热处理时间对12Cr1MoV-304 接头碳迁移和组织的影响
摘要：奥氏体不锈钢与低合金耐热钢的焊接广泛应用于电站锅炉。为了研究高温时效对异质接
头碳扩散以及组织的影响,模拟异质接头的工作环境,对异质接头进行500℃、不同时间的时效处理,观察熔合线两侧成分和组织的变化。结果表明,随着时效时间的增加,碳扩散的总量增加,
母材热影响区贝氏体退化,转变成铁素体和索氏体,降低了接头的力学性能和使用寿命。
关键词:异质接头;碳迁移;时效处理;贝氏体退化;铁素体
中图分类号：TG406文献标志码：A文章编号：1001-3938（2013）04-0010-04
热处理时间对12Cr1MoV/304接头
碳迁移和组织的影响
崔一哲,李超
(沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110870)
Abstract:The welding of austenitic stainless steel with low alloy heat-resistant steel is widely used in the power station boiler. In order to research the influence of high-temperature aging on carbon diffusion of dissimilar joints and microstructure,it simulated the work environment of dissimilar jointers,after the aging treatment for the dissimilar joint at500℃at different time,along with observing the changes of the composition and the microstructure on both sides of the fusion zone,the result showed that with aging time increasing,the total quantity of carbon diffusion increase,the bainite in base metal degenerate and transform into ferrite and sorbite,which reduce the mechanical properties and service life of joint.
Key words:dissimilar joint;carbon migration;aging;bainite degeneracy;ferrite
Influence of Different Heat Treatment Time on Carbon Migration and
Microstructure of12Cr1MoV/304Joints
CUI Yizhe,LI Chao
(School of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang110870,China)
现代动力机械、化工和石油加工设备以及
多种仪器的许多零部件越来越广泛地应用异种
金属焊接结构,在机械零件、模具修复中也广
泛地应用异种金属焊接[1]。在电站锅炉便会使用
奥氏体不锈钢和低合金耐热钢的异质接头[2],具
有高热强性和低耐腐蚀性。异种钢的焊接可以
充分兼顾两者的特性,并且能够降低产品的制
造成本[3]。
低合金钢和奥氏体不锈钢在成分、力学性能
以及组织等方面有较大差异,降低了异质接头的
焊接性[4]。生产实践表明,由这两类钢组成的焊
接接头在焊接和高温服役过程中,碳元素常从耐
热钢一侧越过焊接熔合界面向不锈钢一侧发生扩
散,形成碳的扩散迁移。在耐热钢一侧由于脱碳
造成软化区,而在不锈钢一侧造成硬化区,因
此,在高温热疲劳载荷下可造成接头的断裂,并
影响到生产安全[5-6]。又由于母材对焊缝的稀释作
用,造成焊缝合金中奥氏体形成元素不足,在靠
近熔合区可能出现马氏体组织[7],从而恶化焊接
接头质量。为了研究时效时间对异质接头碳迁移
和组织的影响,模拟电站锅炉的工作温度,对异
质接头进行不同时间的时效处理。
1试验材料和方法
根据电站锅炉的选用材料,以12Cr1MoV为
母材,供货状态为正火+回火,组织为铁素体+
珠光体,以不锈钢焊条A102为焊接材料进行手
工电弧堆焊,母材和A102熔敷金属的化学成分
见表1。
为了分析高温下时效时间对异质接头碳迁移和
组织的影响,分别对试样进行焊态、500℃/50h和
500℃/100h不同保温时间的热处理
。
表112Cr1MoV钢和A102熔敷金属的化学成分
图2碳含量分布曲线
2试验结果与分析
2.1时效时间对碳扩散的影响
利用能谱分析测量各个异质接头试样焊缝
熔合线两侧各点碳元素的含量,各试样分布点
如图1所示,各点碳含量见表2,碳含量分布曲
线如图2所示。
从时效温度为500℃、不同时效时间碳含量
的分布结果来看,焊态试样熔合线两侧便呈现出
明显的碳含量梯度,在不锈钢侧距熔合线2μm
左右出现碳质量分数的峰值,测量为0.14%,在
母材一侧距离熔合线2μm区域碳质量分数降
图1垂直于熔合线的成分点
表2垂直于熔合线各点碳含量%
低,最低值为0.09%。说明在焊态下异质接头便出
现少量的碳扩散现象。随着时效时间的增加,在时
效时间50h情况下,在不锈钢焊缝一侧碳含量的
峰值随之增加,碳在距离熔合线大约2μm的区域
最为聚集,形成碳聚集带,测量该区域碳质量分
数达到0.23%左右,在母材耐热钢一侧碳质量分
数降低,最低为0.09%,但是脱碳区的宽度增
加,大约在8μm。在时效时间100h情况下,
在不锈钢一侧增碳区中碳含量的峰值降低,但增
碳层的宽度增加,在该区域碳质量分数大于
0.17%的区域大约在10μm。在耐热钢一侧,随
着时效时间的增加,碳质量分数随之降低,最低
值为0.07%,并且脱碳区的宽度进一步增加,达
到15μm左右。
通过碳含量分布曲线图可以看出,随着时效
时间的增加,由耐热钢一侧向不锈钢一侧的碳扩
散量也随之增加,当经过500℃/50h时效处理后,
在不锈钢一侧碳含量达到峰值,而后,随着时效时
间的增加,增碳区宽度增加。说明在异质接头中,
除了母材和焊缝碳含量的差别引起的热力学平衡的
碳分配关系外,碳元素在接头中的活度大小是引起
碳扩散的主要原因。碳总是由活度高的一侧向活度
低的部位扩散。碳在钢中的活度大小取决于碳在固
溶体中的浓度和钢中其他亲碳合金元素的含量。而
在不锈钢焊缝中,由于亲碳元素铬含量高于母材,
造成焊缝与母材间形成碳的活度梯度,促使碳由耐
热钢一侧向焊缝中心进行上坡扩散。
2.2时效时间对组织的影响
经过时效处理后,焊缝两侧含碳量发生变
化,元素成分的变化引起焊缝、熔合区和母材组
织的变化,在不锈钢一侧的焊缝和熔合区用王水
腐蚀,显微组织如图3所示。在耐热钢一侧的母
材用4%硝酸酒精腐蚀,显微组织如图4所示。
图3熔合区显微组织
图4
母材热影响区显微组织
焊态下焊缝和熔合区的组织如图3(a)所示,
图中上部分的焊缝为奥氏体及枝晶状分布的δ铁素
体组成的粗大柱状晶,熔合区为马氏体组织,其中
含有少量黑色碳化物,经测量焊态下熔合区碳质量
分数为0.14%。由于异种钢焊接的稀释作用,堆焊
后,熔合区奥氏体化元素Cr,Ni的含量不足,使
熔合区形成马氏体组织。试样在经过500℃/50h
时效处理后,焊缝熔合区组织如图3(b)所示,熔
合区组织转变为回火马氏体组织,并且有大量的
黑色碳化物,形成一条黑色的碳化物聚集带,焊
态下的马氏体组织经高温时效后发生退化,转变
成回火马氏体,高温时效促使碳由低合金钢一侧
向焊缝熔合区扩散,但由于时效时间短,碳来不
及向远处长程扩散,便在熔合区聚集,在金相照
片中形成一条黑色的碳聚集带。随着高温时效时
间增加,促进碳由耐热钢一侧向不锈钢一侧继续
扩散,碳扩散总量增加,在经过500℃/100h时
效处理后熔合区组织如图3(c)所示,组织仍为
回火马氏体+碳化物。碳化物的含量并没有经过
500℃/50h时效处理的聚集,但是宽度增加,并
且在焊缝一侧增加的碳主要分布在马氏体区,并
没有向焊缝的奥氏体区一侧继续扩散。因为碳在
α-Fe中的扩散远大于γ-Fe,所以碳很难向焊缝奥氏体区继续扩散,主要聚集分布在马氏体区。
在经过高温时效处理后,熔合区组织由焊态下的马氏体组织退化成回火马氏体,并且在熔合区含有大量碳化物,这大大增加了熔合区的淬硬性,降低了熔合区的力学性能和使用性能。
焊态下,母材过热粗晶区的组织如图4(a)所示,组织为上贝氏体和粒状贝氏体组织,并且有微量碳化物,焊接过程中,该区温度在1000℃到固相线以下,铁素体和珠光体全部转变成奥氏体,并且奥氏体晶粒长大现象严重。由于碳在液相中的溶解度高于固相,因此当熔池与母材接触过程中,碳会由低合金钢一侧的未熔化区向焊缝的熔合边界扩散,又由于碳在奥氏体中的溶解度高于铁素体中的溶解度,在冷却结晶过程中,先共析铁素体的析出使碳在未转变的奥氏体中过饱和,焊接冷却速度快,碳不能充分的扩散,因此形成碳过饱和的上贝氏体和粒状贝氏体组织,并且从上到下(即由母材向熔合线方向)晶粒逐渐变大。在经过500℃/50h时效处理后的组织如图4(b)所示,组织为回火索氏体,原焊态下不稳定的上贝氏体和粒状贝氏体在高温下发生退化,碳元素在高温下扩散重熔,渗碳体颗粒不再呈片状或颗粒状,而是呈现长条状甚至椭圆状。在经过500℃/100h时效处理后的组织如图4(c)所示,组织为铁素体和少量颗粒状碳化物,随着高温时效时间的增加,粗晶区组织进一步退化,铁素体比例增加,并且高温时效促进了碳的扩散,在低合金钢一侧距离熔合线15μm的区域内形成脱碳区,由于碳的脱离,该区域组织与其他过热粗晶区组织相比,铁素体组织比例进一步增加,并且渗碳体成颗粒状。在不锈钢一侧紧靠熔合线出现一条明显的黑色的增碳层。
随着高温时效时间的增加,母材粗晶区的上贝氏体和粒状贝氏体组织一步步退化成铁素体组织,铁素体组织的强度和硬度均低于母材组织,大大降低了焊接接头的使用性能。
3结论
异质接头在高温服役下,促进了碳由低合金钢一侧向不锈钢一侧的扩散,随着时效时间的增加,碳扩散的总量增加,由于碳含量的变化,导致熔合线两侧的组织发生变化。
在不锈钢一侧的马氏体区中析出大量的碳化物,增加了该区域的脆硬性。在母材一侧,珠光体随着时效时间的增加而逐步退化,转变成铁素体,最终形成一定宽度的铁素体区,这将大幅降低接头的力学性能和使用性能。
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作者简介:崔一哲(1987—),男,在读硕士,主要从事焊接工艺与设备、材料表面强化技术等研究工作。
收稿日期:2012-12-10
编辑:罗刚