SAF2507模擬焊接熱影響區的組織轉變行為

李 睿，劉 潔，崔衛則，王一鳴

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原030024）

SAF2507模擬焊接熱影響區的組織轉變行為

李 睿，劉 潔，崔衛則，王一鳴

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原030024）

通過gleeble3800熱模擬試驗機，模擬超級雙相不銹鋼SAF2507焊接熱影響區，研究了不同冷卻速度與多次熱循環對模擬焊接熱影響區顯微組織的變化過程，運用掃描電鏡和能譜儀分析了合金元素的分布規律。試驗結果表明，冷卻速度和多次熱循環對奧氏體形貌和尺寸有很大影響，隨著熱輸入的增加，奧氏體含量從40.50%增加到58.35%。t8/5=60 s時可使組織中鐵素體與奧氏體相比例為1:1，高熱輸入多道次焊接時，在鐵素體和奧氏體相界處析出顆粒狀的第二相。

雙相不銹鋼；熱模擬；相比例；析出相；熱影響區

0 前言

雙相不銹鋼是其顯微組織中鐵素體與奧氏體各占一半的鋼種。SAF2507作為雙相不銹鋼家族中的一員，得益于其超低含碳量、高PREN值和良好的兩相比例，具有很高的耐蝕性和很好的力學性能，因此在機械、石油天然氣、船舶、化學、建筑和能源行業等領域中的應用越來越廣泛[1-7]。

焊接是一個快速加熱和快速冷卻的過程。在焊接SAF2507超級雙相不銹鋼時，不適當的熱輸入不僅會破壞母材平衡的相比例，還會析出一些金屬間化合物，從而降低焊接接頭的耐蝕性和力學性能，特別在焊接接頭中最薄弱的焊接熱影響區應更加重視[8]。目前，國內外針對雙相不銹鋼焊接熱影響區的組織轉變行為及性能變化已有一些研究，但是仍不完善。對于熱輸入與多次熱循環對超級雙相不銹鋼焊接熱影響區的組織轉變行為鮮有報道。鑒于此，采用熱模擬方法，針對SAF2507焊接熱影響區組織進行模擬，以了解SAF2507焊接熱影響區的組織演變規律，為實際生產和理論研究提供指導依據。

1 試驗材料與方法

本次試驗所用材料為太鋼生產的商業用SAF2507超級雙相不銹鋼板材，其化學成分如表1所示。在Gleeble3800熱模擬試驗機上對試樣進行焊接熱影響區組織模擬，試樣尺寸為10 mm×10 mm× 55 mm。為了更好地模擬實際焊接情況，熱模擬曲線采用HANNERZ數學模型來表述[9]。

表1 SAF2507的化學成分 %

焊接熱模擬試驗的峰值溫度為1 300℃，預熱溫度為100℃，t8/5分別為10 s、20 s、40 s、60 s、100 s、200 s。為了模擬多道次的實際焊接，在t8/5為10 s、40 s和200 s時，進行二次熱循環和三次熱循環，選取第二次的峰值溫度1 100℃，第三次的峰值溫度為900℃。

熱模擬后的試樣經5 g FeCl3+50 ml HCl+100 ml H2O混合溶液侵蝕后，采用基恩士VHX-2000超景深光學顯微鏡和NovaNanoSEM430掃描電鏡觀察試樣的微觀組織。

2 結果與分析

2.1 熱模擬組織

SAF2507經歷不同t8/5時間后的熱模擬組織如圖1所示。由圖1可知，顯微組織由奧氏體與鐵素體組成。其中呈長條狀或島狀分布的白色組織為奧氏體，灰色基體為鐵素體。在圖1a中，雖然t8/5為10 s，但試樣在高溫區（800℃以上）的停留時間很短，僅為3 s。冷卻時僅有少數奧氏體沿鐵素體晶界（GBA）處形成，并沿著鐵素體晶界向鐵素體內部生長。t8/5增加至20 s時，如圖1b所示，這些晶界奧氏體在鐵素體晶界處明顯長大，將長條狀的奧氏體連接起來。而在此熱輸入下，高溫區的停留時間仍然比較短，母材中的奧氏體相在加熱過程中并不能全部轉變成單一的鐵素體相，使得在冷卻時由高溫鐵素體形成部分轉變的奧氏體（PTA）。t8/5繼續增加至40 s時，部分轉變的奧氏體稍微變得粗大一些，而組織中仍以部分轉變的奧氏體和晶界奧氏體為主。但是在圖1d中，當t8/5增加到60 s時，組織中有一部分區域的奧氏體在加熱至高溫時已經完全轉變成鐵素體，而隨后的冷卻過程中在鐵素體晶粒內部開始析出奧氏體（IGA）。另外在組織中還發現針狀的魏氏奧氏體（WA）在鐵素體晶界處形成，并向鐵素體內長大。t8/5持續增加到100 s時，組織中已找不到軋制方向的部分轉變奧氏體，取而代之的是大量的晶內奧氏體和魏氏奧氏體。這說明在此熱輸入的加熱過程中，奧氏體有充足的時間向鐵素體完全轉變，使高溫下的組織為單一的鐵素體相，冷卻時以晶內奧氏體和魏氏奧氏體的形式從鐵素體晶粒內析出。最后t8/5增加到最大值200 s時如圖1f所示，組織中奧氏體相完全由粗大的晶內奧氏體和魏氏奧氏體組成。

圖1 不同t8/5時間的熱模擬組織

經過多次熱循環后的熱模擬組織如圖2所示。對比后可知，多次熱循環對奧氏體組織的形貌并無多大影響，但其尺寸卻隨著熱循環次數的增加而增大。經測量，低熱輸入下，二次熱循環后的帶狀奧氏體平均寬度由8.2μm增加到三次熱循環后的9.5 μm，在中等熱輸入時由9.3 μm增加到10.7 μm。而高熱輸入下，扎堆生長的晶內奧氏體和魏氏奧氏體也隨著熱循環次數的增加而“融合”成較大尺寸的塊狀奧氏體。

圖2 多次熱循環后的熱模擬組織

2.2 相比例

熱輸入的變化改變了奧氏體的形貌和尺寸，使兩相比例也發生很大的變化。不同熱輸入試樣的奧氏體含量如圖3所示。由圖3可知，當熱輸入不斷增加后，相應的奧氏體相含量變得越來越多。在t8/5=60 s時組織中的鐵素體相含量和奧氏體相含量接近平衡。熱輸入較小時，冷卻速度大，鐵素體向奧氏體轉變過程來不及完全進行，僅有少部分的鐵素體發生向奧氏體的轉變，奧氏體含量較低。隨著t8/5增加至100 s，高溫時的鐵素體向奧氏體轉變過程有適當充足的時間進行，同時N、Ni等奧氏體穩定化元素的擴散行為也相應變得活躍，使奧氏體相的含量增加。而t8/5增加到最大值200 s時，伴隨著大量粗大的奧氏體形成，奧氏體含量增加到最高值。

圖3 t8/5與奧氏體含量的關系

多次熱循環對奧氏體含量的影響如表2所示。由于多次熱循環可使組織中奧氏體晶粒變粗，因此多次熱循環后的奧氏體含量均高于單次熱循環后的奧氏體含量。低熱輸入時奧氏體含量變化最大，經三次熱循環后奧氏體與鐵素體含量相等，而中等熱輸入時只需兩次熱循環即可得到平衡的相比例。高熱輸入時，多次熱循環對奧氏體含量變化影響最小，但奧氏體含量越來越高，且伴隨有第二相的析出。因此實際焊接時，采用小熱輸入工藝可選擇多道次焊接或多焊一層蓋面層以達到平衡的兩相比例，但盡量避免用高熱輸入工藝進行多道次焊接。

表2 多次熱循環對奧氏體和鐵素體含量的影響

2.3 析出相

長時間在高溫區停留會使金屬間化合物從鐵素體中析出。高熱輸入下經過三次熱循環后的掃描電鏡圖如圖4所示。可以觀察到在奧氏體和鐵素體相界處發現有少量的第二相呈顆粒狀析出。而在低熱輸入條件和中等熱輸入條件下卻沒有發現明顯的第二相。經能譜儀測定成分如圖5所示，此析出相為富含Fe、Cr、Mo元素的χ相。在雙相不銹鋼中，χ相析出的敏感溫度范圍為700℃～800℃，析出位置多在α/γ與α/α邊界處。此外，χ相又是一種亞穩相，在敏感溫度停留時間過長會發生向σ相轉變。而曾有文獻報道在雙相不銹鋼模擬焊接熱影響區中，氮化鉻是主要析出相[8，10-12]，但是本次試驗中并未觀察到其他金屬間化合物形成。這可能是SAF2507雙相不銹鋼中較高的Cr、Mo含量加快了χ相的形核和長大，使χ相更容易析出所致。另一方面，較高的熱輸入也會增加在χ相敏化溫度區內的停留時間，為χ相的析出提供了相對充裕的時間。

圖4 經t8/5=200 s，三次熱循環后的掃描電鏡圖

圖5 第二相顆粒的能譜圖

3 結論

（1）熱輸入對奧氏體形貌和析出位置有很大影響。低熱輸入時奧氏體呈帶狀，多在鐵素體晶界處析出。高熱輸入時，奧氏體以塊狀或魏氏體狀在鐵素體晶內析出。奧氏體的尺寸隨熱循環次數的增加而增大。

（2）高熱輸入多次熱循環會使組織中析出χ相，呈顆粒狀分布在鐵素體和奧氏體相邊界。

（3）增加熱輸入和多次熱循環均可提高奧氏體含量。單次熱循環時，t8/5取60 s時鐵素體和奧氏體比例相等。多次熱循環時，小熱輸入三次熱循環與中等熱輸入兩次熱循環可使兩相比例相等。

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Study on microstructure in the simulated HAZ in SAF2507 super duplex stainless steels

LI Rui，LIU Jie，CUI Weize，WANG Yiming
（SchoolofmaterialsscienceandEngineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China）

The effects of cooling rates and multipass welding on the microstructure in the simulated HAZ of SAF 2507 super duplex stainless steels were investigated.The results showed that，as t8/5increased from 10 s to 200 s，the austenite fraction increased from 40.50%to 58.35%.The phase ratio（α/γ）tends to be 1:1 when t8/5is 60 s.The granular χ phase precipitation in the α phase are observed after three thermo cycling when the t8/5is 200 s，which considerably influences mechanical properties.

duplex stainless steel；thermal simulation；phase ratio；precipitated phase；HAZ

TG406

：A

：1001-2303（2015）10-0108-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.23

2015-01-30；

：2015-03-26

山西省科技攻關項目（20120321015-02）；校博士科研啟動項目（20132008）；山西省自然基金（201 4011002-3）

李 睿（1989—），男，山西太原人，在讀碩士，主要從事先進不銹鋼焊接工藝方面的研究工作。