SAF2507模拟焊接热影响区的组织转变行为

李 睿，刘 洁，崔卫则，王一鸣

（太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原030024）

SAF2507模拟焊接热影响区的组织转变行为

李 睿，刘 洁，崔卫则，王一鸣

（太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原030024）

通过gleeble3800热模拟试验机，模拟超级双相不锈钢SAF2507焊接热影响区，研究了不同冷却速度与多次热循环对模拟焊接热影响区显微组织的变化过程，运用扫描电镜和能谱仪分析了合金元素的分布规律。试验结果表明，冷却速度和多次热循环对奥氏体形貌和尺寸有很大影响，随着热输入的增加，奥氏体含量从40.50%增加到58.35%。t8/5=60 s时可使组织中铁素体与奥氏体相比例为1:1，高热输入多道次焊接时，在铁素体和奥氏体相界处析出颗粒状的第二相。

双相不锈钢；热模拟；相比例；析出相；热影响区

0 前言

双相不锈钢是其显微组织中铁素体与奥氏体各占一半的钢种。SAF2507作为双相不锈钢家族中的一员，得益于其超低含碳量、高PREN值和良好的两相比例，具有很高的耐蚀性和很好的力学性能，因此在机械、石油天然气、船舶、化学、建筑和能源行业等领域中的应用越来越广泛[1-7]。

焊接是一个快速加热和快速冷却的过程。在焊接SAF2507超级双相不锈钢时，不适当的热输入不仅会破坏母材平衡的相比例，还会析出一些金属间化合物，从而降低焊接接头的耐蚀性和力学性能，特别在焊接接头中最薄弱的焊接热影响区应更加重视[8]。目前，国内外针对双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为及性能变化已有一些研究，但是仍不完善。对于热输入与多次热循环对超级双相不锈钢焊接热影响区的组织转变行为鲜有报道。鉴于此，采用热模拟方法，针对SAF2507焊接热影响区组织进行模拟，以了解SAF2507焊接热影响区的组织演变规律，为实际生产和理论研究提供指导依据。

1 试验材料与方法

本次试验所用材料为太钢生产的商业用SAF2507超级双相不锈钢板材，其化学成分如表1所示。在Gleeble3800热模拟试验机上对试样进行焊接热影响区组织模拟，试样尺寸为10 mm×10 mm× 55 mm。为了更好地模拟实际焊接情况，热模拟曲线采用HANNERZ数学模型来表述[9]。

表1 SAF2507的化学成分 %

焊接热模拟试验的峰值温度为1 300℃，预热温度为100℃，t8/5分别为10 s、20 s、40 s、60 s、100 s、200 s。为了模拟多道次的实际焊接，在t8/5为10 s、40 s和200 s时，进行二次热循环和三次热循环，选取第二次的峰值温度1 100℃，第三次的峰值温度为900℃。

热模拟后的试样经5 g FeCl3+50 ml HCl+100 ml H2O混合溶液侵蚀后，采用基恩士VHX-2000超景深光学显微镜和NovaNanoSEM430扫描电镜观察试样的微观组织。

2 结果与分析

2.1 热模拟组织

SAF2507经历不同t8/5时间后的热模拟组织如图1所示。由图1可知，显微组织由奥氏体与铁素体组成。其中呈长条状或岛状分布的白色组织为奥氏体，灰色基体为铁素体。在图1a中，虽然t8/5为10 s，但试样在高温区（800℃以上）的停留时间很短，仅为3 s。冷却时仅有少数奥氏体沿铁素体晶界（GBA）处形成，并沿着铁素体晶界向铁素体内部生长。t8/5增加至20 s时，如图1b所示，这些晶界奥氏体在铁素体晶界处明显长大，将长条状的奥氏体连接起来。而在此热输入下，高温区的停留时间仍然比较短，母材中的奥氏体相在加热过程中并不能全部转变成单一的铁素体相，使得在冷却时由高温铁素体形成部分转变的奥氏体（PTA）。t8/5继续增加至40 s时，部分转变的奥氏体稍微变得粗大一些，而组织中仍以部分转变的奥氏体和晶界奥氏体为主。但是在图1d中，当t8/5增加到60 s时，组织中有一部分区域的奥氏体在加热至高温时已经完全转变成铁素体，而随后的冷却过程中在铁素体晶粒内部开始析出奥氏体（IGA）。另外在组织中还发现针状的魏氏奥氏体（WA）在铁素体晶界处形成，并向铁素体内长大。t8/5持续增加到100 s时，组织中已找不到轧制方向的部分转变奥氏体，取而代之的是大量的晶内奥氏体和魏氏奥氏体。这说明在此热输入的加热过程中，奥氏体有充足的时间向铁素体完全转变，使高温下的组织为单一的铁素体相，冷却时以晶内奥氏体和魏氏奥氏体的形式从铁素体晶粒内析出。最后t8/5增加到最大值200 s时如图1f所示，组织中奥氏体相完全由粗大的晶内奥氏体和魏氏奥氏体组成。

图1 不同t8/5时间的热模拟组织

经过多次热循环后的热模拟组织如图2所示。对比后可知，多次热循环对奥氏体组织的形貌并无多大影响，但其尺寸却随着热循环次数的增加而增大。经测量，低热输入下，二次热循环后的带状奥氏体平均宽度由8.2μm增加到三次热循环后的9.5 μm，在中等热输入时由9.3 μm增加到10.7 μm。而高热输入下，扎堆生长的晶内奥氏体和魏氏奥氏体也随着热循环次数的增加而“融合”成较大尺寸的块状奥氏体。

图2 多次热循环后的热模拟组织

2.2 相比例

热输入的变化改变了奥氏体的形貌和尺寸，使两相比例也发生很大的变化。不同热输入试样的奥氏体含量如图3所示。由图3可知，当热输入不断增加后，相应的奥氏体相含量变得越来越多。在t8/5=60 s时组织中的铁素体相含量和奥氏体相含量接近平衡。热输入较小时，冷却速度大，铁素体向奥氏体转变过程来不及完全进行，仅有少部分的铁素体发生向奥氏体的转变，奥氏体含量较低。随着t8/5增加至100 s，高温时的铁素体向奥氏体转变过程有适当充足的时间进行，同时N、Ni等奥氏体稳定化元素的扩散行为也相应变得活跃，使奥氏体相的含量增加。而t8/5增加到最大值200 s时，伴随着大量粗大的奥氏体形成，奥氏体含量增加到最高值。

图3 t8/5与奥氏体含量的关系

多次热循环对奥氏体含量的影响如表2所示。由于多次热循环可使组织中奥氏体晶粒变粗，因此多次热循环后的奥氏体含量均高于单次热循环后的奥氏体含量。低热输入时奥氏体含量变化最大，经三次热循环后奥氏体与铁素体含量相等，而中等热输入时只需两次热循环即可得到平衡的相比例。高热输入时，多次热循环对奥氏体含量变化影响最小，但奥氏体含量越来越高，且伴随有第二相的析出。因此实际焊接时，采用小热输入工艺可选择多道次焊接或多焊一层盖面层以达到平衡的两相比例，但尽量避免用高热输入工艺进行多道次焊接。

表2 多次热循环对奥氏体和铁素体含量的影响

2.3 析出相

长时间在高温区停留会使金属间化合物从铁素体中析出。高热输入下经过三次热循环后的扫描电镜图如图4所示。可以观察到在奥氏体和铁素体相界处发现有少量的第二相呈颗粒状析出。而在低热输入条件和中等热输入条件下却没有发现明显的第二相。经能谱仪测定成分如图5所示，此析出相为富含Fe、Cr、Mo元素的χ相。在双相不锈钢中，χ相析出的敏感温度范围为700℃～800℃，析出位置多在α/γ与α/α边界处。此外，χ相又是一种亚稳相，在敏感温度停留时间过长会发生向σ相转变。而曾有文献报道在双相不锈钢模拟焊接热影响区中，氮化铬是主要析出相[8，10-12]，但是本次试验中并未观察到其他金属间化合物形成。这可能是SAF2507双相不锈钢中较高的Cr、Mo含量加快了χ相的形核和长大，使χ相更容易析出所致。另一方面，较高的热输入也会增加在χ相敏化温度区内的停留时间，为χ相的析出提供了相对充裕的时间。

图4 经t8/5=200 s，三次热循环后的扫描电镜图

图5 第二相颗粒的能谱图

3 结论

（1）热输入对奥氏体形貌和析出位置有很大影响。低热输入时奥氏体呈带状，多在铁素体晶界处析出。高热输入时，奥氏体以块状或魏氏体状在铁素体晶内析出。奥氏体的尺寸随热循环次数的增加而增大。

（2）高热输入多次热循环会使组织中析出χ相，呈颗粒状分布在铁素体和奥氏体相边界。

（3）增加热输入和多次热循环均可提高奥氏体含量。单次热循环时，t8/5取60 s时铁素体和奥氏体比例相等。多次热循环时，小热输入三次热循环与中等热输入两次热循环可使两相比例相等。

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Study on microstructure in the simulated HAZ in SAF2507 super duplex stainless steels

LI Rui，LIU Jie，CUI Weize，WANG Yiming
（SchoolofmaterialsscienceandEngineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China）

The effects of cooling rates and multipass welding on the microstructure in the simulated HAZ of SAF 2507 super duplex stainless steels were investigated.The results showed that，as t8/5increased from 10 s to 200 s，the austenite fraction increased from 40.50%to 58.35%.The phase ratio（α/γ）tends to be 1:1 when t8/5is 60 s.The granular χ phase precipitation in the α phase are observed after three thermo cycling when the t8/5is 200 s，which considerably influences mechanical properties.

duplex stainless steel；thermal simulation；phase ratio；precipitated phase；HAZ

TG406

：A

：1001-2303（2015）10-0108-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.23

2015-01-30；

：2015-03-26

山西省科技攻关项目（20120321015-02）；校博士科研启动项目（20132008）；山西省自然基金（201 4011002-3）

李 睿（1989—），男，山西太原人，在读硕士，主要从事先进不锈钢焊接工艺方面的研究工作。