不同回火温度下G115钢熔敷金属的显微组织及硬度

齐向前

（天津海运职业学院，天津 300304）

1 试验方法

焊接熔敷金属所用试验用钢板为Q235钢，尺寸为250mm*250mm*13mm，坡口形式为V型，焊接前首先在坡口两侧及垫板上堆焊约3mm的过渡层，以保证Q235钢不会对熔敷金属起到稀释作用，焊接坡口形式如图1所示，焊接所用焊条由厂家提供，典型化学成分见表1，焊接工艺参数见表2，焊接完成后，将试板冷却至200℃～300℃，保温2h，以保证熔敷金属完成马氏体转变，用线切割在熔敷金属试样内切取金相试样，取样位置见图1，尺寸为10mm*10mm*20mm，将金相试样放入型号为KRX1200-40的电阻热处理炉中进行回火处理，团体标准T/CISA003-2017《电站用新型马氏体耐热钢08Cr9W3Co3VNbCuVN（G115）无缝钢管》推荐的正火后的回火温度为760℃～795℃，据此设定回火温度分别为740℃、760℃、780℃、800℃，设定升温速度为150℃/分，恒温2h后随炉空冷，试样在预磨机经砂纸磨制、金相抛光机抛光后由三氯化铁盐酸水溶液（HCl：50mL，FeCl3：5g，H2O：50mL）浸蚀，在OLYMPUS-PM3金相显微镜下观察显微组织，在HVS-1000数显布洛维硬度计上测量熔敷金属的显微硬度，加载力15kg，从焊缝中心由上至下打5点取其平均值[1-3]。

图1 焊接接头坡口形式及金相试样切取位置示意图

表2 焊接工艺参数

2 试验结果与分析

图2为未热处理的焊接接头的宏观金相组织，在焊接过程中，由于焊缝金属在熔融金属状态迅速冷却至室温，焊缝会形粗大的柱状晶组织，焊接过程中，焊接焊道会对已焊完的下面一层焊道产生一定的正火及回火作用，致使其部分晶粒发生细化，应力降低，因此在宏观金相上反映出焊缝整体上呈粗大的组织形态，在粗大组织中混合有部分细晶区，G115钢为合金含量超过10%的高合金钢，存在很大的淬硬倾向，为降低淬火应力，均匀焊缝的组织及性能，必须进行焊后回火处理织及性能，必须进行焊后回火处理[4]。

图2 G155熔敷金属的宏观金相（未处理）

图3 不同回火温度下G115钢熔敷金属的显微组织

表1 试验用G115钢焊条熔敷金属化学成分（%）

图3为不同回火温度下G115钢熔敷金属的显微组织照片，可以看出，不同温度下回火，熔敷金属均呈现出板条马氏体特征，未发现残余奥氏体相的存在，焊缝金属在快速冷却过程中，原子来不及扩散，大量的合金元素固溶于基体组织中不能析出，碳在α-Fe基体内形成过饱和的固溶体，即淬火马氏体，微观上在基体内形成高密度位错，在固溶强化和高密度位错的综合作用下，表现出很高的硬度和较低的塑性。

比较图3（a）和图3（b）、（c）可见，熔敷金属经740℃回火后，马氏体板条束呈针片状，板条束比较细密，板条束的位向差不明显，无明显马氏体块状特征，熔敷金属的显微硬度为312HV15，760℃、780℃回火后，马氏体板条束变宽，马氏体块内板条束位相差明显，熔敷金属的显微硬度分别为254HV15、238HV15，产生上述现象的原因是在回火过程中，马氏体板条内的高密度位错会发生回复，部分位错通过滑移和攀移相抵消，使位错密度下降，造成熔敷金属的硬度降低，同时部分板条向相邻板条合并成宽板条。

图3（d）为回火温度升高到800℃后的组织，可见，此时马氏体板条束特征不如图3（b）、（c）明显，同时基体上碳化物增多，硬度测试为203HV15，主要原因在于随着回火温度的进一步升高，部分马氏体开始分解为碳化物，基体内的位错密度进一步降低。

G115钢属9%系马氏体耐热钢，其在高温下的强化机制主要包括M23C6的析出强化，Nb，V（C，N）碳氮化物的弥散强化，及合金元素的固溶强化，随着回火温度的升高，Cr、Mo、Mn、V由固溶体向碳化物扩散，M23C6析出相变大，会使熔敷金属硬度降低，同时Nb，V（C，N）碳氮化物的弥散分布的数

量的增多会提高熔敷金属的硬度，因此熔敷金属最终的硬度是上述变化综合作用的结果，回火的目的是在上述综合强化机制下得到优异的焊接接头性能，保证锅炉机组的长期稳定运行，DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》标准规定，对于9%～12%Cr系列钢，焊缝硬度应控制在185HB～270HB，从热处理的金相微观组织分析可以看出，760℃～780℃回火马氏体板条块及板条特征明显，但760℃回火后熔敷金属的硬度偏标准上限，因此最佳的热处理温度应设定为780℃。

3 结论

不同回火温度下G115钢熔敷金属均为典型的马氏体组织，在740℃回火，马氏体组织呈针状，板条束特征不明显，硬度为312HV15，760℃～780℃回火，马氏体板条束变宽，位向特征明显，254HV15～238HV15，800℃回火，基体上碳化物弥散相增多，马氏体板条有分解的趋势，硬度为203HV15，综合组织特征与硬度测试结果，780℃回火为G115钢熔敷金属最佳的焊后回火温度。