時效溫度對2205雙相不銹鋼焊接接頭顯微組織及沖擊性能的影響

張帥謀，張雪峰，王小平

（1.安徽機電職業技術學院，蕪湖241000；2.新疆油田公司工程技術研究院，克拉瑪依384000）

0 引 言

奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼（DSS）具有優良的耐腐蝕性、延展性、韌性和焊接性，常用做焊接結構材料［1］以及核工業中制造核反應堆壓力容器的蒙皮材料和冷凝管材料［2-3］。然而雙相不銹鋼也存在明顯的缺點，就是其焊接接頭耐腐蝕能力與母材相比有明顯的下降，以及焊接過程中受高溫熱循環作用由顯微組織變化而引起的力學性能的下降。

DSS中含有鉻和鉬元素，在長時高溫作用下，會沉淀析出金屬間化合物（Fe，Ni）x（Cr，Mo）y，即σ相。對于DSS而言，σ相的析出發生在鐵素體相內，時效溫度越高，析出的時間就越短，析出量也就越多。

2205型不銹鋼為用量最大的雙相不銹鋼，其碳含量較低，時效過程中碳化物形成的可能性很小，σ相一般析出于鐵素體基體上［4］。σ相的出現會導致雙相不銹鋼發生脆性斷裂，加之雙相不銹鋼的顯微組織為裂紋擴展提供了通道，因此會降低材料的韌性和斷裂韌度。有文獻指出，雙相不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體含量相對較多，故接頭焊縫金屬的力學性能相對母材的有所降低［5］。因此，對焊接接頭中σ相的析出規律以及影響因素的研究受到廣泛重視，尤其是對不同溫度時效處理后σ相析出機制的研究，可以指導控制雙相不銹鋼焊接件在敏感溫度下的停留時間，對工業生產具有重要的指導意義。鑒于此作者采用脈沖式直流逆變TIG焊接工藝對2205雙相不銹鋼進行了焊接，并在不同溫度下對焊接接頭進行時效處理，研究了時效溫度對接頭顯微組織和沖擊性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

母材尺寸為300mm×150mm×8mm，焊絲采用直徑為2mm的ER2209焊絲。母材和焊絲的化學成分見表1。

參照 GB/T 985-2008，在母材上加工出60°的V型坡口，鈍邊為1mm，間隙為3mm，坡口設計及焊道布置如圖1所示。采用YC-300WX4型脈沖式直流逆變TIG焊機進行鎢極惰性氣體保護焊（GTAW），采用小線能量，多層焊，保護氣體為98%（體積分數）Ar＋2%N2，焊接工藝參數見表2。焊前對坡口區作脫脂處理，控制層間溫度在150℃以下。

表1 母材和焊絲的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of base metal and weld metal filler（mass） %

圖1 坡口及焊道設計示意Fig.1 Groove and welding bead design sketch

將上述焊件先在1 100℃固溶處理1h，隨后在水介質中淬火；然后進行等溫時效處理，時效溫度分別為600，700，800℃，保溫3h，隨爐緩冷。

表2 焊接工藝參數Tab.2 Welding progress parameters

1.2 試驗方法

按照NB/T 47014-2011，沖擊試樣的縱軸線垂直于焊縫軸線，缺口軸線垂直于母材表面。焊縫區沖擊試樣的缺口軸線位于焊縫的中心線上，如圖2所示。

根據ISO 148-2009，分別在時效前后的雙相不銹鋼接頭焊縫與母材上制備尺寸為55mm×10mm×4.8mm的夏比V型缺口沖擊試樣，如圖3所示，在RKP-300型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗機的沖擊總能量為300J，擺錘的沖擊速度為5.1m·s-1，試驗環境為室溫。

圖2 沖擊試驗取樣示意Fig.2 Sampling for impact test：（a）location in test plate and（b）sampling location in welding zone

金相試樣經打磨、拋光后采用K3Fe（CN）6＋KOH（堿性鐵氰化鉀）溶液進行腐蝕，溫度為85℃，時間為5min，采用10XD-PC型光學顯微鏡觀察顯微組織；采用S-570型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沖擊斷口形貌；采用D8ADVANCE型X射線衍射儀進行物相分析，銅靶，Kα射線，2θ掃描范圍為20°～80°，掃描速度2（°）·min-1；采用X-Max50型能譜儀測σ相的成分；依據GB/T 13305-2008《不銹鋼中α相面積含量金相測定法》測母材和焊縫區α鐵素體的面積分數。

圖3 沖擊試樣的形狀和尺寸Fig.3 Shape and size of impact sample

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

已有研究發現，雙相不銹鋼在850℃時效時，析出物主要為脆性σ相，該相會嚴重影響材料的力學性能［6］。焊接接頭在600，700，800℃時效后均析出了σ相，這里不一一列出，僅給出了800℃時效前后的XRD譜，如圖4所示。

對析出的σ相進行EDS分析，結果見表3。由于σ相是一種在600～950℃由鐵素體轉變而成的硬而脆的金屬間化合物［7］。根據鐵-鉻-鎳（鐵的質量分數為70%）三元合金相圖［8］可知σ相具有四方晶體結構，每個晶胞有30個原子，主要成分為鐵和鉻，而且富含鉬、硅等元素。由表3可知，在母材與焊縫金屬中均析出了σ相。這是由于在高溫下，鐵素體中鉻、鉬等元素的含量比奧氏體中的高，而這些合金元素在鐵素體內的擴散速度亦比奧氏體內的快100倍［9］，故雙相不銹鋼在高溫下時效時易在鐵素體內和晶界上析出σ相。

由圖5可以看出，經1 100℃固溶處理后，母材的晶粒細小而均勻，粒徑約為5μm，鐵素體和奧氏體兩相的面積比約為1∶1；焊縫金屬由針狀奧氏體和鐵素體組成，沒有σ相析出，計算得的奧氏體和鐵素體的面積分數分別為65%和35%，

圖4 在800℃時效前后焊接接頭的XRD譜Fig.4 XRD patterns of welded joint before and after aging at 800℃：（a）before aging，weld metal；（b）after aging，base metal and（c）after aging，weld metal

由圖5還可看出，時效后母材中的奧氏體組織發生了變化，在鐵素體基體邊界上析出了σ相；焊縫金屬中的鐵素體基體上有σ相析出。對比相同溫度下的母材和焊縫金屬的顯微組織可以看出，時效處理后，焊縫金屬中的σ相尺寸比母材中的更大。此外，隨著時效溫度升高，σ析出相更多、更大，而且母材和焊縫金屬中的晶粒均有長大的趨勢。

表3 不同溫度時效后焊接接頭中σ相的EDS分析結果（質量分數）Tab.3 EDS analysis results ofσphase in welded joint after aging at different temperatures（mass） %

2.2 沖擊性能

由表4可見，時效前，雙相不銹鋼母材的沖擊功為110J，比焊縫金屬的（78J）高29%。這與它們中的奧氏體、鐵素體含量以及分布有關，母材中α鐵素體的面積分數為50%，低于焊縫區的（65%），且焊縫區α鐵素體的分布不均勻，從而導致焊縫金屬的沖擊功降低。

與時效前相比，時效后母材和焊縫金屬的沖擊功均大幅降低，在800℃時效處理后，母材和焊縫金屬的沖擊功分別降低了90.9%和93.5%。可見，時效溫度對2205雙相不銹鋼沖擊性能的影響很大，雙相不銹鋼母材和焊縫金屬的脆化程度隨著時效溫度的升高而增大。這一規律亦可從圖5的顯微組織中得到驗證。

圖5 不同溫度時效前后焊接接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of welded joint before and after aging at different temperatures：（a）base metal，before aging；（b）weld metal，before aging；（c）base metal，aging at 700℃；（d）base metal；aging at 700℃；（e）base metal，aging at 800℃；（f）weld metal，aging at 600℃；（g）weld metal，aging at 700℃and（h）weld metal，aging at 800℃

表4 時效前后焊接接頭的室溫沖擊功Tab.4 Room temperature impact energy of welded joint before and after aging J

2.3 斷口形貌

由圖6可以看出，時效前，母材和焊縫金屬的沖擊斷口上均存在均勻且較深的韌窩，表現出了良好的韌性；與焊縫金屬相比，母材斷口上的韌窩和撕裂棱更均勻。

在600，700，800℃時效后，母材的沖擊斷口上均存在脆斷特征，呈解理斷裂，如圖6（c）所示；焊縫金屬的沖擊斷口上出現了明顯的解理面，均表現為脆性斷裂，如圖6（d）所示。時效處理后，在母材和焊縫的顯微組織中均有大量σ相析出，如圖5所示，σ相的密度越大，材料的脆性就越大。

圖6 不同溫度時效前后焊接接頭沖擊斷口的SEM形貌Fig.6 Impact fracture SEM morphology of welded joint before and after aging：at different temperatures（a）base metal，before aging；（b）weld metal，before aging；（c）base metal，aging at 800℃；and（d）weld metal，aging at 800℃

3 結 論

（1）2205雙相不銹鋼焊接接頭時效后，在母材的鐵素體基體邊界上、焊縫金屬中的鐵素體基體上均析出了σ相，而且焊縫金屬中σ相的尺寸比母材中的更大。

（2）在不同溫度時效處理后，焊接接頭的沖擊功均降低；時效溫度越高，焊接接頭的脆化傾向越大。

（3）時效前，焊接接頭沖擊斷口上存在均勻且較深的韌窩；時效處理后，焊接接頭表現出脆斷特征，出現明顯的解理面。

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