低温冷却铁素体不锈钢焊缝敏感性探索性研究

摘要

低温液体强制对流强化冷却是控制铁素体不锈钢焊缝热影响区晶粒长大的一种选择，可提高接头强度。然而，这一技术似乎改变了高温热影响区(HTHAZ)中的马氏体分布，高温热影响区是铁素体不锈钢等级敏化敏感性评定的关键组成部分;文献中没有任何此类信息。因此，建立低温冷却对高温太赫兹敏化动力学的影响是必要的。本文讨论了低温冷却对AISI 430铁素体不锈钢焊缝敏化的影响。结果表明，低温冷却提高了高温氩气冷却速度，平均降低了20%的马氏体体积百分比。这种马氏体含量的减少增加了深冷焊缝中沟槽组织的水平，并产生了比常规焊缝更多的铁素体-马氏体沟槽晶界。虽然低温处理焊缝表现出更大的沟槽边界，但由于没有单一的晶界完全被沟槽包围，该结构仍然属于非敏化结构。

1.介绍

铁素体不锈钢归功于更好的应力腐蚀性抗裂性以及氯化物环境中的抗蚀性和缝隙腐蚀的耐受性优于奥氏体变化[1-3.］．与奥氏体相比，它们在切削性能、更高的导热性和更低的热膨胀率等方面也有额外的性能优势[4.］．这些牌号比奥氏体牌号节省大约0.5%的成本，因此是奥氏体牌号的有吸引力的替代品[5.］．然而，铁素体迄今很少在工程应用中使用，因为众所周知焊接会降低它们的韧性和延展性[6.］．这在第一代铁素体中更为明显，如中铬铁素体级，最大含0.12吨。%碳和15-18重量。%铬。性能下降的原因是焊接过程中的热输入和冷却动力学导致焊缝部分的晶粒严重粗化。减少在延性和韧性铁素体不锈钢焊缝是由耐腐蚀的损失加剧地区焊接部分,特别是相邻焊缝接口,称为HTHAZ已被加热到950°C的温度在该地区在焊接热循环(4.］．在这种情况下，铁素体不锈钢焊缝被称为敏化，并表示钢非常容易发生晶间腐蚀和最终应力腐蚀开裂的状态[7.-10.］．这种情况是由于晶界处存在贫铬区[9.］．

采用不同的焊接工艺来控制铁素体不锈钢焊缝的晶粒粗化，重点是控制焊接过程中的热输入及其传递动力学[11.］．为了进一步推进这一努力，Amuda和Mridha [12.]报道了采用液氮强化对流低温冷却法控制AISI 430铁素体不锈钢焊缝的晶粒结构。研究表明，低温焊接冷却可使焊缝部分晶粒细化达40%。然而，该策略对铁素体不锈钢焊缝敏化的影响尚未进行研究。低温冷却的使用可能改变HTHAZ中的马氏体含量，而HTHAZ是决定铁素体不锈钢等级对敏化敏感性的关键成分[4.那13.］．因此，本文就低温冷却对符合AISI 430商业级的中铬铁素体不锈钢焊缝敏化行为的影响进行了探索性研究。预期目前的工作将提供一个深入了解加强对流冷却对这一等级铁素体不锈钢焊接中晶间腐蚀敏感性的影响。

2.材料和方法

将1 m × 1 m AISI 430铁素体不锈钢板退火后1.5 mm厚的冷轧板，用Sunfluid液压剪切机300 D/10型，切割成65 mm × 25 mm尺寸的要求试验尺寸。供应商提供的贱金属的化学成分，辅以能量色散x射线荧光光谱分析，见表1．Kaltenhauser铁氧体因子（KFF），计算（1)，亦列于表格内。该因子给出了不同等级铁素体不锈钢敏化可能性的数值范围[14.]： 为了通过低温冷却来检查增强对流的影响，在焊接界面附近的Hthaz的微观结构和敏化性，在焊接电流为1,2.5和3.5的焊接速度下考虑了三种不同的热输入条件。 mm/s, respectively, using a constant arc voltage of 30 V. Two streams of weld tracks were produced; one group of track was produced on samples exposed to direct liquid nitrogen after welding while the other stream produced and cooled under normal condition served as the control weld tracks for the investigation. Thus, a total of six weld samples were produced. The melting conditions used for the investigation are provided in Table2．

使用具有0.72L / min的流速的具有氩屏蔽的电极的直接电流负极性。所采用的电极负极性聚焦大部分焊接热量进入工件并限制电极加热，从而最小化通过钨电极的热损失。使用（2)由伊斯特林建议[15.]： 在哪里=效率，= A中的电流，=电压,焊接速度(mm/s)。

用电火花加工(EDM)从焊缝试样中切割横向试样进行金相分析和敏化试验。样品研磨至1000粒度，用1μ凝聚氧化铝悬浮浆料。如实践中所述，用10%草酸电解质评价敏化效果， astm a763-93 [16.];随后在尼康Epiphot模型200金相显微镜下结合图像分析软件检测样品，以确定每个焊缝中马氏体的体积分数。

焊接界面上一个点从1500°C冷却到800°C所需的时间，，由(3.)，基于罗森塔尔薄板导热热流模型[17.]： 在哪里为热通量()，为AISI 430铁素体不锈钢的导热系数(J/s/m/°C)，是每单位体积的特定热容量（J / m^3./°C），材料的厚度(mm)，和θ₂为与该过程相关的无量纲热梯度。

冷却时间用于估算冷却速率(）在Hthaz的那一点经历过以下等式： 1500°-800°C的温度范围表示从液位点到奥氏体相位下方的点的间隔，如图所示1；因此，它包括的固态转变范围δ铁素体奥氏体。

3.结果与讨论

表中规定的铁素体不锈钢材料的组成分析1结果表明，该材料属于中铬级，重量为0.12 wt。%碳。该等级铁素体不锈钢的Fe-Cr-C三元图的垂直截面如图所示1表明，在平衡冷却下，0.12重量％C，钢将部分地转化为奥氏体温度，通过双相区直至奥氏体转变温度()。超过这个温度，奥氏体转变为铁素体。这种常温铁氧体在碳中是过饱和的;因此，多余的碳在恶劣环境下析出为碳化铬，促进晶间腐蚀[4.］．然而，在熔焊过程中，冷却顺序与平衡机制相距甚远;它涉及非常快的冷却速度。

因此，在冷却时形成的任何奥氏体双相区在下方转变为马氏体温度，如图所示2，它说明了典型的冷却顺序δ铁素体,HTHAZ。图中的路径aa近似于焊接过程中的冷却顺序，而bb代表平衡冷却过程中的冷却顺序。因此，靠近焊缝界面的高温超导结晶器组织由铁素体基体和网状晶界马氏体所包围。由(1)，列于表中1同样预测了HTHAZ在冷却到较低温度时马氏体的存在。

焊接部分Hthz的光学微观结构如图所示3.．图中显示了由晶界马氏体组成的两相铁素体基体。由高温奥氏体形成的马氏体起到碳汇的作用，将大量的碳吸收到溶液中。然而，铁素体中保留在溶液中的碳量取决于马氏体的体积百分比，这是由热输入和冷却速率决定的。

采用点计数法测量了焊缝高温空穴中的马氏体含量，结果如图所示4.．该图表明，随着热输入的增加，区域中的马氏体含量增加。然而，低温焊接冷却导致马氏体含量的降低。Martensite含量的增加随着热输入的增加是由于与较高热输入相关的冷却速率的降低，特别是在1290 J / mm处允许更长的时间双相区。这促进了更高温度奥氏体的形成，最终转变为马氏体温度交叉[19.］．Glover等人也同样报道了这一假设[20.在从升高的温度冷却期间负责在焊接金属中存在更多马氏体。

相反，在低温焊接冷却过程中，冷却速率的增加不是由于热输入的减少，而是由于液氮的对流作用，缩短了在双相区停留的时间，抑制了δ铁素体向奥氏体的转变。随着温度升高奥氏体数量的减少，相应地HTHAZ中的马氏体含量减少了约20%，而与热输入无关。

热量输入和低温冷却对霍达兹经历的冷却速率的影响如图所示5.．从图中可以看出，随着热输入的增加，冷却速率降低。该图同样表明，在相同的热输入水平下，冷冻焊接体会到更高的冷却速率，几乎是常规焊接的两倍。这显然会影响双相区域的转变，并解释图中马氏体含量的相对变化4.．然而，随着热输入的增加，低温冷却焊缝与常规焊缝的冷却速率之间的巨大差异逐渐减小，并在1296 J/mm时降至100°C/min左右。

但1296 J/mm冷却速率的收敛似乎对高温空调器中马氏体体积没有任何显著影响。

草酸电解试验方法中的蚀刻结构在ASTM A763-93实践W中被分类为可接受或不可接受，这取决于晶界的状态。具体的分类见表3.．该分类用于筛选焊接部分Hthz的蚀刻微观结构以易于对晶间攻击的影响。

HTHAZs的微观结构如图所示，在没有低温和低温冷却的不同热输入条件下，在10%草酸中以6 V电解蚀刻60 s6.和7.,分别。图的蚀刻显微结构6.在晶界处显示局部和不连续的沟槽。但随着热输入的增加，晶界出现沟槽结构的现象越来越少。在432 J/mm处，约37%的晶界发生沟槽，1290 J/mm处沟槽减少到20%以下。此外，沟槽出现在铁素体-铁素体晶界上，而在铁素体-马氏体界面上出现明显的间歇侵蚀。

数字7.结果表明，在低温焊接中，与常规焊接相比，在相同的热输入水平下，更多的晶界被抛弃。在432 J/mm和1296 J/mm处，沟槽晶界分别从21%和65%增加。更重要的是观察到铁素体-马氏体晶界上出现的沟槽比常规焊缝中出现的多。显微组织中的箭头指向两个焊缝的沟槽边界。根据ASTM标准A763-93，微观结构是普遍可接受的，因为没有单个晶粒完全被沟渠包围，如表中所列的条件3.，尽管与传统焊接相比，低温焊接会出现更高水平的沟槽。

由于热输入和冷却动力学的影响，在本研究中观察到的开沟程度是高温空调器中冶金相平衡的函数。如图所示，在非常低的热输入时5.，冷却速度高(每分钟几百次)，在双相区停留的时间短，这减少了在高温下形成的奥氏体的体积分数。

因此，室温组织中马氏体的数量相应减少。由此产生的铁素体组织在碳中变得过饱和。铁素体中多余的碳最终以碳化铬的形式析出，主要析出在铁素体-铁素体晶界上，而不是在铁素体-马氏体晶界上。

然而，随着热输入的增加，冷却速率降低;这允许在高温太赫兹中形成了双相区和较多的奥氏体。奥氏体吸收多余的碳，并在低于Ms点的温度下转变为马氏体(图)2)，在室温条件下作为铁素体HTHAZ内的晶界马氏体网络保留下来。这种马氏体阻止了组织中贫铬区连续网络的发展。此外，在较高的热输入下，焊接后较慢的冷却使铁素体相通过铬从内部扩散到任何贫铬区而脱敏[10.］．这可能解释了在1296j /mm焊接处观察到的低水平沟槽结构。然而，在低温冷却下，冷却速率约为常规焊缝的两倍;这几乎抑制了奥氏体的形核和生长，因为HTHAZ冷却通过双相场导致室温马氏体体积百分比低。这在图中很明显7.这显示了与图中网络不同的马氏体网络6.．低温处理焊缝中马氏体的低体积百分比和薄的网状结构促使铁素体相中碳的高过饱和和碳化铬的形成，从而导致热太赫兹中铬的缺失和更大的沟槽组织。此外，与低温冷却相关的高冷却速率也阻止了铬向富铬碳化物附近的贫区反向扩散。因此，在相同的热输入比较水平下，低温处理焊缝的沟槽结构水平高于常规焊缝。

4。结论

对低温冷却对中铬铁素体不锈钢焊缝敏化行为的影响进行了探索性研究。这项研究得出了以下结论。(我)低热输入的焊接条件抑制了奥氏体的形成，促进了HTHAZ中大量铁素体组织的形成，铁素体中碳的过饱和容易导致碳化铬的析出。(2)Hthaz Region中的马氏体含量对于评估铁素体不锈钢焊接中的敏化行为非常重要。具有较高马氏体含量的Hthaz表现出低水平的抛弃结构。（iii）在相同的热输入水平下，与低温冷却相关的几乎两倍的冷却速率限制了双相区域内的相变，产生非常薄的马氏体网络。这种条件也通过抑制铬从晶粒内部扩散到任何贫铬区来防止自脱敏。低温处理焊缝总是比常规焊缝表现出更大的沟槽结构。(iv)虽然焊接被抛弃到不同的水平，但是该结构通常被归类为不敏感，因为没有单颗粒被沟渠完全包围。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

承认

作者感谢马来西亚国际伊斯兰大学制造和材料工程系的无损检测和工具和模具实验室的工作人员提供的设施和技术支持，特别是为低温冷却实验提供液氮杜瓦瓶。

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