347奧氏體不銹鋼閥門焊接殼體裂紋成因分析

劉祥春，鄒立群

（中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

穩(wěn)定化的347奧氏體不銹鋼具有良好的抗晶間腐蝕性能，優(yōu)異的高溫應(yīng)力破斷和蠕變抗力，廣泛應(yīng)用于航空、發(fā)電，石油化工、化學(xué)、食品、造紙等領(lǐng)域，但其熱裂紋敏感性要明顯高于非穩(wěn)定化的不銹鋼[1-2]。

某企業(yè)閥門殼體采用了347奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)采用的焊接材料為進(jìn)口不銹鋼焊絲ER347φ2.4 AWS A5.9，在焊后進(jìn)行了無損檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了埋藏裂紋，如圖1所示。對發(fā)現(xiàn)缺陷的焊接接頭部位進(jìn)行了切樣剖析，對其進(jìn)行宏微觀性能分析及測試[3-5]，以期找到開裂的原因，為后續(xù)改善焊接質(zhì)量提供改進(jìn)措施。

圖1 發(fā)現(xiàn)缺陷的閥門部位Fig.1 Valve location where defect was found

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11170—2008[6]對焊縫金屬及母材進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，無論是母材還是焊縫，化學(xué)成分均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 金相組織分析

對焊接接頭的母材、焊縫、熱影響區(qū)分別取樣，預(yù)磨拋光后，采用鹽酸+二氯化銅水溶液腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，進(jìn)行金相組織分析。

母材金相組織見圖2。從圖2可以看出母材微觀組織異常。一是晶粒非常粗大，而且大小不一，大的晶粒在0.5 ～ 1 mm之間，小的晶粒大部分在0.1 mm左右；二是存在兩種截然不同的晶粒，一種是平整，常見的奧氏體晶粒，一種是類似于馬氏體形態(tài)的晶粒，對該區(qū)的磁性分析結(jié)果表明該區(qū)域仍是奧氏體；三是碳化物等析出相分布嚴(yán)重不均，偏析嚴(yán)重。

焊縫金屬的金相組織見圖3，在焊縫金屬中未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。圖3a、b是焊縫左側(cè)的組織，組織為典型柱狀晶結(jié)構(gòu)，高倍下可以看到樹枝狀晶之間的鐵素體，鐵素體含量在6% ～ 8%，組織正常。圖3c、d為焊縫右側(cè)邊緣位置的組織形貌，組織為粗大的柱狀晶組織。

熱影響區(qū)的金相組織見圖4。圖4a顯示熔合線以及熱影響區(qū)的組織和裂紋形態(tài)。熱影響區(qū)的晶粒因受熱進(jìn)一步有所長大，大部分晶粒尺寸都在0.2 mm以上，熱影響區(qū)晶粒類似于母材，但晶粒馬氏體形態(tài)的特征大為減輕。在緊鄰熔合線的熱影響區(qū)出現(xiàn)一條垂直于熔合線的微裂紋，長度在0.2 mm左右，呈沿晶形貌，晶界內(nèi)部存在部分沉淀相，為典型的熱影響區(qū)液化裂紋。圖5b顯示另外一處熔合線以及熱影響區(qū)的組織和裂紋形態(tài)，該位置的馬氏體形態(tài)的特征晶粒已經(jīng)變得非常模糊。在熱影響區(qū)存在多處平行于熔合線的裂紋，裂紋短的小于0.1 mm，長的超過0.2 mm，同樣為典型的熱影響區(qū)液化裂紋。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Results of chemical composition analysis wt%

圖2 母材金相組織Fig.2 Metallographic structure of base metal

圖3 焊縫金相組織Fig.3 Weld metallographic structure

圖4 熔合線熱影響區(qū)金相組織Fig.4 Metallographic structure of heat affected zone of fusion line

圖5 母材掃描電鏡下形貌Fig.5 Morphdogy of base metal under scanning electron microscope

對焊接接頭的母材、焊縫、熱影響區(qū)的金相分析表明，在緊鄰熔合線的熱影響區(qū)存在很多的液化裂紋，母材晶粒尺寸極端粗大，組織反常。

1.3 掃描電鏡與能譜分析

為了識別出各種組織和析出相，捕捉更為精確的裂紋特征，本文采用了景深的掃描電鏡進(jìn)行觀察和能譜分析。

圖5為母材掃描電鏡下形貌。圖5a為母材低倍形貌，最小的晶粒尺寸在0.1 mm 左右，最大的晶粒尺寸可達(dá)1.55 mm，平整的晶粒和具有馬氏體特征的晶粒非均勻分布。從圖中可以看出反常的大晶粒是晶粒吞并引起的，說明材料經(jīng)歷過熱，比如熱處理超溫等。圖5a中可以看出碳化鈮呈白色，主要分布晶內(nèi)，少數(shù)分布于晶界，偏析嚴(yán)重。圖5b中顯示具有典型馬氏體特征的奧氏體晶粒和平整的奧氏體晶粒。馬氏體特征的奧氏體晶粒中鐵素體形成元素相對較高，說明馬氏體形態(tài)的奧氏體可能是低溫下馬氏體直接無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變而來的。對圖5b中的晶內(nèi)白色碳化物分析結(jié)果見圖6，說明碳化物為碳化鈮。

圖6 晶內(nèi)碳化物能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of carbides in grains

圖7為焊縫掃描電鏡下形貌。高倍下鐵素體呈蠕蟲狀。由于鐵素體和奧氏體相界相對耐腐蝕較弱，大部分鐵素體因相界腐蝕而脫落。對焊縫中的奧氏體和殘留鐵素體能譜分析表明蠕蟲狀的鐵素體比奧氏體含有更高的鉻元素，更低的鎳元素，說明焊縫的結(jié)晶模式至少是鐵素體+奧氏體，或者是一次鐵素體，后續(xù)冷卻過程中發(fā)生合金元素在兩相區(qū)在分配。這種結(jié)晶模式基本上不會出現(xiàn)熱裂紋。

圖7 焊縫掃描電鏡下形貌Fig.7 Weld morphology under scanning electron microscope

圖8為熱影響區(qū)裂紋形貌。低倍下觀察到多條0.1 mm左右以上的裂紋，圖8a為一條0.2 mm左右垂直于熔合線的裂紋，沿遷移的晶界開裂，邊緣存在液化的痕跡以及碳化物。圖8b為一條0.1 mm以上的垂直于熔合線的裂紋，裂紋沿晶界擴(kuò)展，沿裂紋邊緣存在非常顯著的熔化痕跡，屬于典型的母材熱影響區(qū)液化裂紋。在裂紋下端部，存在非常明顯的沉淀相。圖8中的裂紋完全熔化區(qū)、部分熔化區(qū)，以及裂紋下端部析出相能譜分析結(jié)果分別見圖9a、b。能譜分析結(jié)果表明，完全熔化區(qū)為奧氏體，部分熔化區(qū)為富硼和富鈮，裂紋下端部析出相中硼含量超過20%，同時(shí)含有大量的碳、鈮、鈦等，說明析出相為硼碳的化合物。一般而言，硼是奧氏體不銹鋼所需的合金元素。少量添加0.001% ～ 0.006%可顯著降低不銹鋼的熱脆性，阻礙晶界楔型裂紋和晶界孔洞的形成。固溶處理或快冷條件下，硼在晶內(nèi)形成沉淀相，不會引起熱影響區(qū)開裂。在高溫下析出沿晶界分布的M23（C， B）6，M3B2和Ni4B3，與奧氏體形成低熔點(diǎn)共晶，引起液化裂紋。能譜分析表明，硼化物、硼碳化物與奧氏體形成了低熔共晶是導(dǎo)致開裂的冶金因素。

圖8 熱影響區(qū)裂紋形貌Fig.8 Crack morphology in heat affected zone

1.4 硬度測試

為分析母材兩種奧氏體形態(tài)的成因以及焊接接頭各個(gè)位置的硬度變化規(guī)律，對焊縫、熔合線附近、熱影響區(qū)、母材兩種形態(tài)分別進(jìn)行維氏硬度分析。分析位置和硬度結(jié)果見表2。從測試結(jié)果可以看出，焊縫、熔合線、平整形態(tài)的奧氏體硬度基本接近，熱影響區(qū)硬度稍高于上述位置，而馬氏體形態(tài)的奧氏體硬度最高。這種反常的硬度與形變熱處理關(guān)系密切。馬氏體形態(tài)的奧氏體是奧氏體不銹鋼在冷變形過程中產(chǎn)生的馬氏體在快速加熱條件下發(fā)生無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成奧氏體，仍保留馬氏體形態(tài)以及對應(yīng)的位錯(cuò)密度，因此具有很高的硬度。

2 綜合分析

2.1 檢驗(yàn)結(jié)果分析

通過對焊接接頭母材和焊縫金屬的化學(xué)成分分析表明母材和焊縫金屬的化學(xué)成分都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

對焊縫的金相組織分析、掃描電鏡形貌和能譜分析表明焊縫大部分區(qū)域?yàn)榈湫偷闹鶢罹ЫY(jié)構(gòu)，含有約6% ～ 8%的鐵素體，局部焊縫高溫停留時(shí)間過長，晶粒粗大，基本沒有鐵素體存在，但在焊縫金屬內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷。

圖9 熱影響區(qū)裂紋不同位置能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of cracks at different positions in heat affected zone

表2 母材、焊縫、熔合線附近、熱影響區(qū)的硬度值Table 2 Hardness values of base metal, weld, near fusion line and heat affected zone

對熔合線和熱影響區(qū)的金相組織分析、掃描電鏡形貌和能譜分析表明母材熱影響區(qū)存在較多的液化裂紋，長度小的只有0.02 mm，大的約為0.2 mm，裂紋邊緣有明顯的熔化痕跡，附近存在富硼，富鈮的析出相，表明熱裂紋敏感性元素在晶界偏析嚴(yán)重是導(dǎo)致熱影響區(qū)液化裂紋冶金因素。

對母材的組織分析表明母材的晶粒異常粗大，晶粒尺寸大部分在0.1 mm以上，最大晶粒尺寸為1.55 mm，且存在兩種形態(tài)的奧氏體晶粒，一種是馬氏體形貌的具有非常高硬度的晶粒，一種是平整正常的奧氏體晶粒。這種異常的組織也是導(dǎo)致液化裂紋的重要原因。

2.2 裂紋成因分析

液化裂紋是由冶金因素和力學(xué)因素相互作用形成的，具體分析如下：

（1）熱影響區(qū)熱裂紋敏感性元素的偏析與富集

已有研究表明，熱影響區(qū)的液化裂紋敏感性通常與富鈮相和奧氏體的共晶密切有關(guān)，但與Nb/（C+N）因子、P+S雜質(zhì)水平、Nb碳化物或碳氮化物尺寸和分布、鐵素體數(shù)量、鐵素體形態(tài)和分布之間的復(fù)雜相互作用也有關(guān)[7]。本文的測試分析證明了在熱影響區(qū)液化裂紋附近存在大量的熱裂紋敏感性元素的偏析與富集，如硼、碳、鈮和磷。硼可以形成Fe-Fe2B，Ni-Ni2B和（Fe，Cr）2B-奧氏體等低熔共晶[8]。碳與鈮、鈦也可以形成低熔點(diǎn)NbC-奧氏體和TiC-奧氏體共晶，而磷形成的Fe-Fe3P和Ni- Ni3P更低，分別為1 048 ℃和875 ℃。在裂紋附近的硼含量極高，部分地方超過20%，同時(shí)附近也存在大量的碳、鈮和磷，這些敏感性元素的成分偏析是導(dǎo)致液化裂紋的根本原因。

引起熱裂紋敏感性元素的偏析與富集原因有如下幾點(diǎn)：

一是晶粒反常的粗大，分析表明這種反常粗大的晶粒是材料過熱的結(jié)果。在總的熱裂紋敏感元素不變的情況下，晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，越能夠大大分散熱裂紋敏感元素在晶界上濃度。晶粒越粗大，越容易出現(xiàn)液化裂紋，在焊接過程中，熱影響區(qū)中因發(fā)生再結(jié)晶而使晶粒進(jìn)一步粗大，這種情況在純奧氏體組織中比在含有少量δ鐵素體的奧氏體組織中更為強(qiáng)烈，這是因?yàn)楹笳呓M織中含有鐵素體，可以阻礙晶粒粗大。因此，低熔點(diǎn)相在完全奧氏體組織中，在新形成的晶粒邊界上積聚要比在鐵素體的晶粒邊界上更為容易，因而增加了裂紋敏感性。

二是反常的奧氏體組織，在母材上出現(xiàn)兩種形態(tài)的奧氏體，一種是硬度非常高的馬氏體形態(tài)的奧氏體晶粒，一種是正常的奧氏體，說明該材料不僅經(jīng)歷了過熱，而且經(jīng)歷了冷變形引起的部分馬氏體相變，在隨后的快速加熱過程中轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ａ赳R氏體位向的奧氏體，具有高位錯(cuò)密度和高硬度，一方面快速加熱引起敏感性元素向晶界嚴(yán)重偏析，另一方面，高硬度的奧氏體使鄰近的低熔點(diǎn)共晶區(qū)承受更大的塑性應(yīng)變，加速液化裂紋的形成和擴(kuò)展。

三是母材組織的均勻性差，不僅晶粒大小嚴(yán)重不一，更重要的是碳化物、硼化物分布嚴(yán)重不均。這些局部集聚的碳化物和硼化物更容易與奧氏體形成低熔點(diǎn)共晶，引起熱影響區(qū)晶界的液化開裂。

（2）厚截面拘束結(jié)構(gòu)

焊接過程中，熱影響區(qū)初期承受壓應(yīng)力，在焊縫結(jié)晶之后則承受拉應(yīng)力。從加熱過程中受壓到冷卻過程中受拉的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間和溫度非常重要，對液化裂紋的產(chǎn)生起決定作用。如果在轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，熱影響區(qū)晶界處的低熔點(diǎn)物質(zhì)仍以液相存在，晶界處液態(tài)薄膜就會擴(kuò)展，形成微裂紋和液化裂紋。而由于存在大的拘束，焊接的構(gòu)件越厚，熱影響區(qū)的裂紋問題更為突出[6]。并且構(gòu)件越厚，焊縫的冷卻速度越快，從壓應(yīng)力到拉應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度很高，低熔點(diǎn)液相更容易被排擠到晶粒晶界，導(dǎo)致液化裂紋的產(chǎn)生。本文分析的閥門的焊接厚度遠(yuǎn)超一般定義的厚截面焊接（12 mm），而且還存在環(huán)向的幾何約束，使得結(jié)構(gòu)的剛度更大，更容易產(chǎn)生液化裂紋。從液化裂紋不僅有平行于熔合線的也有垂直于熔合線的情況來看，說明該結(jié)構(gòu)的幾何拘束非常大，在同樣條件下很容易產(chǎn)生熱影響區(qū)的液化裂紋。

3 結(jié)論及建議

（1）對產(chǎn)生裂紋的347奧氏體不銹鋼閥門焊接接頭開展了化學(xué)成分、金相組織、硬度、掃描電鏡以及能譜等分析，研究表明，熱影響區(qū)產(chǎn)生的裂紋為熱裂紋，屬于液化裂紋。

（2） 由于過熱導(dǎo)致了母材組織異常，晶粒異常粗大，存在馬氏體形態(tài)的高硬度奧氏體，熱裂紋敏感性元素存在的嚴(yán)重偏析和富集現(xiàn)象。

（3） 液化裂紋是母材異常組織導(dǎo)致高熱裂紋敏感性元素嚴(yán)重偏析，并由于厚壁高拘束導(dǎo)致的應(yīng)力而形成的。

（4） 由于本次分析的閥門母材晶粒粗大，已不適合再次焊接。

（5） 企業(yè)應(yīng)制定合理的制造及熱處理工藝，獲得均勻化組織，消除偏析；合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，對厚工件適當(dāng)預(yù)熱減少焊接應(yīng)力。