2205双相不锈钢管界面金相组织观察分析

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2205双相不锈钢管界面金相组织观察分析

2205双相不锈钢管界面金相组织观察分析

来源:双相不锈钢发布:2020-07-09 22:10:55类别:2205不锈钢

 浙江至德钢业有限公司根据双相不锈钢的冶金特点,双相不锈钢的焊接热影响区按所承受焊接热循环峰值温度的高低不同,通常可分为高温区(HTHAZ)和低温区(LTHAZ)。LTHAZ的组织和相比例在焊接过程中基本保持不变,而HTHAZ由于加热温度很高(约1250℃以上),基本上全部转变为铁素体,形成单一的铁素体组织,在随后的冷却过程中,根据焊接线能量及冷却速度的不同,铁素体可以转变为一定量的奥氏体,形成铁素体-奥氏体双相组织。从图中可看出,总体上双相不锈钢管侧热影响区的宽度较窄,约为200~500μm,其中接头A的热影响区宽度约为250μm,且热影响区宽度随着线能量的增加而变宽。从图HAZ 放大形貌中可看出,热影响区中奥氏体相的含量明显低于2205双相不锈钢母材,奥氏体主要以条块状、细小的块状断续、独立地分布在铁素体晶界和晶内,与母材2205形成明显的边界。


 由于2205双相不锈钢热影响区较窄,要研究其组织转变特征和进行性能评定较为困难,因此,在实践中往往采用焊接热模拟试验来分析研究该区域的组织与性能。目前模拟2205不锈钢热影响区组织的转变行为,研究其组织与性能之间的关系,国内外开展了大量的研究工作。


 由前述的三元相图可得出,δ/γ相界大约在 1150℃附近,1200~800℃是双相组织最不稳定的温度范围。因此根据以上模拟的结果可知,2205双相不锈钢焊接热影响δ-γ随冷却时间的变化过程为:HAZ从峰值温度开始冷却,当在 δ/γ相界温度继续冷却时,组织开始发生转变,即发生铁素体向奥氏体的转变,原来的 δ/δ晶界消失,形成了新的 δ/γ相界。在冷却过程中,随着 t12/8时间的增加,铁素体向奥氏体转变的程度增大。而且随着t12/8时间的进一步延长,不但在晶界处形成奥氏体,铁素体晶粒内部也通过形核向奥氏体转变。这样,组织中奥氏体相的比例就越来越大,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。因此,时间改变对2205不锈钢管热影响区的组织形态和相比例都有较大影响。


  综上所述,双相不锈钢热影响区的铁素体与奥氏体双相组织比随冷却时间而变化,为了使热影响区获得合理的双相比,以保证焊接接头具有优良的力学性能和耐腐蚀性能,在焊接过程中应严格控制热输入。如果热输入量小,加热速度和冷却速度快,高温停留时间短,奥氏体相析出不充分,焊接热影响区中的铁素体含量较高;随着线能量的增加,冷却速度减慢,奥氏体析出时间延长,热影响区中的铁素体量减少,即使采用大的线能量,热影响区中的铁素体含量仍不低于50%,因此,在采用适当线能量情况下,同时采用多层多道焊工艺,利用后续焊道对前面焊道的热处理作用,可保证焊接接头的组织中相比例趋于平衡。 在焊接热循环作用下,2205不锈钢接头热影响区的双相比通常较母材中的低。为了定量地了解热影响区中的铁素体/奥氏体双相比,对在三种工艺条件下所获接头的热影响区进行了双相含量的测定。按照GB6401-1986中采用标准图谱对比法对在三种工艺条件下所获的接头热影响区进行双相含量的测定,虽然在理论上是可行的,但在实际测量时仍有一定难度和局限性,其主要不足之处是测量误差相对较大(±2.5%),对于不规则的金相组织难以判定,以致在某些场合无法满足实际要求。为了获得更精确的数值,至德钢业采用网格交点记数法,进行组织中双相比例的测定。


 其测试方法为,首先进行金相网格划分,具体如图中所示,为便于分析计算,还需作如下假设或计数规定:


 1. 根据晶粒大小选择合适的放大倍数,如放大倍数太小,晶粒显示密集,网格交点分辨不清;而放大倍数太大,同一视场中的晶粒数目太少,无代表性。因此,为了方便对比,在本文中都采用在同一放大倍数下的金相试样进行相比例测定。

 

 2. 当以铁素体相为记数基准时,则奥氏体相的百分含量=100%铁素体相百分含量。


 3. 如果二个交点落在铁素体晶粒上,则铁素体含量记为1,铁素体晶粒上每增加一个交点,其含量增加1%。如果交点落在铁素体、奥氏体双相组织晶界上,则记为0.5,交点落在铁素体晶粒内则记为1。


  根据上述理论分析、计算,得出2205双相不锈钢管侧热影响区中奥氏体相含量分别为,接头A:44.5%,接头B:42.7%,接头C:43.6%,虽然热影响区中的奥氏体相含量较母材中有所减少,但是热影响区中的双相比例仍控制在所要求的范围内(含35%~65%的奥氏体),能够满足对接头显微组织的要求。


  图为在三种工艺下获得接头焊缝金属的金相组织,其组织都是由奥氏体相(γ) 和铁素体相(α) 组成,但在焊接过程中,由于热输入不同和焊缝金属元素的扩散,导致三种接头的组织在形态上有一定差别。图中接头A 和接头C的焊缝组织呈典型的双相不锈钢管焊缝组织特征,奥氏体(γ) 呈条块状分布在铁素体(α) 基体上,具有马氏体转变特征,而接头B 焊缝组织与奥氏体不锈钢管焊缝组织相似,铁素体(α) 呈蠕虫状分布在奥氏体(γ) 基体上。


   焊缝金属从高温凝固时均先析出δ-Fe相,之后在从熔化温度冷却至室温时,与焊接HAZ的高温区转变一样,部分铁素体会转变成奥氏体,平衡两相的数量和α/γ比值的大小无论对焊缝的抗裂纹能力,或是对焊缝的力学性能和耐腐蚀性能都具有重要影响,因此进一步采用网格法测定各接头焊缝区中的奥氏体相含量,测得在三种工艺下获得接头焊缝金属中的奥氏体相含量分别为64.3%、67.5%、65.1%,其中接头B中的奥氏体相含量要比接头A、C中的稍高,这是由于填充材料ER309焊丝中的镍含量较高,镍是强烈形成和稳定奥氏体、扩大奥氏体相区的元素,因此获得了奥氏体相占优的焊缝组织。焊缝金属中的奥氏体能起到减少脆性氮化物相的析出,有利于提高焊缝的塑韧性和耐腐蚀性,增强接头的抗裂纹能力及减少多层焊时各层组织的不均匀性等作用。接头C焊缝金属中的奥氏体相含量与接头A焊缝金属中的相近甚至略高,这是由于接头C 焊接时的线能量高,尽管会使凝固组织中的铁素体晶粒发生长大,但在此情况下的焊缝冷却速度却会促使较多的奥氏体转变,可得到足够数量的奥氏体。相反,接头A的焊接线能量相对较低,快的冷却速度使奥氏体相的数量减少,因此,在焊接过程中可以通过控制焊接线能量使两相达到平衡。


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