焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响_孙咸.pdf

国外焊管第46卷 第1期2023年1月Vol.46 No.1Jan.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响孙咸 编译（太原理工大学焊接材料研究所，太原 030024）摘 要：采用伍德（Wood）液态金属对GTAW制作的平板堆焊试件淬火，以及光学金相、电子背散射衍射等测试手段，研究了焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹（Ductilitydip cracking，DDC）敏感性的影响。结果表明，伍德金属淬火在焊缝熔化区中捕获了高温显微组织细节形貌，揭示了310的淬火诱发DDC敏感性比304、316和321严重得多。304和316均凝固为柱状晶粒，沿柱状晶粒之间的边界形成了几乎连续的；由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，阻碍沿晶界的DDC。321凝固为等轴晶粒，等轴晶粒的弯曲边界阻碍DDC。310 凝固为粗直的、沿晶界几乎没有的柱状晶粒，并且晶界迁移变成为局部直的；由此产生的又长又直的裸晶界成为 DDC的理想通道。归纳了奥氏体不锈钢焊缝抗DDC的两种新机制：沿柱状晶的边界形成几乎连续的、非平直的；凝固为等轴晶粒。关键词：焊缝金属；失延裂纹；奥氏体不锈钢：铁素体；奥氏体中图分类号：TG406 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.009Effect of Weld Metal on the Susceptibility of Austenitic Stainless Steel toDuctilitydip CrackingTranslated by SUN Xian(Institute of Welding Consumables,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:The effects of weld metal on the sensitivity of austenitic stainless steel to ductilitydip cracking(DDC)were investigated by means of liquid Woods metal quenching the plate surfacing specimen made of GTAW,optical metallography and electron backscatter diffraction(EBSD)and other test means.The results show that woods metal quenching captures the detailed morphology of elevatedtemperature microstructure in weld fusion zone,and reveals that the susceptibility to DDC induced by quenching is much more severe in 310 than in 304、316 and 321.304 and 316 both solidifies as columnar grains,and resulting in the formation of a nearly continuous along the boundaries between columnar grains;Since grows deep into,grains are bonded together firmly by to resist DDC along grain boundaries.321 solidifies as equiaxed grains,and the tortuous boundaries of equiaxed grains resist DDC.310 solidifies as coarse,straight,columnar grains of with little along grain boundaries,and the grain boundaries migrate to become locally straight.The resulting long,straight,and naked grain boundaries become ideal paths for DDC.Two new mechanisms for resisting DDC in austenitic stainless steel welds are summarized,formation of nearly continuous,nonstraight along boundaries of columnar grains and solidification as equiaxed grains.Key words:weld metal;ductilitydip cracking;austenitic stainless steels;ferrite;austenite0前 言合金在焊接过程中会在一定温度范围内熔化和凝固，在熔池（L）和熔化区（S）之间会形成糊状区（S+L），并且在熔池周围区域中会形成部分熔化区（S+L）。糊状区是半固态的，由于晶粒或树枝晶没有相互结合，而是被液膜隔开，因此它的强度很低。在接近凝固结束时，它的延展性也非常有限，因为此处几乎没有液体可以容纳变形。靠近糊状区的熔化区（由熔化区中的阴影区域表示）也可能具 512023年 第 46 卷焊 管有有限的延展性。这是因为在低于固相线温度Ts的中间温度范围内（通常在0.6 Ts0.9 Ts的范围内），会发生显著的延展性下降。固体的密度高于液体，金属在凝固时会收缩。由于热收缩（由热膨胀系数引起），金属在冷却时也会收缩。因此，糊状区、部分熔化区和熔化区都倾向于在焊接过程中凝固和冷却时收缩。但是，因为它们被连接到更大、更冷的工件而不能自由收缩。这种受阻的收缩会引起拉伸应力，从而导致裂纹。焊接时的裂纹包括糊状区的凝固裂纹（SC）、部分熔化区的液化裂纹和糊状区附近熔化区的失延裂纹（DDC），所有裂纹均为晶间裂纹。所谓失延裂纹（DDC）可以发生在低于固相线温度Ts的中间温度范围内，通常在0.6Ts0.9 Ts之间。对于不锈钢和镍基合金，温度区间相当于8001 150。DDC通常在笔直的奥氏体晶界处萌生，这使裂纹易于扩展。有人认为DDC通过晶界剪切或晶界滑移，类似于蠕变，但速度更快，并且通常在几乎笔直的晶界发生。凝固后，DDC可以从胞状或树枝状凝固晶界（SGB）迁移到基本上笔直的迁移晶界（MGB），且很可能是通过扩散来减少晶界面积，从而减少表面能。对于DDC也提出了其他理论，包括因杂质（如S和P）分离到晶界而引起的晶界脆化等。1试验材料及方法采用钨极气体保护焊（TGAW）工艺焊接304、310、316 和 321奥氏体不锈钢。本试验中TGAW为非熔化极、不另加填充金属，焊缝熔池由母材自熔形成，母材的化学成分即焊缝金属的成分见表1。4种奥氏体不锈钢在平板堆焊时被伍德（WOOD）金属（75）淬火。伍德金属是含有50%Bi（铋）、26.7%Pb（铅）、13.3%Sn（锡）和10%Cd（镉）（按重量计）的易熔合金。由于伍德金属的浇注温度（75）低于锡（Sn）（300），伍德金属淬火比锡（Sn）淬火更容易进行并且更有效。它揭示的显微组织更清楚，更容易诱发裂纹。图 1（a）是一个俯视图，显示了合金焊接过程中的熔池及其后面的糊状区域及靠近糊状区的熔化区中的延展性下降和延展性下降温度区间。图1（b）是垂直截面图（通过焊缝中心线和钨电极的轴线），显示了相对于熔池和糊状区的焊接电弧位置。从工件下方焊接为从上方淬火提供了更多空间。熔化的伍德金属被浇铸到熔池及其周围环境中，以淬火其后面的糊状区域，如图1（c）所示。淬火后电弧立即被熄灭，焊炬在停止前继续行进23 s，以对比处于未淬火状态相同条件下工件的焊接性能。工件长 102 mm，宽 51 mm，厚度为 1.6 mm，沿长度方向的中心线焊接。使用Ar气保护的直流正接（DCEN）电源。焊炬行进速度为1.351.48 mm/s，焊接电流为4855 A，电弧电压7.810 V，弧长最初设定为为2.3 mm。表14种不锈钢的化学成分%牌号304310316321w（C）0.0220.0500.0240.033w（Si）0.4300.5800.4000.490w（Mn）1.101.761.551.01w（P）0.0260.0200.0290.031w（S）0.0030.0010.0020.001w(Ni)8.09019.1010.049.00w(Cr)18.3224.1016.7117.10w(N)0.0530.0300.0310.013w(Cu)-0.080.290.32w(Mo)-0.112.030.30w(Ti)-0.3w(Fe)余量余量余量余量Creq/Nieq1.8471.1281.6191.658图1试验装置示意图 52第1期孙咸：焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响HAN GUAN 对所得焊缝进行切割、抛光和腐蚀。将60 g草酸溶解在600 mL水中形成溶解液，分别电化学腐蚀304不锈钢、316不锈钢和321不锈钢，腐蚀电压为 10 V，腐蚀时间为 15 s。使用由 10 mL HNO3、20 mL HCl 和30 mL H2O组成的混合酸腐蚀310不锈钢。采用光学显微镜观察腐蚀的样品，然后对样品进行电子背散射衍射（EBSD）分析。2试验结果及分析2.1伍德液态金属对奥氏体不锈钢焊件淬火的作用2.1.1奥氏体不锈钢焊缝组织形态的变化表2列出了2种304不锈钢焊接试样的显微组织形态与DDC敏感性的关系，图2比较了304 熔化区的室温显微组织和焊接中捕获的高温显微组织，并显示了焊接方向。可以看出，在图2（a）的室温显微照片中，粗黑虚线表示焊缝顶面中心线附近的弧坑边界，即焊缝弧坑与其后面的熔化区之间的边界。显微照片中存在两个柱状晶粒，一个在左侧，另一个在右侧。骨架（或蠕虫状）-铁素体（SF）存在于左侧晶粒中，而花边（或板条状）-铁素体（LF）存在于右侧晶粒中。这种在奥氏体基体中的骨架/花边-铁素体的显微组织是304不锈钢的熔化区在室温下的典型组织。在这两种晶粒中（在任一晶粒中），显微组织在弧坑边界上（各处）是连续的，这是因为电弧熄灭时，晶粒从边界向焊缝熔池中外延生长所形成的。图 2（b）中的高温状态下的显微组织与图 2（a）室温状态下的显微组织明显不同。首先，在糊状区可以看到初始凝固阶段的树枝晶。二次树枝晶臂在熔池边界附近是清晰的，但由于在像d这样的体心立方（BCC）结构中的快速固态扩散，导致其后粗化而变得无法识别。其次，在黑色虚线之后，沿树枝晶之间的边界通过向转变开始形成。距离黑色虚线越远，生长进入树枝晶就越深。由于深入树枝晶，使得枝晶之间的结合明显加强。这表明裂纹在固态中沿d树枝晶之间的边界扩展，即DDC，是困难得多。显然，不能根据熔化区的室温显微组织来解释抗热裂性。这就是需要在焊接过程中进行淬火以捕获阻碍DDC的高温显微组织的原因。本研究被认为是首次通过焊接过程中的淬火来研究DDC。表22种304不锈钢焊接试样的显微组织形态与DDC敏感性的关系试样类型室温试样伍德液态金属淬火后的试样熔化区显微组织形态+（骨架/板条形铁素体），见图2（a）+（沿树枝晶之间的边界通过转变开始形成），见图2（b）对DDC敏感性的影响无法确切解释对DDC的影响在树枝晶之间形成连续的，由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，DDC在固态中沿树枝晶之间的边界扩展困难得多图2沿304焊缝顶面中心线的纵向光学显微照片 532023年 第 46 卷焊 管与图 2（a）一样，图 2（b）中存在两个柱状晶粒。在黑色虚线之后，右侧的晶粒显示，从沿 枝晶之间的边界向特定方向生长进入-铁素体。然而，这种 向内生长进入 左侧晶粒中并不明显。井上等人表明，如果-铁素体与奥氏体 间的 Kurdjumov-Sachs 取向关系存在，即(110)/(111)和111/110，则 的相转变可沿奥氏体惯习面进入-铁素体枝晶发生。如果 304 不锈钢未在焊接过程中淬火，则右侧晶粒的-铁素体形态将是类似于如图 2（a）中的 LF 区域的花边形（板条状）。在图 2（b）中，左侧的柱状晶粒中不存在 Kurdjumov-Sachs 关系，如果 304 在焊接过程中未淬火，则左侧晶粒的-铁素体形态将是类似于图 2（a）中的SF区域的骨架形。图 3 是 304 在焊接过程中淬火的类似于图 2（b）的光学显微图。图 4（a）是 EBSD 显示的图 3 中顶部方框区域的相位图。树枝晶是BCC（体心立方晶格），也就是-铁素体。枝晶之间的区域为 FCC（面心立方晶格），即 奥氏体。图 4（b）是图 3底部方框区域的相位图。该区域位于熔池边界后面约 375 m 处。同样，树枝晶是 BCC（体心立方晶格），即-铁素体，而沿-铁素体枝晶间的边界形成的第二相是 FCC（面心立方晶格），即 奥氏体。因此，EBSD（电子背散射衍射）分析证实，在糊状区（mushy zone）附近的 304 熔化区，沿-枝晶之间的边界形成。2.1.2淬火对DDC敏感性的影响图5显示了在焊接过程中淬火不锈钢的宏观图。大部分液体在淬火过程中被液态伍德金属推出熔池。如图所示，310中的凝固裂纹SC（靠近池边界的裂纹）比 304、316和 321中的要多得多。这与Arata等人和Senda等人基于Varestraint试验的试验结果以及Liu等人基于横向移动焊接性试验（transversemotion weldability test）的试验结果一致。图5还显示了310中的DDC（远远落后熔池边界的裂纹）比304、316和321中的严重得多。这与 Arata 等人基于 Varestraint 试验和Nissley 等人基于应变-断裂试验的试验结果一致。因此，在焊接过程中伍德金属淬火所揭示的对DDC的相对敏感性与传统试验所显示的一致。总之，焊接过程中的淬火有助于理解抗DDC的机理，因为在糊状区附近熔化区的高温显微组织与DDC的开裂有关，通过淬火可以同时捕获导致抗DDC开裂时的高温显微组织，分析比较高温显微组织变化，即可揭示其抗DDC的微观机制。图3显示了在焊接过程中淬火捕获的304 高温光学显微照片（方框区域显示图4中EBSD分析的位置）图4EBSD显示的相位图 54第1期孙咸：焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响HAN GUAN 2.2焊缝金属对DDC倾向的影响表 3 列 出 了 焊 缝 金 属 化 学 成 分（Creq和Nieq）与不锈钢 DDC 敏感性间的关系。可以看出，对于 304 不锈钢焊缝，根据成分计算的Creq和 Nieq数 值，借 助 WRC-1992 相 组 分 图（图 6），其数据点落在图中右下方处，该焊缝的-铁素体含量约为 10 FN，焊缝金属的凝固模式为 FA 型（图 7（a），初始析出相为，室温下熔化区组织为+（骨架/条状，见图 2（a）。淬火后熔化区组织仍为+（但 沿着 树枝晶边界通过 转变形成，见图 2（b）和图 7）。在熔化区，随转变，在树枝晶间形成几乎连续的，晶粒被牢固结合在一起，阻碍DDC（图8、图9）。对于310不锈钢焊缝，根据成分计算的Creq和Nieq数值点，落在相组分图（图6）上方很远处，采用外推法所得数据点落入奥氏体区，其-铁素体含量小于1 FN，焊缝金属的凝固模式为A型（图7（b），初始析出相为，室温下熔化区组织为。淬火后熔化区的组织仍为单相（粗的、直的、沿晶界几乎没有的柱状树枝晶，见图10）。在熔化区，粗大的、直柱状晶粒促进DDC，长而直的裸迁移晶粒边界成为DDC的理想通道（图10(c)-(e)）。对于316不锈钢焊缝，根据成分计算的Creq和Nieq数值点，落在相组分图（图6）右下方处，该处-铁素体含量约为6 FN，焊缝金属的凝固模式为FA型（与304同模式，图7(a)），初始析出相为，室温下熔化区组织为+。淬火后熔化区组织仍为+，但沿树枝晶边界通过转变形成，见图11。在熔化区，随转变，表3焊缝金属化学成分与DDC敏感性的关系焊缝金属304310316321Creq/%18.3224.2118.7417.40Nieq/%9.9221.4711.572 510.495Creq/Nieq1.8471.1281.6191.658铁素体含量/FN10164凝固模式FA（图6）A（图6）FAFA室温熔化区组织及形态+（图2（a）+淬火后熔化区组织及形态沿树枝晶之间的边界通过向转变开始形成（图2（b）、图8、图9）粗的、直的、沿晶界几乎没有 的 柱状树枝晶（图10（a）沿 树枝晶之间的边界通过 向 转变开始形成（图11）形成等轴的，晶界呈弯曲态（图12（c）DDC倾向向转变，在树枝晶之间形成连续的，由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，阻碍DDC（图7（b）粗大的直柱状晶粒促进DDC，长而直的裸迁移晶粒边界成为DDC的理想路径（图10(c)-(e)）向转变，在树枝晶之间形成连续的，由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，阻碍DDC（图11）DDC受到等轴弯曲晶界的阻碍，而不是通过晶界间的形成来阻碍。图6WRC-1992相组分图（虚线区域中的A、AF、FA、F分别表示不同的凝固模式）图5伍德金属淬火引起的裂纹（SC凝固裂纹；DDC失延裂纹）552023年 第 46 卷焊 管图9焊接过程中淬火的另一种304图8焊接时淬火的304图7Fe-Cr-Ni相图的垂直截面图 10焊接过程中淬火的310不锈钢 56第1期孙咸：焊缝金属对奥氏体不锈钢失延裂纹敏感性的影响HAN GUAN 在树枝晶间形成几乎连续的，晶粒被牢固地连接在一起，阻碍DDC（图11）。对于321不锈钢焊缝，根据成分计算的Creq和Nieq数值点，落在相组分图（图6）右下方处，该处-铁素体含量约为4 FN，焊缝金属凝固模式为FA型（与304同模式，图7（a），初始析出相为，室温下熔化区组织为+。淬火后熔化区组织虽然仍为+，但是由于焊缝中含有Ti、N元素，会在TiN颗粒处成核形成等轴晶凝固，等轴晶界呈弯曲形（图12（c）。在熔化区，DDC受到等轴弯曲晶界的阻碍，其效果比长而直的柱状晶更好。2.3奥氏体不锈钢焊缝金属抗DDC机理表4列出了基于组织形态的奥氏体不锈钢焊缝金属抗DDC机理。可以看出，发生在奥氏体不锈钢焊缝熔化区的DDC的敏感性，受控于该区的显微组织及其形态。其抗DDC的机理可以归纳为2种。当焊缝熔化区为+组织，且是在晶粒边界形成不太平直的相时（如图13（a），晶粒被牢固地结合在一起，阻碍DDC，这是其一。第2种是由于焊缝中含有Ti、N元素，会在TiN颗粒处成核形成等轴晶粒（图13（b），等轴晶具有弯图12焊接时淬火的321图13奥氏体不锈钢抗DDC机理示意图图11焊接时淬火的316表4基于组织形态的奥氏体不锈钢焊缝金属抗DDC机理机理类别机理1机理2对比案例DDC发生部位焊缝熔化区焊缝熔化区焊缝熔化区显微组织+形态细节柱状晶间形成几乎连续的，使得界不平直形成等轴晶粒，呈弯曲晶粒边界形成粗的、直的、沿晶界几乎没有的柱状树枝晶图例图13（a）图13（b）图13（c）DDC敏感性晶粒被牢固地连接在一起，阻碍DDCDDC受到等轴弯曲晶界的阻碍粗大的直柱状晶粒促进DDC，长而直的裸迁移晶粒边界成为DDC的理想通道 572023年 第 46 卷焊 管曲形晶界，DDC受到等轴弯曲晶界的阻碍，其效果比长而直的柱状晶更好，DDC倾向被有效控制。为了说明上述机制的有效性，表4中还列出了典型对比案例，即焊缝熔化区形成了粗的、直的、沿晶界几乎没有的单相柱状树枝晶组织时（如图13（c），由于粗大的直柱状晶粒促进DDC，长而直的裸迁移晶粒边界成为DDC的理想通道，可见该组织形态不具备抗DDC能力。3结 论（1）伍德金属淬火在焊缝熔化区（诱发DDC的地方）中捕获了高温显微组织细节形貌，从而揭示了焊缝金属对DDC敏感性的影响。（2）310的伍德金属淬火诱发的DDC敏感性比304、316和321严重得多。（3）304和316均凝固为柱状晶粒，沿柱状晶粒之间的边界形成了几乎连续的。由于深入生长，晶粒被牢固地结合在一起，阻碍沿晶界的DDC。（4）321凝固为等轴晶粒，等轴晶粒的弯曲边界阻碍DDC。（5）310凝固为粗直的、沿晶界几乎没有的柱状晶粒，并且晶界迁移变成为局部直的；由此产生的又长又直的裸晶界成为DDC的理想通道。（6）归纳了奥氏体不锈钢焊缝抗 DDC的两种新机制：沿 柱状晶的边界形成几乎连续的、非平直的；凝固为等轴晶粒。译自：YU P，MORROW J，KOU S.Resistance of Austenitic Stainless Steels to Ductility dip Cracking：MechanismsJ.Welding Journal，2021，100（9）：291-301.译者简介：孙咸，男，教授，主要从事焊接材料及金属焊接性方面的研究和教学工作，对焊接材料软件开发具有丰富经验；获国家科技进步二等奖1项（2000年），省（部）级科技进步一等奖2项，二等奖3项，1992年获国务院颁发的政府特殊津贴，已发表学术论文200余篇。收稿日期：2022-02-22编辑：董超6 中国船级社.材料与焊接规范2021：CCS2021 S.北京：CCS，2021.7 房务农.承压设备焊接工艺评定重点问题研讨 J.压力容器，2010，27（3）：46-51.8 陈裕川.焊接工艺评定手册 M.北京：机械工业出版社，1999.9 王璐璐，刘伟，李娟.ASME IX和AWS D1.1在焊接工艺评定上的主要差异 J.金属加工（热加工），2020（3）：38-41.10 胡美娟，田野，池强，等.输气管道焊接工艺评定标准体系及分析 J.石油管材与仪器，2021，7（3）：90-94.11 中国化工装备协会.压力容器焊接工艺评定的制作指导 M.第2版.北京：中国质检出版社，2016.12 周国华，马荣忠.压力容器焊接工艺评定因素的优选 J.中国特种设备安全，2011，27（7）：20-21.13 甘正红，苏继权，余洋.埋弧焊钢管导向弯曲不合格因素分析 J.焊管，2011，34（12）：73-76.14 甘正红，邢艳亮，张坤鹏，等.焊管焊接工艺评定试验标准对比分析 J.焊管，2021，44（8）：60-68.15 赵锡福.螺旋缝埋弧焊管补焊工艺评定方法探讨 J.钢管，2016，45（4）：79-82.作者简介：甘正红（1973），男，湖南湘阴人，高级工程师，无损检测高级人员，主要从事钢管质量、技术管理工作。收稿日期：2022-04-20修改返回日期：2022-09-13编辑：黄蔚莉（上接第50页）58