常用奥氏体不锈钢焊缝金相分析_郭黎群.pdf

2023年04月|370 引言在压力容器制造时，为了防止介质腐蚀母材，可采用奥氏体不锈钢材料，常用材料牌号为 S30408 和S31603。由于该类材料对介质的耐腐蚀性能良好，且便于冷热加工成形，在压力容器行业中应用广泛。因奥氏体钢制压力容器的大量使用，为了保证设备的安全运营，需要了解生产制造过程中产生缺陷的机理，同时就其耐腐蚀性而言，由于使用条件的变化，存在着晶间腐蚀、点蚀及应力腐蚀破裂的问题也需分析。为更好地消除这些缺陷，有必要对奥氏体不锈钢金相组织进行进一步解析，通过对材料本身的组成和焊接过程中的组织形状的变化，找出其物理和化学特征，以便选择合适的检测方法和检测工艺，全面、准确和及时地发现缺陷，确保压力容器设备的安全使用。1 常用奥氏体不锈钢的材料特性1.1 常用奥氏体不锈钢的化学特性常用材料主要是 S30408 和 S31603，这两种材料的主要化学成分非常相似，其中铬的含量都大于13%。S30408 材料中的铬含量相比较多，铬元素的存在将使钢的表面会生成非常有效的氧化物保护膜，由于该保护膜的生成，使得材料在大自然环境下使用，具有天然的耐腐蚀特性。相对来说，S31603 材料的镍含量要略大于 S30408 材料，同时 S31603 材料还具有一定的钼含量。钢在加热过程中，金属组织逐步生成单一的奥氏体组织，由于铬元素大量存在于奥氏体钢中，会对钢中奥氏体晶粒的长大起到一定的阻碍作用，从而使细小的奥氏体晶粒冷却后的组织也将细化。铬元素可与碳生成 Cr3C 金属化合物，该化合物分散分布于金属中，从而提高了材料的强度，增加了材料的韧性，增强了材料的耐磨性。当所处的环境温度不太高时，该化合物也能细化奥氏体晶粒。S30408 材料中Cr3C 金属化合物比较充足，奥氏体晶粒的细化程度比 S31603 材料好。在奥氏体钢中，铬与镍结合后，可在常温下扩大单相奥氏体组织的范围，当奥氏体钢降到常温时，还能保持单一的奥氏体组织，从而使材料具有良好的耐蚀性并大大提高了材料的力学性能。在奥氏体不锈钢中，镍含量的增加不仅会让残余的铁素体完全消除，还会影响 相形成。同时奥氏体组织由于镍的存在而特别稳定，在冷加工过程中抑制了奥氏体组织向马氏体组织的转变，也就是说镍降低奥氏体不锈钢冷加工硬化速率。由于 S31603 材料的 Ni 含量比 S30408 材料多，所以其冷加工时生成马氏体组织较少，冷作硬化的影响不如 S30408 材料强烈。在奥氏体不锈钢制常用奥氏体不锈钢焊缝金相分析郭黎群，洪君华*，张洪波(台州市特种设备检验检测研究院，浙江 台州 318000)摘要：通过了解奥氏体不锈钢的化学特性和力学性能，来分析其金相组织的生成和分布。使用不同的材料，采用不同的焊接方法，在薄板奥氏体不锈钢焊接接头的母材、熔合区和焊缝的金相图中，寻找金相组织的构成情况，组织的生长方向、晶粒尺寸的变化情况，从而为超声波检测提供方向。关键词：奥氏体不锈钢；晶粒尺寸；晶粒方向；金相组织中图分类号：TG172.9 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)12-0037-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.12.011Metallographic Analysis of Commonly Used Austenitic Stainless Steel WeldsGUO Li-qun,HONG Jun-hua*,ZHANG Hong-bo(Taizhou Special Equipment Inspection and Testing Institute,Taizhou 318000,China)Abstract:Analyze the formation and distribution of metallographic structure of austenitic stainless steels by understanding their chemical properties and mechanical properties.Using different materials and different welding methods,in the metallographic diagram of the base metal,fusion zone and weld of the thin plate austenitic stainless steel welded joint,the composition of the metallographic structure,the growth direction of the tissue,and the change of grain size are sought,so as to provide direction for ultrasonic testing.Keywords:austenitic stainless steel;grain size;grain orientation;metallographic organization质量与检测38|2023年04月压力容器封头的冷加工压制后，S30408 材料的封头在变形处的磁性非常强，S31603 材料的封头在变形处的磁性相对要弱许多，就是 S31603 材料中奥氏体组织向马氏体组织转变的少。S31603 材料比 S30408 材料多了钼元素，钼在奥氏体不锈钢中的主要作用是改善材料的各种耐腐蚀性能。钼的耐蚀作用只有在奥氏体钢中铬的含量较高时才有效，钼主要是强化铬的耐蚀作用，但是由于这些材料制造的设备常常在有氯离子较多的环境下使用，产生的应力腐蚀主要以点腐蚀为主，因此奥氏体不锈钢 S31603 比不含钼的 S30408 具有更好的耐氯化物应力腐蚀性能。1.2 合金元素在奥氏体钢中的力学性能奥氏体不锈钢不仅具有耐酸性和抗氧化性，还有很好的高温和低温力学性能。奥氏体不锈钢的显微组织是面心立方结构，结构间隙较大，体现的力学性能是强度较低，但是塑性和韧性较高。在材料标准中，奥氏体不锈钢经固溶热处理后的抗拉强度一般为 480520 MPa，冲击值也非常高，实际试验值可达 120 J 及以上。所以在压力容器标准中，使用温度-196 奥氏体不锈钢材料，可以免做冲击试验。在压力容器制造中，采用的奥氏体不锈钢应该以固溶热处理状态供货，但其力学性能不能通过热处理进行调整。奥氏体不锈钢中含有铬、钼、镍等合金元素，其在奥氏体中的膨胀和熔化还原程度远小于碳的扩散速率，合金与钢中碳结合成碳化物的存在也降低了碳在奥氏体中的扩散速率，因此合金钢的奥氏体均匀化时间应比碳钢长得多。镍铬奥氏体不锈钢的屈服强度较低，断后伸长率较高达到 40%以上。18Cr-8Ni 钢的奥氏体组织稳定性比较差，主要是由于钢中奥氏体转变马氏体所需的温度都在室温上下，所以在较低的温度下部分奥氏体就可以很容易转变成马氏体，改变了材料的强度、韧度和磁性等性能。高性能奧氏体不锈钢含有高铬和高钼，镍含量要达到 20%左右才能保证奥氏体结构稳定。增加合金镍和铬的含量可以提高奥氏体组织稳定性，但会在低温下出现磁性，也不会使奥氏体钢强度有增加。镍可以改善对某些还原性酸的耐蚀性，提高了耐应力腐蚀断裂性能，镍还可以降低冷变形过程中的加工硬化率，在对奥氏体不锈钢进行冷压时，采用镍含量高的材料，会降低硬化应力，具有良好的塑韧性(特别是低温下的塑韧性)，可以防止发生低应力脆性破坏。S30408 由于铬含量比 S31603 多，所以晶粒更细小，相应的具有更高的强度和更好的塑性、韧性。2 奥氏体焊接接头金相组织的特点奥氏体不锈钢的焊接接头由于本身的材料特性，在显微镜下焊缝金相组织呈现铸造组织形态。奥氏体不锈钢焊缝中的金相组织在冷却过程中是不发生相变的，由于合金元素镍的加入会降低钢的临界冷却速度，在冷却时增加奥氏体组织的稳定性，抑制其分解，使高温下形成的奥氏体组织保持到常温。为了获得奥氏体不锈钢焊缝较好的耐晶间腐蚀和抗热裂纹能力，选择焊材时会考虑加入 Cr、Si、Mo 等元素，使焊缝金属获得除奥氏体组织外，还有少量的铁素体组织，比例控制在 3%5%以下。铁素体组织的存在可以容纳比奥氏体组织较多的杂质，从而减少了在奥氏体晶界的低熔点共晶物的聚集，减少了热裂纹产生的几率。另外金属 Cr 在铁素体内的扩散速度比较快，因此Cr 在铁素体内能快速向晶界转移，避免了奥氏体晶界的贫铬现象，降低晶界腐蚀的发展倾向，所以整个焊接接头的金相与铁素体组织迥异。2.1 常用奥氏体钢母材的金相组织特点奥氏体不锈钢的金相组织为单一相奥氏体，这种组织是在-Fe 中形成的间隙固溶体，是一种具有良好塑性，但强度较低的固溶体，虽有一定韧性，却不具有铁磁性。奥氏体组织是面心立方结构，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳1。铁碳相图中奥氏体组织是高温相组织，存在于临界点 A1 线以上，由于在钢中含有大量的镍和锰，奥氏体组织的范围变大，使得冷却过程中未产生铁素体组织，而依然保存奥氏体组织。奥氏体组织中容碳量高，随着含碳量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加。由于奥氏体钢中碳原子会优先与铬离子化合成 Cr23C6，造成晶间腐蚀，所以奥氏体钢中都会控制较低的含碳量。同时在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形，经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶，在金相图中观察到白色的块状物，凡是呈网络状分布的都是沿晶界分布，有少量孪晶存在，晶界比较直，呈规则多边形。对 两 种 常 用 的 奥 氏 体 不 锈 钢(S30408 和S31603)的母材进行金相观察，S30408 母材金相2023年04月|39图如图 1 所示，S31603 母材金相图如图 2 所示。从 图 1 和图 2 中可见，在高倍时观察，常温下奥氏体组织的尺寸比较粗大；相对而言，S31603 母材的奥氏体晶粒尺寸要比 S30408 母材的晶粒尺寸大。两种材料的母材处都存在带状分布的 a 相，S31603 母材的a 相要远多于 S30408 母材。图1 S30408母材金相图2 S31603母材金相2.2 常用奥氏体焊缝熔合区金相组织特点焊接热影响区受到焊缝焊接时的热能多重影响，母材虽未熔化却因受热而发生金相组织和力学性能变化。焊接热影响区的组织和性能基本上反映了焊接接头的性能和质量。对低碳钢及合金元素较少的低合金钢高强度结构钢，焊接热影响区金相组织变化较大，分为过热区的粗大过热组织、正火区细小的铁素体和珠光体、不完全重结晶区中晶粒大小不同的铁素体和珠光体，碳钢熔合区金相如图 3 所示。图3 碳钢熔合区金相奥氏体不锈钢焊接时，其热影响区也是经历热加工过程，但采用窄焊道尺寸，幅度很小的摇摆焊，较小的焊接参数，减少了线能量。这次选用的是氩弧焊和CO2气体保护焊，焊接热能量值不大，热影响区组织也为奥氏体，晶粒大小变化不大，S30408 熔合区金相如图 4 所示，S31603 熔合区金相如图 5 所示。图4 S30408熔合区金相图5 S31603熔合区金相从以上金相图中可得，热影响区和母材组织差异不大，焊接工艺条件良好。只是在热影响区和母材存在带状分布的 a 相，数量有限，对材料的耐蚀性和强度影响不大。a 相这种组织是 500900 时长时间时效析出，沿晶间分布，影响材料的冲击韧性。S31603 材料中熔合区晶粒尺寸比 S30408 的晶粒大，带状铁素体相分布多。2.3 常用奥氏体焊缝金相组织特点奥氏体不锈钢焊缝中组织的形成机理不同于碳钢焊缝，从铁碳合金图中可见，碳钢的焊缝中组织结晶过程是从液态的奥氏体组织通过相变成为固态的铁素体和珠光体组织。而奥氏体的结晶过程中，由于合金元素镍和锰扩大了奥氏体的范围，所以高温降到低温时，金相组织仍然为奥氏体组织，整个结晶过程中没有发生相变。对一般的结构焊接，可选用 E308 焊条。而焊接电源的选择，因交流焊接熔深较浅，尽可能采用直流反接。用于焊接不锈钢