熱處理對0Cr13Ni5Mo鋼焊接接頭組織和性能的影響

1、 學術規(guī)范與論文寫作超級馬氏體不銹鋼的研究進展及其焊接性能題 目 _任課教師_導 師_材料科學與工程專 業(yè)_學生姓名_學生學號_ 超級馬氏體不銹鋼的研究進展及其焊接性能摘要： 關于低碳馬氏體不銹鋼的研究， 國內外的研究工作開展了很長時間， 但在實際工程應用中仍然出現(xiàn)不少焊接問題， 焊材的選擇、焊接過程控制、焊后熱處理等方面還存在一定的細節(jié)問題， 常常導致宏觀、微觀焊接裂紋，造成成本的浪費和產品質量的下降。本文綜述馬氏體不銹鋼研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，對其未來發(fā)展方向提出了展望。關鍵詞：馬氏體不銹鋼 組織性能 焊接 研究進展0 前沿 50 年代末,由瑞士引入超級馬氏體不銹鋼這個概念, 亦稱軟馬氏體不銹

2、鋼( Supermartensitic Stainless Steel 簡稱SMSS)。它是在傳統(tǒng)馬氏體的基礎上通過降低碳含量(最高含碳量為0.07 %) ,增加鎳(3.5 %4.5 %)和鉬(1.5 %2.5 %) 的含量,使其強度、硬度提高的同時,改善韌性。此外,它還克服了傳統(tǒng)馬氏體在焊接過程中應力裂紋敏感性以及可焊性差等缺點1 。因此,成為不銹鋼族中耀眼的一個系列,受到人們廣泛的關注。 1 馬氏體不銹鋼的研究進展1.1 不銹鋼的發(fā)展及其應用不銹鋼誕生已有近百年歷史，它的發(fā)明是世界冶金史上的一項重大成就。不銹鋼自20世紀初問世以來發(fā)展迅速，至今已形成一個有300多個牌號的系列化大類鋼2，并

3、且應用范圍不斷擴大，消費量劇增。至20世紀90年代世界不銹鋼的消費量平均每年以7.4%的速度增長。我國自2001年起，表觀消費量己連續(xù)五年居世界第一3。隨著石油、化工、能源、宇航和生物工程等工業(yè)技術的發(fā)展，對不銹鋼耐蝕性能及綜合力學性能提出了更高的要求。馬氏體不銹鋼作為不銹鋼的一種發(fā)展至今也已有近百年的歷史，被廣泛應用在注塑模具，玻璃模具，切割模具，結構零件，汽車零部件，外科和牙科儀器。它具有優(yōu)良的機械性能，但相對奧氏體不銹鋼其耐蝕性較低，應用在一些特殊領域就需要提高工件的表面硬度和耐腐蝕性能。馬氏體不銹鋼廣泛應用之前,對許多應用不銹鋼的領域,特別是含二氧化碳,或者含硫化氫腐蝕介質的環(huán)境下,往

4、往使用雙相不銹鋼。一些特殊部件甚至要求使用超級雙相不銹鋼?，F(xiàn)在,人們越來越多地用SMSS來部分取代雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼,這除了SMSS在某些腐蝕環(huán)境下具有強度高、耐蝕性好以及低溫韌性好之外,更主要的原因是SMSS比雙相不銹鋼更經濟4-5 。這是因為: 1) 在重量相等、耐腐蝕性相當?shù)那疤嵯?采用SMSS比采用雙相不銹鋼成本降低大約25% 。2) SMSS的抗拉強度約為雙相不銹鋼2倍,所以用SMSS制作的零部件(如支管、彎頭和輸送管)的壁厚可以減薄,成本降低10%15%?？傆嬒聛?與雙相不銹鋼比較SMSS總成本降低35%45%。另外,隨著氬氧脫碳技術和真空氧脫碳技術的出現(xiàn)和完善,未來新SM

5、SS將會得到繼續(xù)發(fā)展。因此, SMSS在不銹鋼家族中具有極強的競爭優(yōu)勢, 應用前景十分廣闊?，F(xiàn)在SMSS已被廣泛應用于石油和天然氣傳輸管道、造船、海上鉆井平臺、水輪機葉片等行業(yè)。而關于SMSS的焊接,國內外進行了一些研究,但只是處于起步階段,存在許多亟待解決的問題。例如與母材相匹配的焊接材料的開發(fā)、焊接接頭中缺陷的防止和焊接工藝對焊接接頭性能的影響等。1.2 研究現(xiàn)狀近年來,由于SMSS 的廣泛應用,所以國內外對SMSS 焊接材料的研究一直處于快速發(fā)展階段,但是對焊接材料的各項標準還沒有形成統(tǒng)一的標準,對焊接材料的選擇主要考慮要滿足金屬高屈服強度和韌性兼優(yōu)的要求。到目前為止,幾乎所有SMSS

6、管道的焊接都采用雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼焊材,但其焊縫金屬的強度低于母材的強度,在沖擊載荷作用下,焊縫耐疲勞性能較差,容易首先發(fā)生屈服,導致接頭喪失承載能力。而最易發(fā)生局部腐蝕和應力腐蝕的臨界區(qū)是熱影響區(qū),這是由于熔合線附近組織在焊接過程中經反復熱循環(huán)作用,且加熱溫度很高,導致碳和其他合金元素、雜質元素向晶界遷移、析集所造成的6。因此,為了解決上述問題,必須開發(fā)相匹配的焊條或焊絲。由于采用匹配的焊絲將使焊縫金屬同母材在強度、硬度和耐腐蝕性上相類似,即便是在較高的溫度(上限200 ) ,其性能也一樣。采用相匹配的焊絲的另一個優(yōu)點是更適合焊后熱處理。目前低碳馬氏體不銹鋼廣泛用于制造水輪機的轉輪7

7、，從焊接材料上來說，無論是異種鋼焊接還是同種材質不銹鋼焊接，焊接材料的選擇有三種情況，一是奧氏體不銹鋼焊材，如 316L、309型；二是馬氏體不銹鋼焊材，如410NiMo型；其三是Cr17Ni6Mn 型，Cr17Ni6Mn 焊材是具有中國特色的焊材，是哈焊所根據(jù)生產需要同哈爾濱電機廠聯(lián)合開發(fā)的，其金相組織為馬氏體、奧氏體、鐵素體三相，綜合力學性能介于奧氏體材料與馬氏體材料之間,比奧氏體材料有較高的強度和硬度,比馬氏體材料有較好的韌性和焊接性8。國外在轉輪焊接材料的選擇上,多以前兩種情況為主,國內則以一、三兩種情況為主。無論是奧氏體材料或是三相材料,同馬氏體材料相比都存在較大差異,這樣匹配的焊接

8、接頭稱為異材質接頭。異材質接頭由于存在組織不均勻性導致熱膨脹系數(shù)有較大差異,焊接過程中會產生較大的組織殘余應力,且這樣的殘余應力無法通過焊后熱處理的手段來消除9。超級馬氏體不銹鋼是在傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼的基礎上通過降低碳含量，增加鎳( 3.5% 4.5% )和鉬( 1.5%2.5% )的含量而發(fā)展起來的新鋼種。這種鋼抗拉強度高，延展性好，焊接性能也得到了改善，而且具有良好的耐蝕性和可加工性以及較低的經濟成本。超級馬氏體不銹鋼典型的基體金屬顯微組織為回火馬氏體,這種低碳回火馬氏體組織具有很高的強度和韌性10-11。馬氏體不銹鋼淬火后，經一定溫度回火，部分馬氏體將發(fā)生逆轉變，形成逆變奧氏體。這種逆變奧

9、氏體的熱穩(wěn)定很高且彌散分布在低碳板條馬氏體基體間，優(yōu)化了材料的各項性能。2 SMSS焊接冶金的研究進展2.1 SMSS焊接性的研究現(xiàn)狀近年來,由于SMSS的廣泛應用,所以國內外對SMSS焊接材料的研究一直處于快速發(fā)展階段,但是對焊接材料的各項標準還沒有形成統(tǒng)一的標準,對焊接材料的選擇主要考慮要滿足金屬高屈服強度和韌性兼優(yōu)的要求。到目前為止,幾乎所有SMSS管道的焊接都采用雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼焊材,但其焊縫金屬的強度低于母材的強度,在沖擊載荷作用下,焊縫耐疲勞性能較差,容易首先發(fā)生屈服,導致接頭喪失承載能力。而最易發(fā)生局部腐蝕和應力腐蝕的臨界區(qū)是熱影響區(qū),這是由于熔合線附近組織在焊接過程中

10、經反復熱循環(huán)作用,且加熱溫度很高,導致碳和其他合金元素、雜質元素向晶界遷移、析集所造成的。因此,為了解決上述問題,必須開發(fā)相匹配的焊條或焊絲。由于采用匹配的焊絲將使焊縫金屬同母材在強度、硬度和耐腐蝕性上相類似,即便是在較高的溫度(上限200 ) ,其性能也一樣。采用相匹配的焊絲的另一個優(yōu)點是更適合焊后熱處理。2.2 SMSS焊接接頭耐腐蝕性的研究進展接頭的耐腐蝕性能取決于很多因素:焊材的選擇、合金元素、焊接方法和焊接工藝等。SMSS焊縫主要存在以下幾種問題:環(huán)境溫度下焊接熱影響區(qū)(HAZ)由于殘余應力和硫化氫的存在,造成的應力腐蝕或硫化物應力腐蝕(SSC)；在高溫環(huán)境下出現(xiàn)的晶間應力腐蝕開裂;

11、在陰極保護作用下出現(xiàn)的氫脆現(xiàn)象以及孔蝕等現(xiàn)象。為了使材料適合特殊用途的要求,國內外對表面腐蝕和內在腐蝕進行了研究和評價。2.3 SMSS焊接接頭中氫脆的研究由于陰極保護作用,導致SMSS焊接接頭出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象,然而陰極保護導致的氫脆是一個積累過程,裂紋的生成通常在焊接熱影響區(qū)表面開始。因為在焊接熱影響區(qū)表面應力強度和氫濃度都是最高的。當在焊縫表面通過陰極反應產生氫時,就能夠導致氫氣析出或氫滲入金屬基體,后者是造成氫脆的主要原因。2.4 逆變奧氏體對焊接性能的影響SMSS之所以擁有多種優(yōu)異的性能關鍵在于他含有適量的逆變奧氏體。這種奧氏體在室溫下,甚至更低溫度下都可以穩(wěn)定存在,為了與殘余奧氏體區(qū)別開

12、來,根據(jù)其形成的特點,稱之為逆變奧氏體。SMSS具有良好的焊接性能,這除了與低含碳量有關以外,還與其組織特征很大關系。由于SMSS中有較多的逆變奧氏體。焊接時,逆變奧氏體的形變誘發(fā)相變可緩解應力,降低應力集中,阻礙裂紋的形成與擴展,降低鋼的裂紋敏感性。因而,逆變奧氏體的存在對鋼的焊接性能極為有利12 。在熱影響區(qū),由于焊接過程中溫度迅速變化,可以近似看作是循環(huán)加熱,還能夠產生部分的逆變奧氏體,且這一過程形成的逆變奧氏體相當穩(wěn)定。2.5 合金元素對焊接接頭組織性能的影響2.5.1 Cr和Ni的影響由于碳強化作用的減弱, SMSS的強度和硬度主要通過提高Cr、Ni含量加以彌補。鉻、鎳含量的增加不僅

13、可以提高SMSS的強度和韌性,而且可以提高抗疲勞性能和抗磨損性能,這是因為材料在保持了馬氏體為主要基體的基礎上,形成了穩(wěn)定的逆變奧氏體。另外,鉻和碳的相互作用使鋼在高溫時具有穩(wěn)定的或+相區(qū),鉻可以降低奧氏體向鐵素體和碳化物的轉變速度,從而提高淬透性。在焊材中加入Ni不僅增加SMSS焊接接頭強度,而且還可提高韌性,這是因為Ni的加入可以使碳含量降得更低,由于碳含量很低,單一的鐵素體組織將會減少,但Ni含量不能過高,否則由于Ni擴大相區(qū)和降低MS點溫度的雙重作用,將使鋼成為單相奧氏體不銹鋼,從而喪失淬火能力。2.5.2 Mo的影響鉬也是SMSS中加入的元素之一。為了提高焊縫抗腐蝕能力,在焊材中加入

14、1.5 %2.5%的Mo是有利的,因為Mo的抗氫腐蝕性能比Cr高4倍。同時鉬也是鐵素體形成元素,除改善接頭的耐蝕性外,還可以提高接頭的強度和硬度以及增強2次硬化效應。2.5.3 碳的影響眾說周知,碳是影響焊接性能的重要因素,因此在設計鋼的成分配比時,首先注意到碳的含量要低。此外,由于Cr是強碳化物形成元素,在不恰當?shù)臒崽幚頊囟认?SMSS焊接接頭的晶界上會析出Cr的碳化物,這種碳化物在較低溫度下會使接頭的韌性急劇下降；同時由于Cr的碳化物的形成,還會使基體中的Cr含量降低,當Cr含量低于下限的時候,則鋼的耐蝕性也會下降。超低碳可以減少這種Cr的碳化物形成,因而有利于保持SMSS焊接接頭的韌性和

15、耐蝕性。2.5.4 氮的影響氮是促奧氏體形成元素,可以提高焊縫的強度和耐腐蝕性。研究表明, 氮可以增加SMSS的屈服強度,每增加0.001%氮,可增加約6MPa的強度。而且焊接SMSS時,還可采取保護氣體中添加氮的方法來提高焊接接頭的質量13。這是因為氮可以使焊縫金屬中產生少量的殘余奧氏體,彌散分布于馬氏體中?？梢燥@著提高焊縫金屬的韌性,但氮含量過高,易導致產生熱裂紋。2.5.5 Nb的影響Nb是SMSS焊接接頭中的有益元素之一。Nb可以與碳形成穩(wěn)定的碳化物,避免“貧鉻”現(xiàn)象產生。因而,可以提高焊接接頭的抗腐蝕性能；同時,由于Nb具有固溶強化作用,還可以提高焊接接頭的抗拉強度。焊縫在很低的溫度

16、退時,Nb可迅速滲透到基體中。因此,Nb可以有效地提高鋼的高溫強度。在550 和600 回火時,SMSS焊縫中有細小的Nb(C ,N)析出,還可提高焊縫的抗回火軟化性。3 結論1) SMSS以其良好的綜合性能和經濟性越來越多地應用于生產的各個領域,然其在焊材方面大都使用雙相鋼和超級雙相鋼焊材,不免在焊接接頭會出現(xiàn)斷裂和腐蝕等一系列問題。因此,開發(fā)與SMSS相匹配的焊接材料是國內外今后研究的方向。 2) 加大對高性能不銹鋼合金的研究力度，開發(fā)綜合力學性能更好并具有有優(yōu)良可焊性的馬氏體不銹鋼，開發(fā)合金元素在不銹鋼中的潛力也將會成為研究的熱點。3) 焊接工藝對焊接接頭的性能有較大的影響,控制焊接工藝

17、參數(shù)和焊接熱循環(huán),采用合適的焊接方法、焊接熱輸入以及焊后熱處理是解決SMSS焊接接頭裂紋缺陷的有效措施。焊縫組織機理的研究對其性能的影響也是今后研究的方向。參考文獻：1 賈成廠，關秀虎，李曉紅. 機械活化對Mo-Cu 粉末燒結行為的影響J. 粉末冶金技術,2000,18(3):163-166.2 徐效謙等.特殊鋼鋼絲M.北京:冶金工業(yè)出版社.2005: 565.3 范光偉.太鋼鐵索體不銹鋼的最新發(fā)展A.第二寶鋼學術年會論文集C上海:上?？萍嘉墨I出版社.2006: 310-316.4 張瑾瑾,王志法,陳德欣,等. 機械合金化制備Mo顆粒增強銅基復合材料J.礦冶工程,2005,25(4):77279.5 陳君平,施雨湘,張凡等. 高能球磨中的機械合金化機理J.機械,2004,31 (3):52254.6 王香云,蔚世凱. 馬氏體不銹鋼低匹配焊接接頭動態(tài)斷裂韌性研究J.焊接技術,2006,35(6):58262.7 林師焱,楊志勇.0Cr13Ni5Mo高強不銹錒抗磨性能研究及應用J.水機磨蝕, 1998(12): 58-648 李向陽,大型水輪