第3期水利电力机械・47・
3
δ马氏体耐热钢焊缝中2Fe的形成及其转变
FormationandTransqormationofδ2FeinWeldMetalZoneofF12HeatResistantSteel
武汉交通科技大学 杨世柏 潘春旭 (430063)
武汉锅炉厂 王海波 陈鹤林 (430070)
[摘 要] 讨论了马氏体耐热钢F12焊缝中δ2Fe的形成及其在高温回火过程中的转变,中的δ2Fe是焊接熔池从液态快速冷却时,δ2Fe晶核,其在以后的回火处理工序中很难消除。[关键词] 焊接 焊后热处理 电镜 焊缝中图分类号: TG421
Abstracttheofδ2Feintheweldmetalzoneitstransformationduringhightemperaturetem2thattheδ2FewasaCr-enrichedcoreretanideduringfastcoolingofpool.Itwasformedduetocompositionmicro-segregationandnon-equilib2riumsolidification.Theδ2Fecouldnotbedissolvedbypost-weldheattreatment.Keywords Welding Post-weldHeatTreatment ElectronMicroscope WledBead
在热力设备运行的高温高压条件下,既要求材料具有一定的耐蚀性能,又要有足够高的热强性能,故马氏体耐热钢是常用材料。F12钢是由西德最早开发的一类马氏体耐热钢,具有优良的耐热耐蚀性能,其使用
温度在550℃～650℃之间,在蒸汽中的热氧化能力可达700,在国外已广泛用作火电厂和核电厂高温下运行的锅炉各类管道和其它零部件。目前,国内仅少数几家企业开始引进了这种材料用作蒸汽管道、
过热器联
TransactionsoftheJapanWeldingSosiety,1986,17(2):145
34 Alexandrov.OA,Steklow.OIandAlceev.AV.
Useofplasmaarcweldingprocesstocombathudro2genmetallicdisbondingofausteniticstainlesssteelcladdings.WeldingJournal,1993,72(11):50635 潘春旭,廖红卫,沈棣华1异种钢焊接中氢蚀剥离
17Nov,1997.P251
38 Sarafianos.N.Residualstressmeasurementsbyx-raydiffractionintheferritic-austeniticinterfaceweldment.MetallurgicalTransactionA.1993,24(9):2095
39 ChunxuPan(潘春旭)andBingquanChan.Formation
ofthebeformationtwinninginausteniticstainlesssteelweldmeta.JournalofMaterialsScienceLetters,1995,14:1798
40 Karlsson.LWeldingofdissimilarmetal.Weldingin
theWorld,1995,36(6):125
41 Bhaduri.AK,Venkadesan.SandRodriguez.Pet
al.Combinedfeeectsofpost-weldheattreatmentandagingonalloy800/2.25Cr-1Mosteeljoint.MaterialsScienceandTechology,1991,7(11):1051
(收稿日期:1998-01)21)
的产生机理研究.兵器材料科学与工程,1996,9
(3):296
36 Iring.B.Dissimilarmetalweldingpavesthewayto
newventures.WeldingJournal,1992,71(2):2737 Schimmoeler.HAandRuge.JL.Estimationof
residualstressesinreactorpressurevesselsteelspeci2menscladbystainlesssteelstripelectrodes.ResidualStressesinWeldedConstuctionandTheirEffects.Vol.1.(AnInternationalConference)London,15-
・48・ 杨世柏、潘春旭、王海波等:马氏体耐热钢焊缝中δ2Fe的形成及其转变
结箱及热交换器等。但因为技术保密等原因,其技术资料还很不全面,限制了该钢种在国内的使用。
F12钢是一种多元合金化的铬12%为基的马氏体
1998年6月
耐热钢,从Fe-Cr相图[1]中可知,冷却时,其相变过程将经过δ区和γ区的交界区。焊接时,由于成分的偏析和非平衡凝固过程等,一般在焊缝金属中将出现岛状或网状的δ2Fe。研究表明[2],大量的δ2Fe将使得焊缝的韧性急剧下降,蠕变极限也降低。因此,弄清楚F12钢中δ2Fe的形成机理,以及在高温回火过程中的转变,对制订焊接工艺,提高接头性能,延长其高温使用寿命等具有很重要的实际意义。
1 实验材料和方法
实验材料认为从西德进口的F12()管材。规格:Φ44.5mm×613mm,相近的SGCrMoWV12,411 材料的化学成分
无素
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
V
F12母材0.[***********][***********]8
图 %
W
Fe//
—
焊 丝[***********][***********]1320115
接头用氩弧焊法焊接而成,焊后热处理在真空热处理炉中进行。接头在720℃、770℃和820℃下分别保温15分钟、30分钟、45分钟和60分钟,然后炉冷至
300℃,取出冷至室温。
扫描电镜(SEM)样品用4%苦味酸酒精溶液腐蚀,在S-570型SEM上进行观察,加速电压20kv。
图2 720℃回火后的焊缝组织
2 实验结果
焊态接头的焊缝区:为板条马氏体+少量下贝氏体+少量网状或岛状δ2Feδ,2Fe的晶界上没有碳化物析出δ,2Fe分布在原奥氏体晶界上和晶粒内。如图1所示。
720℃回火后的焊缝:δ2Fe没有消失,
但沿其相界
面开始析出碳化物。随回火时间增加,碳化物长大,
如图2所示。
770℃
回火后焊缝区δ:2Fe相界上析出的M
23C6型
碳化物变得粗大,如图3所示。
820℃回火后的焊缝:M23C6型碳化物已聚集长大、
球化δ,2Fe晶界上的M23C6已完全连在一起,形成“壳”
图3 770℃回火后的焊缝组织
3本工作得到“武汉市青年科技晨光计划”项目(编号:965001037-19)的资助。
第3期
状,如图4所示。
水利电力机械・49・
图5为用能谱仪(EDX)测量得到的δ2Fe内及其附近的成分分布图
。
EDX测试点及成分分布图
℃3 讨论
δ311 2Fe的形成机理
F12钢的含Cr量为10%～1215%,从12%Cr-C状态图[3]可以看出,含Cr:11%212%的F12钢在从液δ→γ(或γ+δ)→α态冷却过程中,其相变过程为:L→
(M)。从Fe-Cr相图[1]也可看出,含Cr量12%左右
的F12钢在冷却时,组织转变将经过γ区与γ+δ区的交界附近,由于焊接时的非平衡冷却过程,焊缝局部成分可能发生偏析,所以,在1200℃～900℃范围内,
其组织转变有可能经过γ+δ双相区。这样,在快速冷却时,高温的δ组织来不及转变为γ而被保留到室温。具体的转变机理如下:
如液态下,首先形成高Cr的δ2Fe晶核并不断长大,晶核在长大过程中形成的δ2Fe中的Cr含量要低一
(a) 在焊态接头中的测量点
γ或δ→γ些,当温度逐渐下降达到γ相区时,发生δ→
+δ转变,这时的转变并不是整个δ2Fe晶体一起转变
为δ2Fe,仅仅是含Cr量较少的部分发生了转变,而富强铁素体形成元素Cr的δ晶核部分得以保留。再冷到α室温相区时,仅发生γ相向α相或马氏体(M)、贝氏体(B)的转变。这样就得到δ晶核+α(M、B)的室温组织。
δ312 2Fe在回火中的转变
F12钢焊缝在不同温度回火δ,2Fe并不消失,而是在
晶界上析出M23C6型碳化物,这是一种富Cr碳化物,一般为Cr23C6或(Fe、Cr)23C6。Cr主要来自于δ2Fe,经短程扩散后聚集在晶界上与碳结合析出碳化物。由于Cr的扩散系数较C小得多,因此,当晶界上析出M23C6后,会
(b) 770℃回火接头中的测量点
在其附近形成一个局部贫Cr区。从图5中可以看出,
・50・水利电力机械1998年6月
12Cr1MoV钢异类焊接熔合区的
显微组织和断口特征
武汉交通科技大学 潘春旭 (430063)
滁州市轻工高级职业学校 陈 方 (239000)
3
FeatureofMicrostructureandFractographyofthe12Cr1MoVDissimilarSteelWeldBond
[摘 要] Ni
,由焊态下的热影响区转移到熔合区,[关键词] 异种钢焊接 中图分类号: ofmandfractographicvariationsinthe12Cr1MoVlowalloyheatandNi2basedalloydissimilarsteelweldedjoint,underas2weldedandpost2weldheattreat2mentconditions,werestudiedbyusingelectronmicroscopes.Itisfoundthatthedeterioratedregionwaschangedfromtheheat2affectedzone(HAZ)intothefusionbondafterhightemperatureheattreatment.Thiswasoneofthemajorfactorsaffectingthejointhigh2temperatureservicelife1
Keywords DissimilarSteelWelding ElectronMicroscope Microstructure Fractography
在超高压电站锅炉的各种受热管道部件中,受热
温度低于580℃的管子一般选用低合金耐热钢(我国多用12Cr1MoV钢),受热温度高于580℃的管子一般选
用奥氏体不锈钢,因而出现了异种钢焊接接头。为了减少热应力和碳迁移过程,焊接时填充金属多选用Ni基合金材料,这样,在接头中就形成一个12Cr1MoV与
Ni
焊态时δ内的Cr含量较基体的高,而在770℃回火后,δ2Fe中心部位的Cr含量较焊态时大幅度降低,曲线在这部分成为凹形,而在δ2Fe相界上,Cr含量又相对较高。这一方面是由于Cr从δ晶核中间向晶界作短程扩散,另一方面基体中的Cr也向晶界扩散,形成富Cr的碳化物。从本实验还可以看出,当焊后回火温度较高或时间较长时δ,晶界上的M23C6不断长大,形成一个“壳”包裹着δ2Fe。这意味着δ2Fe处形成一个贫Cr区。在耐热钢中,Cr主要起提高抗腐蚀性能、抗氧化性能、持久强度和蠕变抗力等作用。大量M23C6的析出必然会导致焊缝区的耐高温腐蚀性能降低,影响其高温蠕变性能等。
由于成分偏析和非平衡凝固等而被保留下来的一个富铬δ2Fe晶核。
(2)焊缝中的δ2Fe在以后的回火处理工序中很难
被消除。随着回火温度升高和时间延长,在δ2Fe相界上析出的M23C6型碳化物不断长大,以至δ被形成壳状的碳化物包裹。
参 考 文 献
1 ErichFolkhard.WeldingMetallurgyofStainless
Steels.PrintedinAustria,1988
2 钱昌黔1耐热钢焊接1北京:水利电力出版社,19833 [日]藤田辉夫著,丁文华等译1不锈钢的热处理1
4 结论
(1)焊缝中的δ2Fe是焊接熔池从液态快速冷却时,
北京:机械工业出版社,1983
(收稿日期:1998-01-25)
第3期水利电力机械・47・
3
δ马氏体耐热钢焊缝中2Fe的形成及其转变
FormationandTransqormationofδ2FeinWeldMetalZoneofF12HeatResistantSteel
武汉交通科技大学 杨世柏 潘春旭 (430063)
武汉锅炉厂 王海波 陈鹤林 (430070)
[摘 要] 讨论了马氏体耐热钢F12焊缝中δ2Fe的形成及其在高温回火过程中的转变,中的δ2Fe是焊接熔池从液态快速冷却时,δ2Fe晶核,其在以后的回火处理工序中很难消除。[关键词] 焊接 焊后热处理 电镜 焊缝中图分类号: TG421
Abstracttheofδ2Feintheweldmetalzoneitstransformationduringhightemperaturetem2thattheδ2FewasaCr-enrichedcoreretanideduringfastcoolingofpool.Itwasformedduetocompositionmicro-segregationandnon-equilib2riumsolidification.Theδ2Fecouldnotbedissolvedbypost-weldheattreatment.Keywords Welding Post-weldHeatTreatment ElectronMicroscope WledBead
在热力设备运行的高温高压条件下,既要求材料具有一定的耐蚀性能,又要有足够高的热强性能,故马氏体耐热钢是常用材料。F12钢是由西德最早开发的一类马氏体耐热钢,具有优良的耐热耐蚀性能,其使用
温度在550℃～650℃之间,在蒸汽中的热氧化能力可达700,在国外已广泛用作火电厂和核电厂高温下运行的锅炉各类管道和其它零部件。目前,国内仅少数几家企业开始引进了这种材料用作蒸汽管道、
过热器联
TransactionsoftheJapanWeldingSosiety,1986,17(2):145
34 Alexandrov.OA,Steklow.OIandAlceev.AV.
Useofplasmaarcweldingprocesstocombathudro2genmetallicdisbondingofausteniticstainlesssteelcladdings.WeldingJournal,1993,72(11):50635 潘春旭,廖红卫,沈棣华1异种钢焊接中氢蚀剥离
17Nov,1997.P251
38 Sarafianos.N.Residualstressmeasurementsbyx-raydiffractionintheferritic-austeniticinterfaceweldment.MetallurgicalTransactionA.1993,24(9):2095
39 ChunxuPan(潘春旭)andBingquanChan.Formation
ofthebeformationtwinninginausteniticstainlesssteelweldmeta.JournalofMaterialsScienceLetters,1995,14:1798
40 Karlsson.LWeldingofdissimilarmetal.Weldingin
theWorld,1995,36(6):125
41 Bhaduri.AK,Venkadesan.SandRodriguez.Pet
al.Combinedfeeectsofpost-weldheattreatmentandagingonalloy800/2.25Cr-1Mosteeljoint.MaterialsScienceandTechology,1991,7(11):1051
(收稿日期:1998-01)21)
的产生机理研究.兵器材料科学与工程,1996,9
(3):296
36 Iring.B.Dissimilarmetalweldingpavesthewayto
newventures.WeldingJournal,1992,71(2):2737 Schimmoeler.HAandRuge.JL.Estimationof
residualstressesinreactorpressurevesselsteelspeci2menscladbystainlesssteelstripelectrodes.ResidualStressesinWeldedConstuctionandTheirEffects.Vol.1.(AnInternationalConference)London,15-
・48・ 杨世柏、潘春旭、王海波等:马氏体耐热钢焊缝中δ2Fe的形成及其转变
结箱及热交换器等。但因为技术保密等原因,其技术资料还很不全面,限制了该钢种在国内的使用。
F12钢是一种多元合金化的铬12%为基的马氏体
1998年6月
耐热钢,从Fe-Cr相图[1]中可知,冷却时,其相变过程将经过δ区和γ区的交界区。焊接时,由于成分的偏析和非平衡凝固过程等,一般在焊缝金属中将出现岛状或网状的δ2Fe。研究表明[2],大量的δ2Fe将使得焊缝的韧性急剧下降,蠕变极限也降低。因此,弄清楚F12钢中δ2Fe的形成机理,以及在高温回火过程中的转变,对制订焊接工艺,提高接头性能,延长其高温使用寿命等具有很重要的实际意义。
1 实验材料和方法
实验材料认为从西德进口的F12()管材。规格:Φ44.5mm×613mm,相近的SGCrMoWV12,411 材料的化学成分
无素
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
V
F12母材0.[***********][***********]8
图 %
W
Fe//
—
焊 丝[***********][***********]1320115
接头用氩弧焊法焊接而成,焊后热处理在真空热处理炉中进行。接头在720℃、770℃和820℃下分别保温15分钟、30分钟、45分钟和60分钟,然后炉冷至
300℃,取出冷至室温。
扫描电镜(SEM)样品用4%苦味酸酒精溶液腐蚀,在S-570型SEM上进行观察,加速电压20kv。
图2 720℃回火后的焊缝组织
2 实验结果
焊态接头的焊缝区:为板条马氏体+少量下贝氏体+少量网状或岛状δ2Feδ,2Fe的晶界上没有碳化物析出δ,2Fe分布在原奥氏体晶界上和晶粒内。如图1所示。
720℃回火后的焊缝:δ2Fe没有消失,
但沿其相界
面开始析出碳化物。随回火时间增加,碳化物长大,
如图2所示。
770℃
回火后焊缝区δ:2Fe相界上析出的M
23C6型
碳化物变得粗大,如图3所示。
820℃回火后的焊缝:M23C6型碳化物已聚集长大、
球化δ,2Fe晶界上的M23C6已完全连在一起,形成“壳”
图3 770℃回火后的焊缝组织
3本工作得到“武汉市青年科技晨光计划”项目(编号:965001037-19)的资助。
第3期
状,如图4所示。
水利电力机械・49・
图5为用能谱仪(EDX)测量得到的δ2Fe内及其附近的成分分布图
。
EDX测试点及成分分布图
℃3 讨论
δ311 2Fe的形成机理
F12钢的含Cr量为10%～1215%,从12%Cr-C状态图[3]可以看出,含Cr:11%212%的F12钢在从液δ→γ(或γ+δ)→α态冷却过程中,其相变过程为:L→
(M)。从Fe-Cr相图[1]也可看出,含Cr量12%左右
的F12钢在冷却时,组织转变将经过γ区与γ+δ区的交界附近,由于焊接时的非平衡冷却过程,焊缝局部成分可能发生偏析,所以,在1200℃～900℃范围内,
其组织转变有可能经过γ+δ双相区。这样,在快速冷却时,高温的δ组织来不及转变为γ而被保留到室温。具体的转变机理如下:
如液态下,首先形成高Cr的δ2Fe晶核并不断长大,晶核在长大过程中形成的δ2Fe中的Cr含量要低一
(a) 在焊态接头中的测量点
γ或δ→γ些,当温度逐渐下降达到γ相区时,发生δ→
+δ转变,这时的转变并不是整个δ2Fe晶体一起转变
为δ2Fe,仅仅是含Cr量较少的部分发生了转变,而富强铁素体形成元素Cr的δ晶核部分得以保留。再冷到α室温相区时,仅发生γ相向α相或马氏体(M)、贝氏体(B)的转变。这样就得到δ晶核+α(M、B)的室温组织。
δ312 2Fe在回火中的转变
F12钢焊缝在不同温度回火δ,2Fe并不消失,而是在
晶界上析出M23C6型碳化物,这是一种富Cr碳化物,一般为Cr23C6或(Fe、Cr)23C6。Cr主要来自于δ2Fe,经短程扩散后聚集在晶界上与碳结合析出碳化物。由于Cr的扩散系数较C小得多,因此,当晶界上析出M23C6后,会
(b) 770℃回火接头中的测量点
在其附近形成一个局部贫Cr区。从图5中可以看出,
・50・水利电力机械1998年6月
12Cr1MoV钢异类焊接熔合区的
显微组织和断口特征
武汉交通科技大学 潘春旭 (430063)
滁州市轻工高级职业学校 陈 方 (239000)
3
FeatureofMicrostructureandFractographyofthe12Cr1MoVDissimilarSteelWeldBond
[摘 要] Ni
,由焊态下的热影响区转移到熔合区,[关键词] 异种钢焊接 中图分类号: ofmandfractographicvariationsinthe12Cr1MoVlowalloyheatandNi2basedalloydissimilarsteelweldedjoint,underas2weldedandpost2weldheattreat2mentconditions,werestudiedbyusingelectronmicroscopes.Itisfoundthatthedeterioratedregionwaschangedfromtheheat2affectedzone(HAZ)intothefusionbondafterhightemperatureheattreatment.Thiswasoneofthemajorfactorsaffectingthejointhigh2temperatureservicelife1
Keywords DissimilarSteelWelding ElectronMicroscope Microstructure Fractography
在超高压电站锅炉的各种受热管道部件中,受热
温度低于580℃的管子一般选用低合金耐热钢(我国多用12Cr1MoV钢),受热温度高于580℃的管子一般选
用奥氏体不锈钢,因而出现了异种钢焊接接头。为了减少热应力和碳迁移过程,焊接时填充金属多选用Ni基合金材料,这样,在接头中就形成一个12Cr1MoV与
Ni
焊态时δ内的Cr含量较基体的高,而在770℃回火后,δ2Fe中心部位的Cr含量较焊态时大幅度降低,曲线在这部分成为凹形,而在δ2Fe相界上,Cr含量又相对较高。这一方面是由于Cr从δ晶核中间向晶界作短程扩散,另一方面基体中的Cr也向晶界扩散,形成富Cr的碳化物。从本实验还可以看出,当焊后回火温度较高或时间较长时δ,晶界上的M23C6不断长大,形成一个“壳”包裹着δ2Fe。这意味着δ2Fe处形成一个贫Cr区。在耐热钢中,Cr主要起提高抗腐蚀性能、抗氧化性能、持久强度和蠕变抗力等作用。大量M23C6的析出必然会导致焊缝区的耐高温腐蚀性能降低,影响其高温蠕变性能等。
由于成分偏析和非平衡凝固等而被保留下来的一个富铬δ2Fe晶核。
(2)焊缝中的δ2Fe在以后的回火处理工序中很难
被消除。随着回火温度升高和时间延长,在δ2Fe相界上析出的M23C6型碳化物不断长大,以至δ被形成壳状的碳化物包裹。
参 考 文 献
1 ErichFolkhard.WeldingMetallurgyofStainless
Steels.PrintedinAustria,1988
2 钱昌黔1耐热钢焊接1北京:水利电力出版社,19833 [日]藤田辉夫著,丁文华等译1不锈钢的热处理1
4 结论
(1)焊缝中的δ2Fe是焊接熔池从液态快速冷却时,
北京:机械工业出版社,1983
(收稿日期:1998-01-25)