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氮对316L不锈钢焊缝力学性能的影响

来源:至德钢业 日期:2018-12-21 23:58:03 人气:1120

为研究氮对316L不锈钢焊缝力学性能的影响,采用不同氮质量分数的三种自行研制的焊丝,分别对几组316L不锈钢试板进行钨极氩弧焊(Tungsten inert gas, TIG)焊接,焊后通过金相显微镜和扫描电镜分别观察并分析相应的焊缝组织,采用磁性法测量焊缝的铁素体的质量分数,并对焊缝的拉伸性能、冲击性能等力学性能进行测试。从氮的固溶和焊缝组织的变化等方面综合分析氮对316L不锈钢焊缝力学性能的影响。结果发现,随着氮质量分数的增加,焊缝奥氏体组织明显粗化,铁素体质量分数呈下降趋势焊缝强度有所提高,且氮质量分数由0.011%增加到0.081%时焊缝强度的平均提高程度小于氮质量分数由0.081%增加到0.10%时焊缝强度的平均提高程度另外,焊缝的塑性及冲击韧度均有所降低。

316L不锈钢是一种超低碳的奥氏体不锈钢,具有良好的综合力学性能、耐腐蚀性能及焊接性,因而广泛应用于各种石油化工及电站设备的生产制造。超低的碳质量分数使其与传统316不锈钢相比具有更好的耐晶间腐蚀能力,但同时也显著降低了其强度,从而限制了316L不锈钢在某些对强度要求较高的环境下的应用。国内外已有大量关于氮(N)对金属性能的影响方面的研究,研究方向主要集中在氮的合金化,氮合金化是改善316L不锈钢强度的有效措施。MA[1]研究发现N的固溶能明显提高材料的屈服强度和抗拉强度,同时不降低其他力学性能和耐腐蚀性能,还可以通过冶炼工艺的控制和热处理来减少杂质元素和缺陷,并控制铁素体质量分数接近于0,最终获得单一均匀的奥氏体组织。但是SHANKAR[2-3]在其研究中发现对于焊缝而言,由于焊接过程中的不平衡凝固造成的偏析将导致焊缝成分组织相对于母材的不均匀,N不仅能通过固溶来提高焊缝强度,还能改变焊缝组织从而影响焊缝强度。此外,N在焊缝中不仅以固溶态存在,还可能以氮化物和氮气孔的形式出现,焊缝中一般还会含有一定量铁素体,这些因素最终都会影响到焊缝的强度,因而N对焊缝强度的影响是复杂的。目前关于N对奥氏体不锈钢焊缝强度的影响的研究还比较少,本文采用不同含氮量的三种焊丝对316L不锈钢进行了焊接,综合分析了氮的固溶、奥氏体组织的形态和铁素体质量分数等因素对焊缝强度及其他力学性能的影响。

1试验材料及试验方法

母材为316L不锈钢,三种焊丝为自行研制,直径均为2.4 mm,其熔敷金属化学成分分析结果如表1所示。

试板尺寸及坡口设计参照GB26521989《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》,焊接工艺参数见表2

焊前试板及垫板均用钢丝刷进行了表面清理。试验过程中采用AMET Maipulator焊机对控氮316L不锈钢进行了钨极氩弧焊(Tungsten inert gas,TIG)焊接。金相试样经打磨抛光,10%铬酸中电解约30 s,电压为4.5 V。采用LEICA MEF4金相显微镜对焊缝最后焊道组织进行了观察采用铁素体磁性测量仪对焊缝不同位置的铁素体质量分数进行了测量参照GB26491989《焊接接头力学性能试验取样方法》截取了焊缝的拉伸及冲击试样,试验分别在UH-F50A(250 kN)拉伸试验机和JBZ-300自动冲击试验机上进行。

2试验结果及分析

焊缝的力学性能主要取决于其成分和组织,N的添加必然会改变焊缝的合金成分,N还是一种很强的奥氏体化元素,因而会对焊缝组织产生一定影响。本文以下将分别从成分和组织两方面综合分析N对焊缝强度、塑性和冲击韧度的影响。

2.1焊缝的强度

2.1.1氮的存在形式

三种焊缝化学成分的区别在于N质量分数分别为0.011%0.081%0.100%,N质量分数的变化将直接影响焊缝强度,但是N在焊缝中的存在形式也很关键。N在焊缝中一般主要以固溶态存在,但是当焊缝N质量分数超过其固溶度极限时,就容易出现氮气孔和氮化物,直接影响焊缝强度。N在不锈钢中的固溶度主要取决于三个因素温度、压力和合金成分。SIWKA[4]建立了N在液态Fe-N-X系合金中的溶解度的表达式 2()(N)NN(Fe)NNNlglglglgxwKffp=−− (1) 式中,wN表示N质量分数,2Np表示N分压,KN(Fe)表示N在液态合金中分解反应的平衡常数,()Nxf表示N在液态Fe-N-X系合金中的活性系数,(N)Nf表示N在液态Fe-N系合金中的活性系数。由此可以计算出NFe-N-X系合金中的固溶度,N316L不锈钢中凝固温度的最大固溶度约为0.2%,本文试验中并没有在焊缝中观察到氮气孔和氮化物,这可能是因为氮质量分数没有超过其固溶度,因而可以认为在本文试验中N在焊缝中全部以固溶态存在,没有通过形成氮气孔和氮化物来影响焊缝强度。

2.1.2N的固溶

关于N对奥氏体不锈钢强度的影响,国内外已有很多研究。在奥氏体中,N是最有效的固溶强化元素之一,NC同属于间隙固溶强化元素,但是N不但能引起更大的FCC晶格畸变,还能在奥氏体不锈钢中引起更强的位错钉扎力,N还会引起奥氏体中的层错堆垛能的降低。因而,N能有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度。

根据Labusch的理论,奥氏体不锈钢的强度与(N原子分数)2/3呈线性关系[5],OHKUBOK[6]在研究不同合金元素对316不锈钢强度的影响时得到了同样的线性关系一般认为,在固溶退火Cr-Ni奥氏体不锈钢中每增加1%(原子分数)N,其屈服强度和抗拉强度将提高200%300%国内相关研究表明,每增加0.01%N,奥氏体不锈钢的室温强度将提高610 MPa[7]

本文试验中三种焊缝的拉伸性能测试结果如表3所示,焊缝N质量分数由0.011%增加到0.081%,其屈服强度提高了20 MPa,平均每增加0.010%N,屈服强度提高约3 MPa焊缝N质量分数由0.081%增加到0.10%,其屈服强度也提高了20 MPa,平均每增加0.010%N,屈服强度提高约10 MPa

由此可见,随着N质量分数的增加,焊缝强度虽然有所提高,但总体效果不如在锻制合金中明显另外,N质量分数在0.011%0.081%0.081%0.100%这两个区间变化时对焊缝强度的提高效果明显不同,如图1所示。

2.1.3焊缝组织

N能有效稳定奥氏体组织,但由于焊缝的整个凝固过程很短,造成δ-γ转变不完全,最终焊缝中会残留一定量铁素体,因而三种焊缝的组织均由奥氏体和少量δ铁素体组成,并且由于N的强奥氏体化作用,焊缝中的δ铁素体质量分数随含N量增加而明显下降,如图2所示。

本文通过计算和实测两种方法分析了三种焊缝的铁素体质量分数。通过Creq/Nieq计算再对照修正的舍夫勒组织图得出焊缝的铁素体质量分数分别为8.0%3.5%1.5%,铁素体磁性测量仪的实测值分别为7.6%3.2%1.1%,可以看出随着含氮量的增加,焊缝铁素体质量分数呈现如图3所示的下降趋势。

在奥氏体—铁素体双相不锈钢中,由于FCC结构的奥氏体相和BCC结构的铁素体相有不同的物理、化学和力学性能,相间的相互作用将产生微应力来维持不同位向晶粒间的平衡。这种应力对材料的应力腐蚀开裂和屈服等行为有显著影响,因而将影响材料的强度、变形和断裂行为。研究表明铁素体质量分数的降低会导致材料强度的降低[8],LEE[9]研究了铁素体质量分数在不同温度下对304奥氏体不锈钢屈服强度的影响,结果如图4所示。SHAIKH[10]在对奥氏体不锈钢焊缝的研究中发现,1 423 K退火,焊缝中铁素体质量分数降低,同时焊缝强度也出现下降。此外,LIN[11]研究发现,铁素体质量分数的下降还会导致焊缝残余应力的增加,这对焊缝强度也是不利的。

铁素体在焊缝凝固过程中能有效阻碍一次奥氏体组织的长大δ铁素体还具有强烈的形核效果,因而能细化二次奥氏体组织。随着焊缝N质量分数增加,铁素体质量分数逐渐降低,其阻碍一次奥氏体组织长大和细化二次奥氏体组织的作用都将减弱,从而导致焊缝奥氏体组织的粗化,如图5所示。

从枝晶本身来看,焊缝的一次枝晶间距λ1和二元合金系凝固过程中的热循环及材料变量有关0.25010.250.254.3(()RTDΓkvGλΔ=)

(2) 式中,ΔT0为凝固温度区间,D为溶质扩散系数,Γ为Gibbs系数,Γ=Eσ/Δsf,Eσ为固—液表面能,Δsf为熔化熵,k为平衡溶质分配系数,vR为凝固速度,G为温度梯度。在其他变量都相同的情况下,00Δ=(1)/TmCkk,m为液相线斜率,C0为溶质元素在液体中的初始固溶量。通过这个等式可以将一次枝晶间距公式写成与固溶量相关的简化形式0.2510=()λAC

(3) 式中,常数A综合了除固溶量C0以外的其他因素,可以看出,随氮质量分数的增加,焊缝一次枝晶间距增大,导致组织粗化。

焊缝奥氏体组织粗化将最终导致其强度的降低,具体关系可以用Hall-Petch关系表示为1/2y0=σσkd+ (4) 有研究发现,(4)中的系数kN质量分数有关,TSUCHIYAMA[13]特别研究了奥氏体不锈钢304N1316LkN质量分数的关系,结果如图6所示。可见N增大了系数k,尽管这在一定程度上减轻了组织粗化造成的焊缝强度降低,但由于N质量分数的变化区间相对较小,k值的变化范围很小,因而组织的严重粗化最终还是会使焊缝强度降低。

根据上述分析,N的固溶和焊缝组织的改变都对焊缝强度造成了影响。其中N的固溶提高了焊缝强度,焊缝组织的粗化和铁素体质量分数的降低则能导致焊缝强度的下降。如果设焊缝强度的实际提高为X,同时设氮的固溶提高的焊缝强度为A,组织粗化造成的焊缝强度降低为B,铁素体质量分数降低造成的焊缝强度降低为C,X可表示为()XABC=+据此,对于N316L不锈钢焊缝强度的影响可作如下讨论。

(1) 随着N质量分数增加,焊缝组织明显粗化,铁素体质量分数明显降低,+>0BC,因而<XA,N对本文焊态合金强度的提高没有在锻制合金中显著。

(2) N质量分数由0.011%增加到0.081%,铁素体质量分数约下降了4.5%N质量分数由0.081%增加到0.100%,铁素体质量分数约下降了2%,平均下降程度相对较小。奥氏体组织粗化的部分原因也是铁素体质量分数的下降,因而N质量分数由0.081%增加到0.100%,焊缝组织的粗化和铁素体质量分数的降低所造成的焊缝强度下降较小,B+C较小。这可能是N质量分数在0.011%0.081%0.081%0.100%这两个区间变化时对焊缝强度的提高效果不同的原因。

2.2焊缝塑性及冲击韧度

一般来说,间隙固溶强化将同时提高材料的流变应力和加工硬化率,但前者的提高幅度远大于后者,因而造成均匀塑性下降间隙固溶原子还会造成晶体点阵的严重畸变,

加大微裂纹尖端的应力集中程度,因而导致材料的冲击韧度下降。但实际上,N在奥氏体不锈钢中的间隙固溶在显著提高材料强度的同时,并不会造成其塑性和冲击韧度的明显

下降。

从本文中对焊缝室温力学性能的测试结果来看,随着含氮量的增加,焊缝拉伸试样的断后伸长率和断面收缩率均明显下降,如表3所示,表明其塑性明显下降焊缝的室温冲击韧度也有所降低,如表4所示。

本文焊缝中N主要以间隙固溶态存在,不会直接造成其塑性和冲击韧度的明显下降,因而焊缝塑性和冲击韧度降低的主要原因在于其组织的变化,即之前分析的焊缝奥氏体组织的粗化和铁素体数目的减少。

奥氏体组织的粗化将导致每个晶粒中塞积的位错数目增多,加大应力集中,促进微裂纹的萌生,增大断裂应变,同时减少了可以阻碍裂纹扩展的晶界的面积,增大了晶界上杂质元素的偏聚浓度,因而,使材料的塑性和冲击韧度降低。

δ-铁素体在室温时对材料的冲击韧度并无明显影响,关于δ-铁素体对奥氏体不锈钢塑性的影响国外已有一定研究,根据文献[9]中对304奥氏体不锈钢的研究,在低温下,304不锈钢中δ-铁素体质量分数的降低会使其塑性的有所提高,但是在室温下(300 K),随着δ-铁素体质量分数的变化,304不锈钢塑性的变化趋势并不明显,特别是δ-铁素体质量分数在0%10%变化时,304不锈钢的塑性基本没有变化,如图7所示。δ-铁素体质量分数超过10%,304不锈钢的塑性出现下降,其可能原因在于,此时较高的铁素体质量分数容易导致脆性σ相的

析出。

本文中三种焊缝的δ-铁素体质量分数均没有超过10%,因而,其质量分数变化对焊缝塑性的直接影响基本可以忽略。但是本文中焊缝δ-铁素体的分布随着焊缝氮质量分数和凝固模式改变也发生了变化,δ-铁素体分布于奥氏体枝晶轴上和分布于枝晶间对于焊缝塑性变形的阻力有一定差别,其中δ-铁素体分布于奥氏体枝晶间时对塑性变形的阻力较大,因而,δ-铁素体分布的变化也是焊缝塑性降低的一个原因。

3结论

(1) 焊缝中N质量分数增加时,焊缝强度有所提高,N质量分数由0.011%增加到0.081%时焊缝强度的平均提高程度小于N质量分数由0.081%增加到0.100%时焊缝强度的平均提高程度。

(2) 焊缝中的奥氏体随着N质量分数的增加明显粗化,焊缝组织的粗化能造成其强度、塑性和冲击韧度的降低。

(3) 焊缝中N质量分数增加时,δ-焊缝铁素体质量分数逐渐较少,δ-铁素体质量分数的减少能导致焊缝强度的降低,δ-铁素体分布的变化对焊缝塑性有一定影响。

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