316L不锈钢焊接头回火组织与性能

来源:四川理工学院材料与化学工程学院作者:罗昌森

应用H00Cr21Ni10奥氏体不锈钢焊丝和00Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢焊丝对316L不锈钢进行焊接及焊后回火热处理实验,采用金相显微镜、维氏硬度计、拉伸试验机对焊接样品进行检测与分析。结果表明:00Cr13Ni5Mo焊丝焊接的316L不锈钢焊接头,经过680℃×1h回后,焊缝心部组织为低碳回火马氏体和铁素体并弥散分布碳化物和合金化合物等析出相颗粒,该焊接头表现出良好的性能,强度、硬度高,塑性、韧性好。H00Cr21Ni10焊丝焊接的316L不锈钢焊接头,焊缝强度低;经过680℃×1h回火后,焊缝心部组织为树枝晶与胞状晶形态的奥氏体、板条状铁素体以及聚集长大的析出相颗粒,焊接头力学性能得到改善,焊缝心部强度、硬度提高,塑性、韧性不变。

316L不锈钢是一种典型的奥氏体不锈钢,在石油化工等行业得到广泛应用,因Mo元素的添加其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好,尤其是耐晶间腐蚀,同时还具有良好的耐氯化物侵蚀的性能。在石油化工生产中由于煤焦油的氯化物含量较高,焦油分流设备等几乎都采用了316L型不锈钢。焦油分流设备的制造需要对板材进行焊接,研究316L不锈钢焊接头的焊缝组织及焊接头热处理后的焊缝组织与性能,可以为焊接工艺提供理论帮助。

1、实验材料及方法

实验材料为316L不锈钢,化学成分(质量分数,%)为:≤0.030C,≤1.00Si,≤2.00Mn,≤0.030S,≤0.035P,16.00~18.00Cr,12.00~16.00Ni,2.00~3.00Mo。样品尺寸为80mm×10mm×2mm。填充材料:①H00Cr21Ni10奥氏体不锈钢焊丝(ER316L:AWSA);②00Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢焊丝。

方案:应用逆变直流氩弧焊电焊机TIG-135A焊接样品,经两种填充焊丝焊接后,采用箱式电阻炉SX2-4-10进行680℃×1h的回火热处理。

检测:应用NIKONEPIPHOT200金相显微镜观察分析显微组织,采用小负荷维氏硬度计HV-5测量焊缝及热影响区各区域硬度值,应用微机控制电子万能试验机RGM-50测量焊接头样品强度。

2、结果与讨论

2.1、显微组织

316L不锈钢应用H00Cr21Ni10焊接样品的焊缝及热影响区的组织见图1。由图1可见,焊缝区(图1a)心部组织是奥氏体+铁素体,并且弥散分布碳化物和合金化合物颗粒等析出相质点。大量的奥氏体是以树枝晶与胞状晶形态均匀分布,少量的残留铁素体则以横切过原始树枝晶的生长方向的板条形状分布。残留铁素体的形成是焊缝心部在焊后熔池的冷凝过程中,由于1200℃时,316L的Creq/Nieq比处于Fe-Cr-Ni系w(Fe)=70%的伪二元相图的δ+γ两相区内,凝固以FA模式(注:FA凝固模式是以铁素体为初始析出相,凝固终了时仍然存在铁素体)进行,在焊后快速冷却得到板条状铁素体。由于铬是强碳化物生成元素,加上316L中添加的碳化物形成元素钼,在凝固过程中M23C6(其中M代表:Cr,Fe,Mo)会沿晶界快速析出,冷却过程还会有其它碳化物析出成为析出相颗粒。该组织塑性、韧性高,屈服强度低,加工硬化强。熔合区(图1b)组织为奥氏体+铁素体,奥氏体以胞状晶形态均匀分布,并且弥散分布碳化物和合金化合物颗粒等析出相质点。

粗晶区(图1c)的组织图中,左上部分为粗大晶粒,晶粒明显长大,其组织为奥氏体+少量铁素体,并有弥散分布的碳化物和合金化合物等析出相质点的小颗粒;粗晶区的组织图中右下部分组织与左上部分相同,但晶粒变细小,可见,粗大晶粒区域很窄。原始组织区域(图1d)是典型的具有平直晶界的奥氏体晶粒,存在少量的铁素体。

H00Cr21Ni10焊接样品各区域显微组织

图1 H00Cr21Ni10焊接样品各区域显微组织(a)焊缝区;(b)熔合区;(c)粗晶区;(d)原始组织

结论

1)H00Cr21Ni10焊丝焊接的316L不锈钢焊接头,焊缝区心部组织是奥氏体+铁素体及弥散分布的碳化物和合金化合物等析出相颗粒。焊缝区大量的奥氏体是以树枝晶与胞状晶形态均匀分布,少量的残留铁素体则以横切过原始树枝晶的生长方向的板条形状分布。焊缝强度、硬度低,拉伸断裂位于焊缝处;

2)应用00Cr13Ni5Mo焊丝焊接的316L不锈钢焊接头,焊缝区心部组织是由板条马氏体+残留铁素体及弥散分布的碳化物和合金化合物等析出相质点的小颗粒;

3)采用H00Cr21Ni10焊丝焊接的316L不锈钢焊接头经过680℃×1h回火后,焊缝心部组织为奥氏体+铁素体及已聚集长大的碳化物和合金化合物等析出相颗粒,奥氏体为树枝晶与胞状晶形态,铁素体为板条形状。焊缝心部强度、硬度提高,拉伸断裂出现在热影响区;

4)00Cr13Ni5Mo焊丝焊接的316L不锈钢焊接头,经过680℃×1h回火后,焊缝心部组织转变为带有原马氏体条方向痕迹的回火马氏体,铁素体略有长大,碳化物和合金化合物等弥散分布的析出相颗粒明显的聚集长大。该组织使强度、硬度提高,塑性、韧性几乎不变,拉伸试验表现出良好的塑韧性,拉伸断裂出现在热影响区,用00Cr13Ni5Mo焊丝焊接的焊接头样品经回火处理后表现出良好的质量。