奥氏体化合金元素Mn和Ni对FV520B焊缝组织与力学性能的影响.pdf

第４４卷第３期—２０１６年３月第４０４５页材料工ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ程ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏＩ．４４Ｎｏ．３—Ｍａｒ．２０１６ＰＰ．４０４５奥氏体化合金元素Ｍｎ和Ｎｉ对ＦＶ５２０Ｂ焊缝组织与力学性能的影响ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＶ５２０ＢＡｆｆｅｃｔｅｄｂｙＡｕｓｔｅｎｉｔｉｚｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔｓＭｎａｎｄＮｉ张敏，刘明志，张明，李继红（西安理工大学材料科学与工程学院，西安７１Ｏ０４８）——ＺＨＡＮＧＭｉｎ，ＬＩＵＭｉｎｇｚｈｉ，ＺＨＡＮＧＭｉｎｇ，ＬＩＪｉｈｏｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，’’ＸｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用金相观察及扫描电镜（ＳＥＭ）等研究了奥氏体化合金元素Ｍｎ和Ｎｉ对ＦＶ５２０Ｂ马氏体不锈钢的焊缝组织及力学性能的影响。结果表明，ＦＶ５２０Ｂ不锈钢的焊缝组织以回火马氏体为主，随着合金元素增加，焊缝组织变得更加细小。Ｍｎ，Ｎｉ元素能够有效提高焊缝中奥氏体的含量。合金元素对焊缝强度的影响较小，但当同时添加Ｍｎ，Ｎｉ元素时，焊缝抗拉强度和屈服强度得到提高。Ｍｎ，Ｎｉ元素能够通过提高焊缝奥氏体量改善焊缝的冲击韧度。相对于Ｍｎ元素，Ｎｉ元素提高焊缝韧性的效果更好。关键词：ＦＶ５２０Ｂ马氏体不锈钢；奥氏体化；合金元素；力学性能—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１６．０３．００７中图分类号：ＴＧ４２２．３文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１６）０３００４００６—Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＳＥＭｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＶ５２０ＢａｆｆｅｃｔｅｄｂｙａｕｓｔｅｎｉｔｉｚｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓＭｎａｎｄＮｉ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｏｆＦＶ５２０Ｂｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｉｓｍａｉｎｌｙｔｅｍｐｅｒｅｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ．Ｗｉｔｈ—ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｃｏｍｅｓｆｉｎｅｒ．ＭｎａｎｄＮｉｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆａｕｓｔｅｎｉｔｅｉｎｔｈｅｗｅｌｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｗｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｓｍａｌｌ，ｂｕｔｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅＭｎａｎｄ—Ｎｉｅｌｅｍｅｎｔｓａｒｅａｄｄｅｄ．ＭｎａｎｄＮｉｅｌｅｍｅｎｔｓｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗｅｌｄｂｙｉｎｃｒｅａｓ—ｉｎｇｔｈｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅａｕｓｔｅｎｉｔｅ．ＲｅｌａｔｉｖｅｔｏｔｈｅＭｎｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅＮｉｅｌｅｍｅｎｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｗｅｌｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｅｔｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＶ５２０Ｂｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ；ａｕｓｔｅｎｉｔｉｚｉｎｇ；ａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙＦＶ５２０（Ｂ）马氏体不锈钢用于风机叶轮的生产，但常因焊接接头韧性不足而发生断裂失效［１］。研究发现奥氏体含量是影响其韧性的主要因素。Ｍｎ是奥氏体化合金元素，可以扩大奥氏体相区，增加过冷奥氏体的稳定性＿２］，使奥氏体相变移向较低的温度。在通常的焊缝金属冷却速率下，Ｍｎ会抑制“奥氏体向珠光体的转变，提高奥氏体生长速率］。焊缝中随着Ｍｎ含量的增加，焊缝金属的屈服强度和抗拉强度增大，且Ｍｎ能显著降低脆性转变温度］。Ｎｉ是不锈钢中仅次于Ｃｒ的重要合金元素，Ｎｉ可以提高不锈钢钝化膜的稳定性，从而提高不锈钢的热力学稳定性嘲。Ｎｉ是强烈形成并稳定奥氏体的元素，能无限固溶于丫一Ｆｅ并且扩大奥氏体相区，降低马氏体的转变温度。另外，随着Ｎｉ含量的增加，在形变过程中奥氏体向马氏体转变也更加困难＿７］。在马氏体时效不锈钢中，随着Ｎｉ含量的增加，钢中奥氏体体积分数明显上升，材料的冲击韧度显著提高。本工作通过药芯焊丝向焊缝中过渡奥氏体化合金元素，提高焊缝组织中逆变奥氏体含量，增强ＦＶ５２０Ｂ不锈钢焊接接头韧性。１实验１．１实验材料ＦＶ５２０Ｂ不锈钢成分中主要奥氏体化合金元素是Ｍｎ和Ｎｉ，实验中通过在药芯焊丝的药粉中加人中碳４２材料工程２０１６年３月元素对氧亲和力比Ｆｅ元素大，氧化损失严重，所以过渡系数较小。２．２合金元素对焊缝奥氏体量的影响淬火钢冷却到室温会有部分未转变的奥氏体保留下来，称为残余奥氏体。残余奥氏体的多少取决于母材的淬透性、冷却方式和高温时奥氏体晶粒的初始尺寸。由于Ｍｆ温度远低于室温，在常温下必然会在马氏体附近出现残余奥氏体。铬一镍一钼系马氏体不锈钢在回火过程中部分马氏体会直接切变成奥氏体，形成所谓的逆变奥氏体。逆变奥氏体从化学成分上与淬火马氏体相同，具有一定的稳定性，这种奥氏体在室温下甚至更低温度下都可以稳定存在。为了与残余奥氏体区别，根据其形成特点，称之为逆变奥氏体。根据ＦＶ５２０Ｂ钢的相变温度和所采用的焊后热处理工艺，ＦＶ５２０Ｂ钢焊缝中残余奥氏体和逆变奥氏体都可能存在。通过对焊缝进行Ｘ射线衍射分析，测量焊缝中奥氏体的含量，焊缝的ＸＲＤ谱图如图２所示。由图２可见，焊缝主要是马氏体，马氏体（１１０）面衍射峰最强，奥氏体（１１１）面衍射峰较为明显，不同焊缝的衍射峰的强度也有所不同。选取马氏体（１１０），（２００），（２１１）峰，奥氏体（１１１），（２００）峰计算得出焊缝奥氏体含量如表５所示。相对于１焊缝，增加了Ｎｉ含量的２和增加了Ｍｎ含量的４焊缝，奥氏体含量都有所增加，而２焊缝的效果更加明显。同时添加Ｍｎ，Ｎｉ元素的３焊缝，奥氏体含量也有较大提高。图２焊缝ＸＲＤ图谱Ｆｉｇ．２ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｗｅｌｄ实验中通过药芯焊丝向焊缝中过渡合金元素Ｍｎ，Ｎｉ，提高了焊缝中奥氏体的含量。Ｍｎ，Ｎｉ元素是奥氏体形成和稳定元素，降低钢的Ａ。和Ｍ点。Ｍｎ，Ｎｉ元素含量的提高，时效时发生逆转变奥氏体转变的温度越低，在相同的时效温度下得到更多的逆转变奥氏体。Ｍｎ，Ｎｉ元素能够稳定奥氏体，使焊缝中逆变奥氏体化学稳定性增加，含量增多［１。引。Ｎｉ元素奥氏体化效果比Ｍｎ元素更好。主要是由于逆变奥氏体的增多与Ｎｉ元素的迁移有关＿】，当回火温度升至稍高于Ａ。点时，逆变奥氏体相的核心就通过切变方式在高Ｎｉ区直接生成，并沿板条界面纵向长大成极细的针条状逆变奥氏体。另外，由于药粉中的锰铁是脱氧剂，在合金过渡时Ｍｎ元素被氧化的损失较大，降低了其过渡系数，从而也影响了焊缝奥氏体的含量。２．３合金元素对ＦＶ５２０Ｂ焊缝组织的影响采用表２中不同合金元素含量的药芯焊丝，焊接ＦＶ５２ＯＢ钢后焊缝的微观组织如图３所示。图中试样℃℃均是采用相同的焊后热处理工艺（１０５０固溶＋８５０℃调整＋６２０回火）。℃不锈钢ＦＶ５２０Ｂ经１０５０×ｌｈ固溶处理后，组织℃为典型的低碳马氏体，再经８５０×２ｈ的中间调整处理后，组织为细小的板条马氏体＋少量的残余奥氏体。在时效过程中主要是沉淀硬化相的析出、马氏体基体回火、逆变奥氏体的生成等。从图３中可以看出，经过焊后热处理的焊缝组织主要为回火马氏体，在焊后时效处理过程中会有逆变奥氏体和二次析出相出现，二次析出相主要分布在晶界和晶粒内部，起沉淀强化作用。由于合金元素在焊缝金属结晶过程中可形成质点，这些形核质点促进了液态金属的结晶；合金元素含量越多焊缝金属结晶过程中形核质点越多，结晶越快，组织越细小。对比分析不同合金元素添加情况下的焊缝区微观形貌，随着合金元素Ｍｎ，Ｎｉ的增加焊缝组织更加细小，马氏体片层更加细小，分布更加弥散。对比图３（ａ）和图３（ｃ）可以看出，添加合金元素Ｎｉ，焊缝组织细小致密，焊缝组织中马氏体片层也不明显。对比图３（ａ）和图３（ｄ）可以看出，添加合金元素Ｍｎ，焊缝中马氏体片层更加均匀，马氏体位向更加明显。对比图３（ａ）和图３（ｂ）可以看出，同时添加合金元素Ｍｎ，Ｎｉ，焊缝组织明显细化。由于晶粒细化，马氏体板条束的大小也随之细化，晶界构成位错运动的障碍，因而强化效果显著。晶粒越细，强化贡献越大。２．４合金元素对ＦＶ５２０Ｂ焊接接头力学性能的影响向焊缝过渡合金元素的主要目的是使焊接接头具有更优异的性能。对于ＦＶ５２０Ｂ不锈钢焊接接头来说，在于保证高的强度的同时，提高焊接接头的韧性。然而材料的强度和韧性常常是一对矛盾，增加钢的强第４４卷第３期奥氏体化合金元素Ｍｎ和Ｎｉ对ＦＶ５２０Ｂ焊缝组织与力学性能的影响４５［１１］［１２］［１３－｝［１４］—Ｌ１ＵＹＲ，ＹＥＤＹ，ＱＩＬ，ｅｔａ１．ＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＣｒｌ３ｓｕｐｅｒｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１１，—１８（１１）：６０６３．—钟平．ｃｏＮｉ超高强度钢的组织与性能［Ｊ］．航空材料学报，２００３，２３（增刊１）：１４～１６．—ＺＨＯＮＧＰｉｎｇ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎＣｏ—Ｎｉｕｌｔｒａｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ［Ｊ＇］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉ—ａｌｓ，２００３，２３（Ｓｕｐｐｌ１）：１４１６．—ＭＵＳＩＹＡＣＨＥＮＫ０ＶＥ，ＫＡＳＡＴＫＩＮＯＧ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍａｌｌｏｙｉｎｇｏｆｔｈｅｗｄｄｍｅｔａｌｗｈｅｎｗｄｄｓａｒｅｍａｄｅｉｎｈｉｇｈ－—ｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｗ－ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍＷｅｌｄ，１９７６，３０（１１）：１２１５．张弗天，姜健，宋建先，等．１Ｎｉ９钢回转奥氏体相变的Ｍｏｓｓｂａｕｅｒ—谱学研究［Ｊ］．金属学报，１９８６，２２（４）：１１３１２Ｏ．—ＺＨＡＮＧＦｕ－ｔｉａｎ，ＪＩＡＮＧＪｉａｎ，ＳＯＮＧＪｉａｎ－ｘｉａｎ，ｅｔａ１．Ｍｏｓｓｈａｕｅｒｓｔｕｄｙｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｔｕｒｎａｕｓｔｅｎｉｔｅｏｆ１Ｎｉ９ｓｔｅｅｌ［Ｊ］—ＡｃｔａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，１９８６，２２（４）：１１３１２０．［１５］杨钢，王剑星，杨沫鑫．Ｎｉ含量对０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ不锈钢富铜—相析出的影响［Ｊ］．材料热处理学报，２０１２，３３（增刊１）：５１５６．——ＹＡＮＧＧａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｘｉｎｇ，ＹＡＮＧＭｏｘｉｎ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＮｉ—ｃｏｎｔｅｎｔｏｎｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｆＣｕｒｉｃｈｐｈａｓｅｉｎＯＣｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ—ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｒ—ｉｔ，２０１２，３３（Ｓｕｐｐｌ１）：５１５６．基金项目：国家高新技术研究发展计划（２０１３ＡＡ０３１３０３）；国家自然科学基金（５１２７４１６２）——收稿日期：２０１４－０７０２；修订日期：２０１５－０７２７通讯作者：张敏（１９６７～），男，博士，教授，博士生导师，主要从事焊接成形过程的力学行为及其结构质量的控制、焊接凝固过程的组织演变行为及先进焊接材料研究，联系地址：陕西省西安市碑林区金花南路５号西安理工大学材料学院焊接教研室（７１００４８），Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｍｍｒｌ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｅｎ