熱處理對(duì)0Cr13Ni5Mo鋼焊接接頭組織和性能的影響

1、 學(xué)術(shù)規(guī)范與論文寫作超級(jí)馬氏體不銹鋼的研究進(jìn)展及其焊接性能題 目 _任課教師_導(dǎo) 師_材料科學(xué)與工程專 業(yè)_學(xué)生姓名_學(xué)生學(xué)號(hào)_ 超級(jí)馬氏體不銹鋼的研究進(jìn)展及其焊接性能摘要： 關(guān)于低碳馬氏體不銹鋼的研究， 國內(nèi)外的研究工作開展了很長(zhǎng)時(shí)間， 但在實(shí)際工程應(yīng)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(xì)節(jié)問題， 常常導(dǎo)致宏觀、微觀焊接裂紋，造成成本的浪費(fèi)和產(chǎn)品質(zhì)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(duì)其未來發(fā)展方向提出了展望。關(guān)鍵詞：馬氏體不銹鋼 組織性能 焊接 研究進(jìn)展0 前沿 50 年代末,由瑞士引入超級(jí)馬氏體不銹鋼這個(gè)概念, 亦稱軟馬氏體不銹

2、鋼( Supermartensitic Stainless Steel 簡(jiǎn)稱SMSS)。它是在傳統(tǒng)馬氏體的基礎(chǔ)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(qiáng)度、硬度提高的同時(shí),改善韌性。此外,它還克服了傳統(tǒng)馬氏體在焊接過程中應(yīng)力裂紋敏感性以及可焊性差等缺點(diǎn)1 。因此,成為不銹鋼族中耀眼的一個(gè)系列,受到人們廣泛的關(guān)注。 1 馬氏體不銹鋼的研究進(jìn)展1.1 不銹鋼的發(fā)展及其應(yīng)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(xiàng)重大成就。不銹鋼自20世紀(jì)初問世以來發(fā)展迅速，至今已形成一個(gè)有300多個(gè)牌號(hào)的系列化大類鋼2，并

3、且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，消費(fèi)量劇增。至20世紀(jì)90年代世界不銹鋼的消費(fèi)量平均每年以7.4%的速度增長(zhǎng)。我國自2001年起，表觀消費(fèi)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(shù)的發(fā)展，對(duì)不銹鋼耐蝕性能及綜合力學(xué)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(yīng)用在注塑模具，玻璃模具，切割模具，結(jié)構(gòu)零件，汽車零部件，外科和牙科儀器。它具有優(yōu)良的機(jī)械性能，但相對(duì)奧氏體不銹鋼其耐蝕性較低，應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)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(yīng)用之前,對(duì)許多應(yīng)用不銹鋼的領(lǐng)域,特別是含二氧化碳,或者含硫化氫腐蝕介質(zhì)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(jí)雙相不銹鋼?，F(xiàn)在,人們?cè)絹碓蕉嗟赜肧MSS來部分取代雙相不銹鋼和超級(jí)雙相不銹鋼,這除了SMSS在某些腐蝕環(huán)境下具有強(qiáng)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(jīng)濟(jì)4-5 。這是因?yàn)? 1) 在重量相等、耐腐蝕性相當(dāng)?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(qiáng)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?jì)下來,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(shù)和真空氧脫碳技術(shù)的出現(xiàn)和完善,未來新SM

5、SS將會(huì)得到繼續(xù)發(fā)展。因此, SMSS在不銹鋼家族中具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 應(yīng)用前景十分廣闊。現(xiàn)在SMSS已被廣泛應(yīng)用于石油和天然氣傳輸管道、造船、海上鉆井平臺(tái)、水輪機(jī)葉片等行業(yè)。而關(guān)于SMSS的焊接,國內(nèi)外進(jìn)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(duì)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(yīng)用,所以國內(nèi)外對(duì)SMSS 焊接材料的研究一直處于快速發(fā)展階段,但是對(duì)焊接材料的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)焊接材料的選擇主要考慮要滿足金屬高屈服強(qiáng)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(jí)雙相不銹鋼焊材,但其焊縫金屬的強(qiáng)度低于母材的強(qiáng)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(dǎo)致接頭喪失承載能力。而最易發(fā)生局部腐蝕和應(yīng)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(jīng)反復(fù)熱循環(huán)作用,且加熱溫度很高,導(dǎo)致碳和其他合金元素、雜質(zhì)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(qiáng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)需要同哈爾濱電機(jī)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(xué)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(qiáng)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(zhuǎn)輪焊接材料的選擇上,多以前兩種情況為主,國內(nèi)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(zhì)接頭。異材質(zhì)接頭由于存在組織不均勻性導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)有較大差異,焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的組織殘余應(yīng)力,且這樣的殘余應(yīng)力無法通過焊后熱處理的手段來消除9。超級(jí)馬氏體不銹鋼是在傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)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(qiáng)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(jīng)濟(jì)成本。超級(jí)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(qiáng)度和韌性10-11。馬氏體不銹鋼淬火后，經(jīng)一定溫度回火，部分馬氏體將發(fā)生逆轉(zhuǎn)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(xiàng)性能。2 SMSS焊接冶金的研究進(jìn)展2.1 SMSS焊接性的研究現(xiàn)狀近年來,由于SMSS的廣泛應(yīng)用,所以國內(nèi)外對(duì)SMSS焊接材料的研究一直處于快速發(fā)展階段,但是對(duì)焊接材料的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)焊接材料的選擇主要考慮要滿足金屬高屈服強(qiáng)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(jí)雙相不銹鋼焊材,但其焊縫金屬的強(qiáng)度低于母材的強(qiáng)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(dǎo)致接頭喪失承載能力。而最易發(fā)生局部腐蝕和應(yīng)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(jīng)反復(fù)熱循環(huán)作用,且加熱溫度很高,導(dǎo)致碳和其他合金元素、雜質(zhì)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(qiáng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是更適合焊后熱處理。2.2 SMSS焊接接頭耐腐蝕性的研究進(jìn)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(yīng)力和硫化氫的存在,造成的應(yīng)力腐蝕或硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)；在高溫環(huán)境下出現(xiàn)的晶間應(yīng)力腐蝕開裂;

11、在陰極保護(hù)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(nèi)外對(duì)表面腐蝕和內(nèi)在腐蝕進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)。2.3 SMSS焊接接頭中氫脆的研究由于陰極保護(hù)作用,導(dǎo)致SMSS焊接接頭出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象,然而陰極保護(hù)導(dǎo)致的氫脆是一個(gè)積累過程,裂紋的生成通常在焊接熱影響區(qū)表面開始。因?yàn)樵诤附訜嵊绊憛^(qū)表面應(yīng)力強(qiáng)度和氫濃度都是最高的。當(dāng)在焊縫表面通過陰極反應(yīng)產(chǎn)生氫時(shí),就能夠?qū)е職錃馕龀龌驓錆B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(duì)焊接性能的影響SMSS之所以擁有多種優(yōu)異的性能關(guān)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(diǎn),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(guān)以外,還與其組織特征很大關(guān)系。由于SMSS中有較多的逆變奧氏體。焊接時(shí),逆變奧氏體的形變誘發(fā)相變可緩解應(yīng)力,降低應(yīng)力集中,阻礙裂紋的形成與擴(kuò)展,降低鋼的裂紋敏感性。因而,逆變奧氏體的存在對(duì)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(chǎn)生部分的逆變奧氏體,且這一過程形成的逆變奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定。2.5 合金元素對(duì)焊接接頭組織性能的影響2.5.1 Cr和Ni的影響由于碳強(qiáng)化作用的減弱, SMSS的強(qiáng)度和硬度主要通過提高Cr、Ni含量加以彌補(bǔ)。鉻、鎳含量的增加不僅

13、可以提高SMSS的強(qiáng)度和韌性,而且可以提高抗疲勞性能和抗磨損性能,這是因?yàn)椴牧显诒３至笋R氏體為主要基體的基礎(chǔ)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(shí)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(zhuǎn)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(qiáng)度,而且還可提高韌性,這是因?yàn)镹i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(huì)減少,但Ni含量不能過高,否則由于Ni擴(kuò)大相區(qū)和降低MS點(diǎn)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?yàn)镸o的抗氫腐蝕性能比Cr高4倍。同時(shí)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(qiáng)度和硬度以及增強(qiáng)2次硬化效應(yīng)。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(shè)計(jì)鋼的成分配比時(shí),首先注意到碳的含量要低。此外,由于Cr是強(qiáng)碳化物形成元素,在不恰當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟认?SMSS焊接接頭的晶界上會(huì)析出Cr的碳化物,這種碳化物在較低溫度下會(huì)使接頭的韌性急劇下降；同時(shí)由于Cr的碳化物的形成,還會(huì)使基體中的Cr含量降低,當(dāng)Cr含量低于下限的時(shí)候,則鋼的耐蝕性也會(huì)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(qiáng)度和耐腐蝕性。研究表明, 氮可以增加SMSS的屈服強(qiáng)度,每增加0.001%氮,可增加約6MPa的強(qiáng)度。而且焊接SMSS時(shí),還可采取保護(hù)氣體中添加氮的方法來提高焊接接頭的質(zhì)量13。這是因?yàn)榈梢允购缚p金屬中產(chǎn)生少量的殘余奧氏體,彌散分布于馬氏體中。可以顯著提高焊縫金屬的韌性,但氮含量過高,易導(dǎo)致產(chǎn)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(chǎn)生。因而,可以提高焊接接頭的抗腐蝕性能；同時(shí),由于Nb具有固溶強(qiáng)化作用,還可以提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。焊縫在很低的溫度

16、退時(shí),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(qiáng)度。在550 和600 回火時(shí),SMSS焊縫中有細(xì)小的Nb(C ,N)析出,還可提高焊縫的抗回火軟化性。3 結(jié)論1) SMSS以其良好的綜合性能和經(jīng)濟(jì)性越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,然其在焊材方面大都使用雙相鋼和超級(jí)雙相鋼焊材,不免在焊接接頭會(huì)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(nèi)外今后研究的方向。 2) 加大對(duì)高性能不銹鋼合金的研究力度，開發(fā)綜合力學(xué)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(huì)成為研究的熱點(diǎn)。3) 焊接工藝對(duì)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(jī)理的研究對(duì)其性能的影響也是今后研究的方向。參考文獻(xiàn)：1 賈成廠，關(guān)秀虎，李曉紅. 機(jī)械活化對(duì)Mo-Cu 粉末燒結(jié)行為的影響J. 粉末冶金技術(shù),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(xué)術(shù)年會(huì)論文集C上海:上海科技文獻(xiàn)出版社.2006: 310-316.4 張瑾瑾,王志法,陳德欣,等. 機(jī)械合金化制備Mo顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)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(jī)械合金化機(jī)理J.機(jī)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(dòng)態(tài)斷裂韌性研究J.焊接技術(shù),2006,35(6):58262.7 林師焱,楊志勇.0Cr13Ni5Mo高強(qiáng)不銹錒抗磨性能研究及應(yīng)用J.水機(jī)磨蝕, 1998(12): 58-648 李向陽,大型水輪