焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响_孙咸.pdf

国外焊管第46卷 第1期2023年1月Vol.46 No.1Jan.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响孙咸 编译（太原理工大学焊接材料研究所，太原 030024）摘 要：采用伍德（Wood）液态金属对GTAW制作的平板堆焊试件淬火，以及光学金相、电子背散射衍射等测试手段，研究了焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹（Ductilitydip cracking，DDC）敏感性的影响。结果表明，伍德金属淬火在焊缝熔化区中捕获了高温显微组织细节形貌，揭示了310的淬火诱发DDC敏感性比304、316和321严重得多。304和316均凝固为柱状晶粒，沿柱状晶粒之间的边界形成了几乎连续的；由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，阻碍沿晶界的DDC。321凝固为等轴晶粒，等轴晶粒的弯曲边界阻碍DDC。310 凝固为粗直的、沿晶界几乎没有的柱状晶粒，并且晶界迁移变成为局部直的；由此产生的又长又直的裸晶界成为 DDC的理想通道。归纳了奥氏体不锈钢焊缝抗DDC的两种新机制：沿柱状晶的边界形成几乎连续的、非平直的；凝固为等轴晶粒。关键词：焊缝金属；失延裂纹；奥氏体不锈钢：铁素体；奥氏体中图分类号：TG406 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.009Effect of Weld Metal on the Susceptibility of Austenitic Stainless Steel toDuctilitydip CrackingTranslated by SUN Xian(Institute of Welding Consumables,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:The effects of weld metal on the sensitivity of austenitic stainless steel to ductilitydip cracking(DDC)were investigated by means of liquid Woods metal quenching the plate surfacing specimen made of GTAW,optical metallography and electron backscatter diffraction(EBSD)and other test means.The results show that woods metal quenching captures the detailed morphology of elevatedtemperature microstructure in weld fusion zone,and reveals that the susceptibility to DDC induced by quenching is much more severe in 310 than in 304、316 and 321.304 and 316 both solidifies as columnar grains,and resulting in the formation of a nearly continuous along the boundaries between columnar grains;Since grows deep into,grains are bonded together firmly by to resist DDC along grain boundaries.321 solidifies as equiaxed grains,and the tortuous boundaries of equiaxed grains resist DDC.310 solidifies as coarse,straight,columnar grains of with little along grain boundaries,and the grain boundaries migrate to become locally straight.The resulting long,straight,and naked grain boundaries become ideal paths for DDC.Two new mechanisms for resisting DDC in austenitic stainless steel welds are summarized,formation of nearly continuous,nonstraight along boundaries of columnar grains and solidification as equiaxed grains.Key words:weld metal;ductilitydip cracking;austenitic stainless steels;ferrite;austenite0前 言合金在焊接过程中会在一定温度范围内熔化和凝固，在熔池（L）和熔化区（S）之间会形成糊状区（S+L），并且在熔池周围区域中会形成部分熔化区（S+L）。糊状区是半固态的，由于晶粒或树枝晶没有相互结合，而是被液膜隔开，因此它的强度很低。在接近凝固结束时，它的延展性也非常有限，因为此处几乎没有液体可以容纳变形。靠近糊状区的熔化区（由熔化区中的阴影区域表示）也可能具 512023年 第 46 卷焊 管有有限的延展性。这是因为在低于固相线温度Ts的中间温度范围内（通常在0.6 Ts0.9 Ts的范围内），会发生显著的延展性下降。固体的密度高于液体，金属在凝固时会收缩。由于热收缩（由热膨胀系数引起），金属在冷却时也会收缩。因此，糊状区、部分熔化区和熔化区都倾向于在焊接过程中凝固和冷却时收缩。但是，因为它们被连接到更大、更冷的工件而不能自由收缩。这种受阻的收缩会引起拉伸应力，从而导致裂纹。焊接时的裂纹包括糊状区的凝固裂纹（SC）、部分熔化区的液化裂纹和糊状区附近熔化区的失延裂纹（DDC），所有裂纹均为晶间裂纹。所谓失延裂纹（DDC）可以发生在低于固相线温度Ts的中间温度范围内，通常在0.6Ts0.9 Ts之间。对于不锈钢和镍基合金，温度区间相当于8001 150。DDC通常在笔直的奥氏体晶界处萌生，这使裂纹易于扩展。有人认为DDC通过晶界剪切或晶界滑移，类似于蠕变，但速度更快，并且通常在几乎笔直的晶界发生。凝固后，DDC可以从胞状或树枝状凝固晶界（SGB）迁移到基本上笔直的迁移晶界（MGB），且很可能是通过扩散来减少晶界面积，从而减少表面能。对于DDC也提出了其他理论，包括因杂质（如S和P）分离到晶界而引起的晶界脆化等。1试验材料及方法采用钨极气体保护焊（TGAW）工艺焊接304、310、316 和 321奥氏体不锈钢。本试验中TGAW为非熔化极、不另加填充金属，焊缝熔池由母材自熔形成，母材的化学成分即焊缝金属的成分见表1。4种奥氏体不锈钢在平板堆焊时被伍德（WOOD）金属（75）淬火。伍德金属是含有50%Bi（铋）、26.7%Pb（铅）、13.3%Sn（锡）和10%Cd（镉）（按重量计）的易熔合金。由于伍德金属的浇注温度（75）低于锡（Sn）（300），伍德金属淬火比锡（Sn）淬火更容易进行并且更有效。它揭示的显微组织更清楚，更容易诱发裂纹。图 1（a）是一个俯视图，显示了合金焊接过程中的熔池及其后面的糊状区域及靠近糊状区的熔化区中的延展性下降和延展性下降温度区间。图1（b）是垂直截面图（通过焊缝中心线和钨电极的轴线），显示了相对于熔池和糊状区的焊接电弧位置。从工件下方焊接为从上方淬火提供了更多空间。熔化的伍德金属被浇铸到熔池及其周围环境中，以淬火其后面的糊状区域，如图1（c）所示。淬火后电弧立即被熄灭，焊炬在停止前继续行进23 s，以对比处于未淬火状态相同条件下工件的焊接性能。工件长 102 mm，宽 51 mm，厚度为 1.6 mm，沿长度方向的中心线焊接。使用Ar气保护的直流正接（DCEN）电源。焊炬行进速度为1.351.48 mm/s，焊接电流为4855 A，电弧电压7.810 V，弧长最初设定为为2.3 mm。表14种不锈钢的化学成分%牌号304310316321w（C）0.0220.0500.0240.033w（Si）0.4300.5800.4000.490w（Mn）1.101.761.551.01w（P）0.0260.0200.0290.031w（S）0.0030.0010.0020.001w(Ni)8.09019.1010.049.00w(Cr)18.3224.1016.7117.10w(N)0.0530.0300.0310.013w(Cu)-0.080.290.32w(Mo)-0.112.030.30w(Ti)-0.3w(Fe)余量余量余量余量Creq/Nieq1.8471.1281.6191.658图1试验装置示意图 52第1期孙咸：焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响HAN GUAN 对所得焊缝进行切割、抛光和腐蚀。将60 g草酸溶解在600 mL水中形成溶解液，分别电化学腐蚀304不锈钢、316不锈钢和321不锈钢，腐蚀电压为 10 V，腐蚀时间为 15 s。使用由 10 mL HNO3、20 mL HCl 和30 mL H2O组成的混合酸腐蚀310不锈钢。采用光学显微镜观察腐蚀的样品，然后对样品进行电子背散射衍射（EBSD）分析。2试验结果及分析2.1伍德液态金属对奥氏体不锈钢焊件淬火的作用2.1.1奥氏体不锈钢焊缝组织形态的变化表2列出了2种304不锈钢焊接试样的显微组织形态与DDC敏感性的关系，图2比较了304 熔化区的室温显微组织和焊接中捕获的高温显微组织，并显示了焊接方向。可以看出，在图2（a）的室温显微照片中，粗黑虚线表示焊缝顶面中心线附近的弧坑边界，即焊缝弧坑与其后面的熔化区之间的边界。显微照片中存在两个柱状晶粒，一个在左侧，另一个在右侧。骨架（或蠕虫状）-铁素体（SF）存在于左侧晶粒中，而花边（或板条状）-铁素体（LF）存在于右侧晶粒中。这种在奥氏体基体中的骨架/花边-铁素体的显微组织是304不锈钢的熔化区在室温下的典型组织。在这两种晶粒中（在任一晶粒中），显微组织在弧坑边界上（各处）是连续的，这是因为电弧熄灭时，晶粒从边界向焊缝熔池中外延生长所形成的。图 2（b）中的高温状态下的显微组织与图 2（a）室温状态下的显微组织明显不同。首先，在糊状区可以看到初始凝固阶段的树枝晶。二次树枝晶臂在熔池边界附近是清晰的，但由于在像d这样的体心立方（BCC）结构中的快速固态扩散，导致其后粗化而变得无法识别。其次，在黑色虚线之后，沿树枝晶之间的边界通过向转变开始形成。距离黑色虚线越远，生长进入树枝晶就越深。由于深入树枝晶，使得枝晶之间的结合明显加强。这表明裂纹在固态中沿d树枝晶之间的边界扩展，即DDC，是困难得多。显然，不能根据熔化区的室温显微组织来解释抗热裂性。这就是需要在焊接过程中进行淬火以捕获阻碍DDC的高温显微组织的原因。本研究被认为是首次通过焊接过程中的淬火来研究DDC。表22种304不锈钢焊接试样的显微组织形态与DDC敏感性的关系试样类型室温试样伍德液态金属淬火后的试样熔化区显微组织形态+（骨架/板条形铁素体），见图2（a）+（沿树枝晶之间的边界通过转变开始形成），见图2（b）对DDC敏感性的影响无法确切解释对DDC的影响在树枝晶之间形成连续的，由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，DDC在固态中沿树枝晶之间的边界扩展困难得多图2沿304焊缝顶面中心线的纵向光学显微照片 532023年 第 46 卷焊 管与图 2（a）一样，图 2（b）中存在两个柱状晶粒。在黑色虚线之后，