体和铁素体晶内比母材有更多的位错。:双相不锈钢;热影响区;组织;相比例:TG457.1:A:0253-360X(2007)11-053-050序言2205双相不锈钢是第二代双相不锈钢的典型代表,具有优异的力学性能和耐腐蚀性能,广泛用于运输、石油、天然气、海洋和化工等行业。自从20世纪30年代早期双相不锈钢发明以来,该材料的焊接一直是比较关注的课题。现代的双相不锈钢由于采用氮合金化等技术,焊接性能有很大改善,但与普通奥氏体不锈钢焊接相比还是有许多问题,被公认为是难焊接的材料[1,2]。从国内外的研究来看,2205双相不锈钢在焊接过程中,最为突出的问题也是热循环对焊接接头微观组织及其塑韧性和抗腐蚀性的影响[3]。焊接热影响区是焊接接头的薄弱区域,焊接工艺参数对该区域的组织和两相比例有很大影响,而组织和相比例的变化会对材料的力学性能和耐腐蚀性能产生很大影响。而这一区域非常狭小,用常规的焊接试验方法难以对该区域的组织和性能进行准确试验评价,焊接热模拟试验为研究该区域的组织性能提供了良好的手段。焊接热循环的特性是由四个主要参数组成[4]:加热速度XH、峰值温度Tp、高温持续时间tH和某一温度区间的冷却时间tA。关于冷却时间,对于一般碳钢或低合金钢材料,人们关注的是从800~500e的冷却时间t8P5,这是因为800~500e是奥氏体最不稳定的温度范围,t8P5的长短将决定该材料最终的相变产物。而2205双相不锈钢属于高合金钢,其相图与一般碳钢和低合金钢Fe-C合金相图有很大的区别,用t8P5来研究2205双相不锈钢焊接性是否恰当,用哪个区间的冷却时间研究更为合适,模拟焊接热影响区的组织如何随冷却时间转变,以下进行了较深入的探讨。1试验试验用2205双相不锈钢板材厚度为12.7mm,由芬兰Outokumpu公司提供,其主要化学成分(质量分数,%)为:C0.017,Si0.41,Mn1.40,Cr22.83,Ni5.66,Mo3.4,N0.18。材料为固溶处理状态,其力学性能抗拉强度为680MPa,屈服强度为480MPa,断后伸长率A为25%,-20e夏比冲击吸收功AKV为150J。图1为2205双相不锈钢原始母材的金相组织照片,由铁素体和奥氏体两相组成,奥氏体被基第28卷第11期2007年11月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.28No.11November2007体铁素体组织包围着,并且大部分晶粒呈现条带状。组织中也有一些细碎条状的奥氏体,弥散分布在铁素体中。具有体积分数大体相等的特征(铁素体约占55%)。12205Fig.1Microstructureof2205duplexstainlesssteelbasemetal在板材上沿横向取样加工热模拟试样,试样尺寸为12mm@12mm@80mm。焊接热循环曲线根据式(1)[5]所示的方程计算。研究表明,式(1)可以在热模拟中很好地反映焊接过程的热循环。焊接热模拟循环参数加热速度、峰值温度和高温停留时间见表1,冷却时间在下文述及。T-T0=t8P5(500-T0)2(800-T0)2300(1300-2T0)t@exp[-t8P5(500-T0)2(800-T0)22e(300)(1300-2T0)(Tmax-T0)2t],(1)式中:T为实际温度;T0为预热温度或层间温度;Tmax为最高加热温度;t8P5为800~500e的冷却时间;t为时间。1Table1Parameterofthermalsimulationtest加热速度XHP(e#s-1)峰值温度TmaxPe高温停留时间tHPs20013001采用DM100A型热模拟机进行热模拟试验。热模拟试验后,对试样横截面进行光学金相检验(型号为MeF3ROTOSCOPE)和透射电镜(型号为JEM200CX)分析。金相组织浸蚀方法为:以铁氰化钾碱性试液30gKOH+30gK3Fe(CN)6+100mLH2O在温度90~95e下进行化学浸蚀,时间约为3min。采用Photoshop软件对金相照片进行处理,分离出铁素体和奥氏体,计算出在不同热模拟参数下组织中两相的比例。每个试样取5~6张图像算出相比例(面积百分比),然后求平均值。2结果与讨论2.1选取不同焊接热输入参数下的冷却参数,取t8P5分别为7,20,50和100s,相应的t12P8分别为3.6,7,18和37s。图2是不同t8P5下模拟HAZ的组织形态。当t8P5=7s时(图2a),从组织形态上看,组织的大体形态和母材组织相似,但奥氏体的量比母材明显减少,铁素体相比例与母材相比明显高;当t8P5=20s时(图2b),组织形态发生了较大变化,粗大的铁素体晶粒边界和晶粒内部均析出了羽毛状和树枝状的奥氏体相,铁素体相比例约为75%;当t8P5=50s(图2c)和t8P5=100s(图2d)时,奥氏体总的形态显现条块状,只是t8P5较长时,奥氏体组织呈块状聚在一起,而且由连续条状转变成粗块状,也有一部分呈尖锋状,两相边界明显,铁素体相内部析出奥氏体相明显增多,铁素体相比例分别约为65%和55%。结果表明,2205双相不锈钢组织经过不同的热循环之后,即模拟焊接HAZ组织在不同的冷却条件下,组织的形态和分布与原来有了很大的区别。随着冷却时间的增加,奥氏体相由原来的拉长的条状,析出形态变得越来越粗大,析出越来越充分。同时从晶内成核析出的奥氏体变多,最后与晶界处析出的奥氏体互连在一起,两相的比例也有较大的变化。在研究冷却速度对组织转变的影响时,对于常见的低碳钢和低合金钢,人们关注的是从800~500e的冷却时间t8P5,这是因为800~500e是奥氏体最不稳定的温度范围,t8P5的长短将决定该材料最终的相变产物。而2205双相不锈钢属于高合金钢,其相图与一般的低碳钢和低合金钢Fe-C合金相图有很大的区别。根据美国焊接研究委员会(WRC)1992)采用的铬、镍当量比值所绘制的Fe-Cr-Ni三元截面相图(变种)(图3)[6]。实际上所有双相不锈钢从液相凝固后首先都是完全的铁素体组织,这一组织一直保留至铁素体溶解度曲线的温度,只有在更低的温度下部分铁素体才转变成奥氏体,形成奥氏体铁素体双相组织。对2205双相不锈钢,从铁素体转变为奥氏体的温度范围是1200~800e,因此用t12P8作为参数研究2205双相不锈钢模拟HAZ的组织更为恰当。54焊接学报第28卷2HAZFig.2MicrostructureofsimulationHAZatdiffidencecoolingtime3Fe-Cr-Ni()Fig.3Fe-Cr-Nithree-componentalloyphasediagram为什么会出现上述假象呢?这是因为计算热循环曲线时,t8P5在变化的同时,t12P8也在同时变化,根据式(2)可以计算出对应t8P5为7,20,50和100s时,t12P8分别为3.6,7,18和37s。t8P5t12P8=1(500-T0)2-1(800-T0)21(800-T0)2-1(1200-T0)2。(2)要搞清t8P5和t12P8这两个热循环参数各自对2205双相不锈钢模拟HAZ组织的影响,就应固定其中的一个参数,然后改变另一个参数,研究其显微组织特征。为了说明这点,进行了下述进一步的试验。2.2t12P8t8P5HAZ固定t12P8=7s,分别选取t8P5=7,20,50和100s,模拟HAZ的金相组织见图4。组织形态都是在铁素体基体中析出长条状的奥氏体组织。在t8P5=7s时两相相对来说分辨的比较清楚;当t8P5大于50s后,室温组织的形态相似,基本上呈细长条状相互聚在一起,两相的边界已经变得有点模糊。铁素体相比例相差不大,均在65%左右。当固定t12P8,改变t8P5时,热循环参数t8P5对模拟HAZ组织形态和相比例影响不大,用t8P5研究2205双相不锈钢HAZ的组织转变行为是不恰当的。2.3t8P5t12P8HAZ固定t8P5=20s,分别选取t12P8=3.6,7,18和37s,模拟HAZ的金相组织形态见图5。可以看出,几张照片金相组织形态差异较大,随着冷却时间t12P8的增加,奥氏体由原来的带状逐渐转变成树枝状或羽毛状,晶界和晶粒内部均析出奥氏体,相互交集在一起形成网状,两相的比例也有较大的差异。由此可见,t12P8改变是引起HAZ组织变化的本质因素。从图3的FeCr-Ni三元截面相图可知,对2205双相不锈钢,DPC相界大约在1150e附近,从1200~800e是双相组织最不稳定的温度范围。模拟HAZ从峰值温度开始冷却时,特别是在DPC相界温度继续冷却时,组织开始发生转变,即发生铁素体到第11期熊庆人,等:2205双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为554t8P5HAZ(t12P8=7s)Fig.4MicrostructureofsimulatedHAZatdiffidencecoolingtimet8P55t12P8HAZ(t8P5=20s)Fig.5MicrostructureofsimulatedHAZatdiffidencecoolingtimet12P8奥氏体的转变,消除了原来的DPD晶界,形成了DPC相界。在冷却过程中随着t12P8时间的增加,铁素体向奥氏体转变完成的程度增大。随着在t12P8时间进一步延长,不但晶界处出现了奥氏体,铁素体晶粒内部也通过形核向奥氏体转变。这样奥氏体的比例就越来越大,并且随着时间的增加,奥氏体逐渐长大连在一起形成网状结构。而在800~500e的温度区间,2205双相不锈钢处在D+C两相区,此时组织中56焊接学报第28卷的组织转变率远没有在t12P8温度区间来得大。因此,固定t8P5,改变t12P8,对2205双相不锈钢HAZ的组织形态和相比例的影响都比较大。t12P8是影响其HAZ最终组织的本质因素,用它来研究对2205双相不锈钢HAZ组织的影响更为确切。进一步分析t12P8对HAZ组织的影响,当冷却时间较短(t12P8=3.6s),由于热输入小,高温停留时间短,冷却速度很快,原来双相组织中的奥氏体只有部分转变成铁素体。当温度下降,t12P8仅为3.6s时,由于温度下降太快,铁素体向奥氏体的转变也很不充分,至室温时的组织形态与母材组织很相似,晶粒呈现条带状,铁素体所占比例与母材相比增大;在t12P8=7s时,热输入增大,高温停留时间延长,原来双相组织中的奥氏体基本全部转变成铁素体,温度下降时,冷却时间相对短,只有铁素体晶粒边界析出了条块状的奥氏体,奥氏体相含量很少,铁素体相比例高(约为80%);t12P8继续增加至18s时,铁素体晶粒边界和晶粒内部均析出了羽毛状和条块状的奥氏体,并且互相交接在一起,奥氏体相含量与t12P8=7s相比增大,铁素体相比例减少(约为70%);当t12P8增大到37s时,这时在铁素体晶粒边界和