經濟型雙相不銹鋼S32003焊接熱影響區組織與韌性

采用熱模擬試驗機Gleeble-3800模擬了S32003雙相不銹鋼不同焊接線能量下的焊接熱循環，研究了模擬焊接熱影響區的組織與性能。結果表明：隨著焊接線能量的增加，焊接熱影響區的鐵素體體積分數逐漸由88.7%減少到了58.7%，鐵素體和奧氏體兩相組織越來越粗大，焊接熱影響區的沖擊功先增大后減??；隨著測試溫度的降低，熱影響區的沖擊功逐漸降低，低溫沖擊韌性隨著線能量增加下降得更為顯著。

雙相不銹鋼由于具有鐵素體和奧氏體兩相結構，二者的相含量約各占50%，因此具有優良耐腐蝕性和較高的力學性能，近年來在石油化工和海洋工程等制造領域應用越來越廣。S32003是近年發展起來的新型經濟型雙相不銹鋼之一，其耐蝕性優于奧氏體不銹鋼316L，可以替代316L用于石化、儲罐和核電站海水系統等領域。在這些裝備制造過程中，最廣泛運用的加工手段即為焊接，焊接接頭的薄弱環節常常是材料的焊接熱影響區。近年來，圍繞雙相不銹鋼的焊接特性、焊接方法和工藝等方面展開了大量研究，同時采用熱模擬技術預測材料的性能和指導生產工藝日益成為了一種常規手段。國內對其焊接性能研究很少，本文通過采用不同線能量的焊接熱模擬試驗研究了新型的經濟型雙相不銹鋼S32003焊接熱影響區的顯微組織和沖擊韌性，為該材料的應用和推廣提供指導。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗材料為工業生產的9 mm厚的固溶退火后的酸洗板，化學成分如表1所示?？v截面的顯微組織由黑色的鐵素體組織和白色的奧氏體組織組成，鐵素體比例為51.5%，如圖1所示。

1.2試驗設備

Gleeble-3800熱模擬試驗機（美國DSI公司）；Leica DM4000M光學顯微鏡（德國徠卡公司）；ZeissEVO18型掃描電鏡（德國蔡司公司）；ZBC-450B型沖擊試驗機（深圳新三思材料檢測有限公司）。

1.3試驗方法

焊接熱模擬試驗在熱模擬試驗機上進行，焊接熱循環的具體參數見表2，每種熱循環工藝做16個試樣，其中15個試樣開槽后用來測試沖擊功，1個試樣用來觀察顯微組織。模擬試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，模擬后熱影響顯示區域為2.5～3 mm，如圖2所示，沿著模擬區域中心線開V型槽進行沖擊試驗，沖擊試驗在材料試驗系統上按GB/T 229—2007規范進行，試驗數據電腦自動采集，試驗溫度為20、0、－20、－40、－60℃。S32003雙相不銹鋼母材及熱模擬樣品的金相組織侵蝕方法采用鐵氰化鉀堿性試液(20 g KOH＋15 g K 3 Fe(CN)6＋100 mL H 2 O)在溫度60～70℃下進行化學浸蝕，時間約為2 min。采用光學金相顯微鏡對組織進行觀察，采用IA32金相軟件對金相組織進行鐵素體含量的測量，至少測量5個視場然后取平均值。使用掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2試驗結果及討論

圖3為不同焊接線能量下S32003模擬焊接熱影響區的金相組織，線能量由1 kJ/cm增加到40 kJ/cm，鐵素體體積分數由88.7%減少到了58.7%，奧氏體相先由較低線能量時的細針狀向樹枝狀和不規則塊狀逐漸轉變，然后變為粗大的羽毛狀。當焊接線能量為40 kJ/cm時，鐵素體和奧氏體兩相組織明顯長大。由圖4[9]可以看出，母材組織加熱到最高溫度1 300℃時，原組織已經接近全部轉化為鐵素體組織，隨著溫度的降低由鐵素體中逐漸析出奧氏體。由圖5可知，采用1 kJ/cm和5 kJ/cm的較低線能量時，每一溫度下停留的時間較短，冷卻速度較快，奧氏體相析出不充分，焊接熱影響區的鐵素體含量較高；隨后隨著線能量的增加，冷卻速度減慢，奧氏體相析出時間延長，鐵素體含量逐漸減少，奧氏體相逐漸增加，不同線能量下鐵素體含量變化如圖5所示。

不同測試溫度下沖擊功與線能量的關系如圖6所示。線能量由1 kJ/cm增加到25 kJ/cm時，隨著焊接線能量的增大，材料的模擬焊接熱影響區沖擊功逐漸變大；線能量進一步增大到40 kJ時，沖擊功急劇下降，特別是低溫沖擊韌性變得更差。正常情況下，焊接熱影響區的韌性主要有兩個影響因素：兩相組織的粗細和奧氏體相所占的比例，奧氏體相含量升高將有益于沖擊韌性，組織粗大將惡化韌性。由圖3可以發現，線能量由1 kJ/cm增加到25 kJ/cm時，組織逐漸變得粗大，但組織中的奧氏體相含量逐漸增加，這時奧氏體相在組織的比例對沖擊韌性的貢獻較大，模擬焊接熱影響區沖擊功逐漸變大，線能量為25 kJ/cm時，在－60℃的沖擊功都達到了40 J；當線能量為40 kJ/cm時，粗大組織導致模擬焊接熱影響區沖擊功降低，特別是低溫沖擊韌性變得更差，－40℃時沖擊功只有10 J。

線能量為40 kJ/cm時，從－40℃到20℃模擬焊接熱影響區沖擊韌性的斷口形貌如圖7所示。從宏觀形貌來看，20℃時斷口以韌性區為主；0℃和－20℃時斷口由韌性區和脆性區兩個區域組成，脆性區的面積比例大于韌性區；隨著測試溫度的降低，脆性區面積逐漸增大，－40℃時斷口呈現完全的脆性斷裂。從微觀形貌來看，20℃時斷口上韌窩細小而且較均勻，呈網格狀分布，為微孔聚集型的韌性斷裂；0℃和－20℃時微觀斷口呈現韌窩和解理臺階混合型的斷口特征，斷裂形式為準解理斷裂；－40℃時解理臺階是斷口形貌的主要特征，為典型的脆性斷裂，斷裂形式為解理斷裂。

3結論

（1）隨著焊接線能量的增大，鐵素體含量逐漸降低，鐵素體和奧氏體兩相組織越來越粗大。

（2）模擬焊接熱影響區的沖擊韌性隨著焊接線能量的增大先增加后減小。

（3）隨著測試溫度的降低，模擬焊接熱影響區的沖擊功有所降低；線能量采用25 kJ/cm時，沖擊韌性在－60℃時仍然較好。