大厚度沉淀硬化不銹鋼雙面焊接接頭組織及性能演變

張國(guó)軍 陳鳳 張貴一 陳莉

摘要：針對(duì)大厚度沉淀硬化不銹鋼進(jìn)行雙面鎢極氬弧焊對(duì)接試驗(yàn)，并分析接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明：焊縫無裂紋、氣孔等缺陷;熱處理后焊縫晶粒細(xì)化，熱影響區(qū)受熱差異引起的組織差異性消失，接頭呈現(xiàn)固溶態(tài)組織。力學(xué)性能測(cè)試表明，熱處理后的接頭的抗拉強(qiáng)度提高5.5%，延伸率提高63%;斷口分析表明，熱處理后的接頭斷裂處呈韌性斷裂，斷口以韌窩為主。

關(guān)鍵詞：沉淀硬化不銹鋼 ;雙面焊接 ;顯微組織; 拉伸強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0018-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.04

0 前言

05Cr17Ni4Cu4Nb鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，與美國(guó)的17-4PH鋼性能相近。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼以Cr、Ni元素為基礎(chǔ)，通過加入Cu、Nb元素以時(shí)效熱處理的方式析出ε-Cu和NbC、M23C6等硬化相來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性能、綜合性能等極為優(yōu)秀，被廣泛應(yīng)用于航天武器、航天飛行、航空飛機(jī)、核動(dòng)力裝置等領(lǐng)域，常用于生產(chǎn)復(fù)雜條件下的骨架、承載結(jié)構(gòu)等。國(guó)內(nèi)對(duì)于05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的材料加工特性的研究主要集中在力學(xué)性能及其熱處理過程中的組織演化、抗腐蝕性能。航天發(fā)射器支撐結(jié)構(gòu)如發(fā)射架等一般采用焊接技術(shù)將零部件組成整體，由于這些零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件苛刻，因此研究該類鋼材的焊接技術(shù)對(duì)于科研生產(chǎn)有著重要意義。

1 試驗(yàn)方法和設(shè)備

試驗(yàn)以05Cr17Ni4Cu4Nb試板為研究對(duì)象，抗拉強(qiáng)度為1 030 MPa。焊前進(jìn)行熱處理，熱處理規(guī)范為1 040 ℃×0.5 h（固溶）+590 ℃×4 h（時(shí)效），填充焊絲為ER630，規(guī)格φ1.6 mm，母材尺寸200 mm×100 mm×20 mm。母材和焊絲主要化學(xué)成分見表1。試板經(jīng)過焊接、熱處理等工序，研究在此過程中產(chǎn)品的組織及性能變化。

焊前用砂紙將試件對(duì)接面25 mm區(qū)域清理至呈光亮金屬光澤。坡口形式為X形，鈍邊1 mm，裝配間隙1 mm。試驗(yàn)采用手工鎢極氬弧焊，氬弧焊機(jī)為Miller Dynasty 700，電極直徑φ3.2 mm，直流正接，焊接順序如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

采用LEICADMR金相顯微鏡觀察熱處理前后的焊接接頭金相組織;按照GB2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》制成拉伸試樣，利用CMT5504 材料性能測(cè)試專用裝置測(cè)量焊接接頭的力學(xué)性能，并通過QUANTA 450掃描電鏡觀察焊接接頭的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

試驗(yàn)用的母材光學(xué)顯微組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體，晶內(nèi)馬氏體板條束呈“條紋”狀分布，可以觀察到彌散分布的點(diǎn)狀析出物，如圖2所示。

焊縫微觀組織如圖3所示。可以看出，05Cr17

Ni4Cu4Nb不銹鋼的焊縫區(qū)域主要由柱狀晶組成，晶粒大小由打底層向上逐步細(xì)化，原因是多層焊的TIG焊縫組織受到多次熱輸入的影響，先焊的焊縫晶粒相當(dāng)于經(jīng)歷了一次熱處理，且溫度很高，晶粒受熱存在長(zhǎng)大趨勢(shì)，所以底層焊縫晶粒要粗大一些。打底層組織（見圖3a）為淬火馬氏體+部分高溫鐵素體，受周圍基體的快速冷卻影響，熔池較小，溶質(zhì)元素來不及擴(kuò)散，均勻性較好，因此不易腐蝕出清晰的晶界，柱狀晶垂直熔合線向焊縫中心生長(zhǎng)。中間層組織的晶粒之間存在部分蠕蟲狀鐵素體，分析是由于多層焊再熱冷卻后生成殘余鐵素體，晶粒由不同位向的淬火馬氏體板條束組成。在打底層和中間層的焊縫中，馬氏體板條束較多，馬氏體板條均勻細(xì)小，且位向關(guān)系明確，晶粒邊界清晰，晶界相互連結(jié)成網(wǎng)狀;而蓋面層中晶界內(nèi)的板條束較少，且位向不清晰[1-2，4]。

焊后熱處理組織如圖4所示，可以看出，焊縫區(qū)的顯微組織呈柱狀晶，晶粒細(xì)化，在柱狀晶內(nèi)部，不同位向的馬氏體板條束平行分布，板條束之間的襯度差較小。經(jīng)過時(shí)效處理的的組織，晶粒輪廓比較模糊，不同部位的組織無明顯差異，馬氏體板條均勻細(xì)小，鐵素體基本消失。

熱影響區(qū)的組織變化如圖5所示，圖5a為焊態(tài)組織形態(tài)，圖5b為熱處理后的組織形態(tài)。由圖5a可知，熱影響區(qū)由粗晶區(qū)和受熱區(qū)組成，原因是熱影響區(qū)的不同位置在焊接過程中經(jīng)歷的峰值溫度不同，從而形成了具有明顯差異的顯微組織。粗晶區(qū)靠近焊縫熔合線，焊接時(shí)經(jīng)受較高的溫度，晶粒明顯長(zhǎng)大，得到粗大馬氏體，并伴有富銅第二相析出和極少量逆變奧氏體的形成。在焊接過程中，由于加熱溫度不均勻，當(dāng)峰值溫度介于Ac1和Ac3之間時(shí)，臨界區(qū)發(fā)生了部分奧氏體化，奧氏體中溶入的鐵素體數(shù)量較少，在隨后快速冷卻時(shí)，奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成馬氏體，但未溶部分的鐵素體不發(fā)生轉(zhuǎn)變最后保留下來形成高溫鐵素體組織，并產(chǎn)生了極少量的逆變奧氏體，第二相析出很少，使得該區(qū)域組織保持著過飽和鐵素體和逆轉(zhuǎn)變奧氏體的多重特征。圖5b為熱處理后的熔合線區(qū)組織，可以發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)各個(gè)區(qū)域的分界限已經(jīng)消失，合金元素與碳化物溶入基體，組織呈現(xiàn)固溶態(tài)，焊縫區(qū)域的柱狀晶晶粒細(xì)化，晶界模糊不清，接頭組織更加均勻[1-3]。

2.2 接頭性能研究

以焊縫為中心，垂直于焊縫方向切割制取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，熱處理前后的接頭各制取3個(gè)試件z，接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率如圖6和表3所示。熱處理前，焊接接頭最小抗拉強(qiáng)度為961 MPa，約為母材的93.3%;熱處理后接頭抗拉強(qiáng)度最小為1 035 MPa，接近母材的100%。熱處理前的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較大，幅值達(dá)到40 MPa，熱處理后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較小，僅為3 MPa。

對(duì)比熱處理前后焊接接頭的延伸率也可發(fā)現(xiàn)，熱處理前的接頭延伸率為5%～12.5%，熱處理后的接頭延伸率為14.5%～15%，延伸率較為穩(wěn)定。由表6可知，熱處理后力學(xué)性能得到優(yōu)化，接頭強(qiáng)度和延伸率都有提升。

進(jìn)一步對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖7所示。熱處理前的斷口面呈現(xiàn)脆韌混合型斷裂，斷口主要由較淺的韌窩和解離面組成，在拉應(yīng)力作用下極易沿解理面和相界面斷開。究其原因是：焊接過程中由于冷卻速率快，在焊縫中保持著因結(jié)晶有先后所產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻性，同時(shí)伴隨著熔池的激烈攪拌作用，新的液體金屬不斷加入，因此結(jié)晶后的焊縫由于柱狀晶體持續(xù)長(zhǎng)大和推移，向熔池中心不斷推進(jìn)溶質(zhì)，導(dǎo)致在中心位置存在較大的偏析問題。熱處理后，焊縫中成分及組織趨于均勻，焊縫金屬得到韌化，呈現(xiàn)典型的韌性斷口形貌，斷口由大量細(xì)小的韌窩構(gòu)成。

3 結(jié)論

（1）對(duì)20 mm厚度的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼采用雙面鎢極氬弧焊焊接可以獲得外觀成形良好的焊接接頭。經(jīng)過固溶+時(shí)效熱處理，0Cr

15Ni5Cu4Nb鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率和均有所提高，拉伸斷口由準(zhǔn)解理向韌窩特征變化。

（2）熱處理前，焊縫組織呈現(xiàn)柱狀晶，在晶粒之間存在殘留鐵素體;經(jīng)過熱處理后，不同位向的馬氏體板條束平行分布，板條束之間的襯度差較小。熱影響區(qū)可以分為粗晶區(qū)和受熱區(qū)，主要是焊接過程中經(jīng)歷的峰值溫度不同所致，經(jīng)過熱處理后各個(gè)區(qū)域的分界限已經(jīng)消失，焊接接頭上的合金元素完全溶入基體。

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