SAF2507超级双相不锈钢焊接热影响区冷却过程组织及性能研究

安小东，王 新，孙永涛，谷孝满，刘 洁

（1.唐山松下产业机器有限公司，河北唐山063000；2.太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 前言

SAF2507超级双相不锈钢由体积分数接近于1∶1的铁素体和奥氏体组成，该钢具备优良的机械性能及耐氯化物腐蚀性，目前已在很多可能发生应力腐蚀裂纹和点蚀的应用环境中代替了奥氏体不锈钢[1-5]。然而，在实际焊接时，不同的焊接工艺参数对焊接接头的整体性能和服役寿命有极其重要的影响[6-11]。而整个焊接接头中最薄弱的区域通常集中在焊接热影响区，该区域非常狭小，用常规的试验方法和技术手段很难对其进行准确的试验评价，而采用GLEEBLE3800试验机却可以将热影响区域进行放大，为专门研究该区域的组织性能提供了一种新的技术手段。目前对于超级双相不锈钢SAF2507热影响区性能的研究相对较少，故采用GLEEBLE3800试验机模拟了焊接热循环过程，探索冷却速度t12/8对SAF2507钢模拟焊接热影响区的影响规律，以期为实际焊接生产提供理论指导。

1 实验材料与方法

本次实验的主要设备为GLEEBLE3800热力模拟机，试验材料为热轧态SAF2507钢，其主要成分如表1所示。为了更加切近实际情况，试验采用了Rykalin-2D热循环曲线[12]。对于SAF2507超级双相不锈钢而言，1 200～800℃（t12/8）是高温铁素体转变为奥氏体的温度范围，同时也是奥氏体最不稳定的温度范围，因此焊后t12/8冷却时间的长短将影响SAF2507钢的最终相变产物和组织形态，进而影响焊缝的力学性能。因此用焊后冷却时间t12/8作为参数来研究其焊接性更加合理、准确[13]。本实验采用单一变量法研究了焊后冷却时间t12/8对HAZ组织和力学性能的影响规律，具体参数如表2所示。

表1 SAF2507的化学成分Table 1 Chemical composition of SAF2507 %

表2 焊接热模拟参数Table 2 Welding thermal simulation parameter

用氯化铁盐酸水溶液腐蚀试样，然后采用超景深光学显微镜KEYENCE VHX-2000观察试样的微观组织；按照《ASTM E562用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法》[14]测定两相比例；采用NovaNanoSEM430扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）鉴别金属间析出相及其成分分布；最后按照GB/T 4340 2-1999金属维氏硬度试验方法测量硬度，每个试样选择10个位置进行测量，取平均值作为最终结果。

2 实验结果与分析

2.1 冷却时间t12/8对HAZ组织转变的影响

SAF2507钢母材的显微组织如图1所示。由图1可知，母材由铁素体和奥氏体组成，呈条带状的白色奥氏体被灰色铁素体基体组织所包围，基体中也有一些弥散分布的细碎条状奥氏体，铁素体和奥氏体体积分数大体相当。

图1 SAF2507母材的光学显微组织Fig.1 Optical microstructure of base material

4种不同t12/8冷却时间参数（分别为3s、14s、34 s和69 s）下试样组织形貌如图2所示。当冷却时间较短时（t12/8=3 s，见图2a），试件高温停留时间短，只有少量奥氏体γ转变为高温铁素体δ；而在随后的冷却过程中，冷却速度很快，许多高温铁素体δ来不及向奥氏体γ转变就会保留至室温，形成铁素体组织α，从而能够保持着母材条带状的形貌，使基体的铁素体含量稍有增加。随着冷却时间的延长（t12/8=14 s，见图2b），试件在高温阶段的停留时间延长，奥氏体γ几乎全部转变成高温铁素体δ。冷却时，组织基本保持为全高温铁素体δ组织，在全铁素体δ组织中晶粒长大的程度与在铁素体固溶线以上停留的时间成正比；而当试件冷却到铁素体δ固溶线以下温度时，奥氏体γ将形核、长大，析出物也将再生成，冷速越慢，生成的奥氏体组织越多，晶粒也越粗大，同时析出物生成的概率也越大。故当冷却时间t12/8=14 s时，可观察到铁素体α晶粒内和晶粒边界开始析出二次奥氏体γ2，同时，在铁素体α晶界处还观察到魏氏体状奥氏体（WA）的产生，并由铁素体α晶界处向铁素体α内部生长；冷却时间继续增大（t12/8=34 s，见图 2c），二次奥氏体 γ2和魏氏体状奥氏体（WA）进一步增多，并长大形成羽毛状或条块状结构。当t12/8增大到69 s时（见图2d），合金元素拥有充分的时间进行扩散，使奥氏体含量逐渐增加，晶粒尺寸不断增大，二次奥氏体γ2和魏氏体状奥氏体（WA）最终交集在一起形成网状结构。由此可见，冷却时间t12/8对HAZ的相比例和组织形貌有着极其重要的影响。因此在实际焊接中，应严格控制冷却速度，避免组织在高温阶段停留时间过长，减少有害相粗大魏氏体状奥氏体（WA）的产生。

图2 模拟热影响区在不同t12/8下的显微组织Fig.2 Optical microstructure of base material of the HAZ after different t12/8

双相不锈钢中铁素体α和奥氏体γ两相比例及其组织形态对力学性能有着极其重要的影响，因此研究SAF2507焊缝组织中的双相比例十分必要。SAF2507钢热影响区中奥氏体相含量随t12/8冷却时间的变化走势如图3所示。可以看出，随着冷却时间t12/8的增加，奥氏体γ含量不断增加，铁素体α含量下降。由于奥氏体的形核及长大受奥氏体形成元素的影响，因此间隙元素（如N）的扩散亦会影响到奥氏体组织的形成[15]。冷却时间（t12/8=3 s）较小时，由于高温停留时间较短，高温铁素体δ向奥氏体γ转变的时间较短，导致快速冷却时奥氏体形成元素（如N）的扩散受到抑制，从而影响到δ→γ转变，导致奥氏体含量减少（约为43%）；当冷却时间t12/8增加至34s时，间隙元素拥有足够的时间进行扩散，促进了奥氏体的形核与长大，使得奥氏体含量增多，使两相比例接近于1∶1；继续增加t12/8至69 s时，奥氏体含量达到55.6%。

图3 不同t12/8冷却时间下的奥氏体含量变化Fig.3 Austenite content of SAF2507 after different t12/8

2.2 冷却时间t12/8对HAZ析出相的影响

JMatPro是一套基于材料类型的、功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，可以用来计算金属材料多相平衡与多种性能。目前，已被广泛应用于对金属材料性能的模拟和预测，利用JMatPro 7.0计算的实验用SAF2507超级双相不锈钢的CCT曲线如图4所示，由图4可知，当冷却速度大于或等于10℃/s（即t12/8为40 s）时，不会有任何金属间相析出，可以预测本实验t12/8为3 s、14 s和34 s时，不会有金属间相析出；而当冷却速度介于1～10℃/s之间（即t12/8为40～400 s）时，可能会有χ相、σ相、LAVES相或碳（氮）化物之中的一种或几种析出物存在，而t12/8为69s时，有析出相产生，经计算为χ相。

进一步对SAF2507钢模拟试样进行SEM观察和EDS成分鉴定，冷却时间t12/8分别为3 s、14 s、34 s和69 s时热模拟试样的SEM图和析出相EDS图如图5所示。由图5可知，冷却时间t12/8较小（3 s、14 s和34 s）时，并未发现金属间化合物的析出。而t12/8为69 s时的SEM如图5d所示，可以发现在铁素体和奥氏体相界处有颗粒状的析出物形成，通过能谱仪进行成分鉴定，确定析出相为富含Fe、Cr、Mo元素的χ相，该试验研究结果与JMatPro 7.0材料性能模拟软件计算结果相吻合，说明JMatPro 7.0软件计算结果可靠，可以为实验提供一定的指导作用，因此，实际焊接中的冷却速度为10℃/s时最合适，此时双相比例接近于1∶1，二次奥氏体γ2和魏氏体状奥氏体（WA）也较少，且没有金属间相析出。

图4 SAF2507超级双相不锈钢CCT曲线Fig.4 CCT curve of SAF2507 SDSS

图5 热影响区的SEM形貌Fig.5 SEM image of the HAZ

2.3 t12/8对HAZ硬度的影响

模拟焊接热影响区中维氏硬度与不同t12/8冷却时间的变化关系曲线如图6所示。可以看出，随着t12/8冷却时间的延长，组织硬度逐渐下降，但下降趋势逐渐变缓。这是因为t12/8冷却时间越长，冷却速率越低，从而为高温铁素体δ向奥氏体γ的转变提供了足够的时间，使得热影响区中残留的铁素体相比例减少，而铁素体相的硬度比奥氏体相的大，因此热影响区中的显微硬度会随着t12/8冷却时间的增加呈逐渐下降趋势；与此同时，随着高温停留时间的延长，铁素体相亦会不断长大、变粗，并且随着二次奥氏体γ2和魏氏体状奥氏体（WA）的析出长大，两相逐渐呈交错分布，由于方向各异，使得晶界增多，位错增加，晶格排列发生紊乱，起到了位错强化的作用，从而在一定程度上缓解了硬度下降的趋势；当冷却时间t12/8增大至69 s时，有少量金属间相χ析出，进一步较少了硬度下降的趋势。由此可见，冷却时间t12/8较小时，模拟焊接热影响区中双相比例对硬度的大小有着决定性作用。

图6 显微硬度与不同t12/8的关系曲线Fig.6 Curve of microhardness and the different t12/8

综上所述，冷却时间t12/8对HAZ的组织形貌和力学性能有极其重要的影响，随着冷却时间t12/8的延长，奥氏体含量逐渐增多，硬度降低，奥氏体相也由原来的长条状转变为网状结构，当冷却时间t12/8增大至69 s时，有少量χ相析出。

3 结论

（1）t12/8冷却时间的延长促进高温铁素体δ向奥氏体γ转变，二次奥氏体γ2和魏氏体状奥氏体从高温铁素体δ的晶内和晶界处析出，使得奥氏体γ含量从t12/8=3s时的43.15%增加到t12/8=69s时的55.76%。

（2）当t12/8冷却时间为69s时，在模拟热影响区在α/γ相界和α/α晶界处发现有χ相析出，这也与JMatPro7.0热力学软件计算结果相一致。

（3）随着t12/8冷却时间的增加，模拟热影响区的显微硬度呈下降趋势，且t12/8冷却时间越大，下降趋势越平缓。

（4）SAF2507钢最佳冷却速度为10℃/s，所以在实际焊接中应严格控制热输入，使冷却速度不会过小，以保持热影响区较好的力学性能。