铬锰奥氏体不锈钢焊接开裂原因分析

马正伟

(山东泰山钢铁集团有限公司，山东 271100)

铬锰奥氏体不锈钢焊接开裂原因分析

马正伟

(山东泰山钢铁集团有限公司，山东 271100)

针对201不锈钢焊接时出现的裂纹缺陷，通过化学成分分析、硬度分析和金相分析，找出了产生缺陷的原因是材料剪切过程中产生的加工硬化在焊接热应力作用下形成的，并从选材、剪切工艺和热处理工艺等方面提出了相应的改进措施。

锰铬奥氏体不锈钢;裂纹;焊接;加工硬化;热应力

铬锰奥氏体不锈钢以锰和氮替代部分镍，可以降低生产成本，同时又兼具不锈钢的特性，现在市场上的铬锰不锈钢是在印度J4不锈钢基础上调整成分开发而成的，被称为“201”不锈钢。

某公司生产的201酸洗板在客户加工封头时出现焊接裂纹缺陷。为找出缺陷原因，对缺陷试样进行相关检测分析工作，查明了缺陷原因，并提出了有效的控制措施。

1 试验方法

1.1 宏观检测

对送检的缺陷样品进行图像采集，宏观分析。1.2 化学成分检测

在送检试样上截取化学成分试样，用SPECRTOLAB M10型光电直读光谱仪对试样进行化学成分分析。

1.3 物理性能检测

用RB250RVRE布洛维全自动硬度计对试样进行HRB硬度检测。

1.4 金相分析

对送检试样截取金相试样磨制、抛光，在GX51金相显微镜上进行金相检测。

2 试验结果

2.1宏观检测结果

试样宏观检测结果见图1。钢板厚度为9.49 mm，封头加工时沿钢板剪切边的最外侧进行焊接，出现多处裂纹，裂纹垂直于剪切板分布并向基体处延伸。剪切边宽度约为4 mm，边部有明显的剪切毛刺残留。

2.2 化学成分分析结果

对送检试样进行化学成分检测并与该钢厂判定标准进行对比，结果见表1。试样的P、S元素含量偏高，Ni、Cu元素含量偏低。

2.3 HRB硬度检测结果

分别对1#试样焊缝附近的剪切边部位和远离焊缝的基体部位进行HRB硬度检测，检测结果见表2。剪切边部位的硬度高于基体的硬度。

2.4 金相检测分析结果

从1#试样截取纵向试样进行非金属夹杂物评定，结果见表3，非金属夹杂物主要为A类、B类、C类，级别不高，数量不多。

从1#试样裂纹1处截取纵向试样，磨制、抛光后用金相显微镜进行观察，见图2(a)。裂纹从边部向基体内延伸，裂纹处无明显氧化现象，裂纹周围无异常夹杂物存在。用王水溶液腐蚀后进行金相检测，裂纹周围组织为奥氏体组织，晶粒度为7.0级，见图2(b)。与热影响区组织明显不同。热影响区组织为正常柱状晶组织，见图2(c)。

从2#试样剪切边部位截取横向试样磨制、抛光后用王水溶液腐蚀后进行金相检测，结果见图3。试样边部、中部的组织均为变形的奥氏体组织+马氏体组织，其中边部组织变形较中部严重。

图1 焊接开裂试样宏观形貌Figure 1 Macro appearance of weld crack

表1 试样化学成分检测结果(质量分数，%)Table 1 Chem ical compositions detection result of specimen(mass fraction，%)

表2 HRB硬度检测结果Table 2 Detection result of HRB hardness

表3 试样非金属夹杂物评级表Table 3 Nonmetallic inclusions grade evaluation of specimen

3 原因讨论与控制措施

3.1 原因讨论

通过化学成分分析知，试样Ni、Cu元素含量偏低，P、S元素含量偏高。化学成分不合格会降低材料的塑性和韧性。

非金属夹杂物检测发现，试样中夹杂物级别不高，数量不多，裂纹周围无异常夹杂物存在，说明开裂与夹杂物无关。

201属亚稳奥氏体不锈钢，冷变形过程中极易诱发马氏体相变，产生加工硬化，剪切边处硬度高于远离焊缝基体的硬度和在剪切边处发现的大量马氏体组织可以验证以上观点。

奥氏体型不锈钢的热导率小，线膨胀系数大。焊接前后，在焊接区焊接接头和接头附近的母材温度变化较大，在热应力作用下极易使加工硬化的剪切边处发生开裂或加剧裂纹扩展。

综上所述，焊接裂纹缺陷是由材料剪切过程中产生的加工硬化在焊接热应力作用下形成的。3.2 控制措施

根据裂纹形成的原因，可在三个方面进行控制，降低裂纹发生的概率。

图2 1#试样金相检测结果Figure 2 Metallographic detection result of1#specimen

3.2.1 注意选材

成分影响性能，化学成分不合格的产品一定会影响其使用性能;非金属夹杂物的存在会作为应力源引起应力集中，是诱发201不锈钢产生质量问题的潜在隐患。选材前进行化学成分分析和非金属夹杂物检测，对成分不合格的材料和非金属夹杂物级别、数量较高的尽量不用。

3.2.2 控制剪切精度

剪切边存在的大量剪切毛刺说明剪切时所用的剪刃间隙偏大，剪刃间隙偏大会造成剪切边偏大，剪切边偏大则会造成剪切时加工硬化区域偏大，更易诱发产生裂纹缺陷。选择合适的剪刃间隙可以有效降低裂纹缺陷的产生。

图3 2#试样金相检测结果Figure 3 Metallographic detection result of2#specimen

3.2.3 退火处理

加工硬化诱发马氏体转变是201产生裂纹的根本原因，进行适当的热处理可以消除马氏体组织，从而降低裂纹产生的概率，这种热处理方式用气割就可完成，方便有效。

4 结论

201酸洗板在剪切过程中产生的加工硬化在焊接热应力的作用下形成裂纹缺陷。通过注意选材、控制剪切精度和退火处理可以有效防止裂纹缺陷的发生。

编辑 傅冬梅

Cause Analysis ofWeld Crack for MnCr Austenite Stainless Steel

M a Zhengwei

Regarding to crack failure of201 stainless steel welding，and by chemical composition analysis，hardness analysis and metallographic analysis，the crack cause has been found out，which was weld thermal stress crack from work hardening during shearing，therefore corresponding improvementmeasures have been brought up atmaterial selection，shearing process and heat treatment process.

MnCr austenite stainless steel;crack;weld;work hardening;thermal stress

TF764+.1

A

2013—12—12