热处理工艺对ER316H熔敷金属力学性能影响的研究与分析

邹朝辉

高斯贝尔热系统江苏有限公司 江苏无锡 214000

1 序言

ER316H属于一种奥氏体不锈钢焊接材料，在不锈钢压力容器堆焊中使用占比较高。奥氏体不锈钢在高温环境中可以展示出良好的性能，如果焊接零部件要求高的耐蚀性、抗氧化性及耐高温性等，则可以选择ER316H焊接材料。目前该金属材料在石油化工和管道等行业广泛使用。例如某设备在高温环境中运行，采用2.25CrlMo钢接管材质。对同种金属焊接安全端和接管，需要在铬钼钢接管断面用ER316H进行堆焊，形成的隔离层，不进行焊后热处理。当前主要焊态环境中大部分使用ER316H焊接材料，为了保障整体焊接质量，需要分析热处理工艺对ER316H熔敷金属力学性能的影响。

2 热处理工艺对ER316H熔敷金属力学性能试验

热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构与性能的工艺方法[1]。

2.1 试验材料和试验方法

试验材料为3Cr13钢，采用的焊接方法为MIG焊，采用直径1.2mm ER316H焊丝，焊接电流200～260A，电弧电压22～30V，焊缝为对接焊，试件尺寸为300mm×150mm×12mm。试验材料堆焊前进行了预热，以提高焊缝金属的抗裂性能。焊后分别采用空冷、空冷+回火和空冷+淬火+回火3种热处理工艺。焊后对接头进行组织检测、拉伸试验、冲击试验。金相组织观察，并采用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）进行微观分析，根据GB/T 1084—1999 《金属材料室温硬度试验方法》进行硬度检测。根据 GB/T 1652—2008 《金属材料室温拉伸性能试验方法》、GB/T 4338—2006 《金属材料高温拉伸试验》，对焊接接头材料的室温、高温（10～350℃）力学性能进行试验[2]。同时对接头进行常温和高温（10～350℃）冲击试验。由于ER316H熔敷金属的焊接热影响区具有高的塑性和韧性，因此要将其热处理到接近母材的热影响区力学性能。

2.2 金相组织检测结果

合金组织状态图如图1所示。

图1 合金组织状态图

金相组织分析结果表明，在焊接后空冷、空冷＋回火和空冷＋淬火＋回火3种热处理工艺下，熔敷金属的显微组织均为板条状铁素体（FGA）加少量珠光体（PF）；在焊缝处熔池存在两种奥氏体晶粒，一种是奥氏体板条状晶粒，另一种是等轴状晶粒；在热影响区存在少量珠光体和贝氏体等组织；在回火态时存在大量的马氏体组织。随着热处理温度的升高和加热时间的延长，熔敷金属中奥氏体晶粒不断长大，并逐渐转变为马氏体。

2.3 力学性能试验结果和分析

（1）拉伸试验 为了研究热处理工艺对ER316H焊接材料熔敷金属力学性能的影响，本文对不同热处理工艺的ER316H焊接材料熔敷金属进行了室温拉伸、高温拉伸、高温冲击和常温冲击试验。焊接后空冷、空冷＋回火处理ER316H焊接材料熔敷金属室温抗拉强度均低于母材，且高温抗拉强度也均低于母材。但通过淬火＋回火处理后，室温抗拉强度均高于母材，且高温抗拉强度也均高于母材[3]。这是因为ER316H焊接材料在经过热处理后，其马氏体晶粒得到细化，马氏体相变产生的碳化物溶解到基体中，使得晶粒细化、晶粒均匀化，从而提高了合金的硬度和抗拉强度，提高了熔敷金属的抗高温变形能力。

（2）冲击试验 冲击试验是评价材料耐冲击性能的重要指标，也是检验材料韧性的最直接方法。经过试验，淬火＋回火处理工艺下，ER316H焊接材料熔敷金属的冲击吸收质量比母材高。这是因为时效处理使晶粒细化，其表面及内部存在较多的位错，当发生脆性断裂时，基体中产生了较多的位错和晶界，使裂纹扩展受到阻碍[4，5]；同时，由于析出的碳化物在晶界上弥散分布，也降低了晶粒尺寸，从而使得焊接接头冲击吸收质量增加。

3 结束语

1）通过金相组织分析可知，ER316H焊接材料的金相组织主要由铁素体、贝氏体、少量的奥氏体组成，且这些组织在晶粒内部是连续分布的。

2）通过硬度检测、拉伸试验和冲击试验可知，ER316H焊接材料的硬度在220～280HV，且随温度的升高而增加。塑性和冲击韧度也随硬度的增加而降低。在310℃时，其冲击韧度达到最大值，为43.8J/cm2；在350℃时，其冲击韧度降至最低点，为28.2J/cm2。在350℃时，其抗拉强度为301.45MPa，伸长率为11.2%；在310℃时，其抗拉强度为280.16MPa，伸长率为15.4%。

3）通过硬度检测可知，随温度的升高，其硬度逐渐升高。

4）通过以上不同热处理工艺的分析，空冷＋淬火＋回火处理的力学性能要优于其他热处理工艺。