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    高温时效处理对310S不锈钢焊接接口性能的影响

    来源:至德钢业 日期:2018-12-15 20:15:25 人气:33

    研究了高温时效前后的310S不锈钢焊接样品在燃煤气氛下的碳硫影响。利用金相、扫描电镜/能谱、X射线衍射及力学性能测试等分析其形貌、成分结构及性能。结果表明,经不同温度、不同时间在燃煤气氛下时效处理的310S不锈钢比未时效处理者腐蚀严重,310S不锈钢在高于700℃时效后在晶界大量析出σ相,使晶界附近贫Cr,降低了其抗腐蚀性能,同时晶粒长大,冲击韧性明显降低,而且断裂方式也由微孔聚合型断裂转变为典型的解理断裂。

    不锈钢由于具有优良的耐腐蚀性能,广泛用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家用电器等行业。310不锈钢具有优良的高温力学性能及抗高温氧化性能,作为结构材料广泛运用于石化工业[1-3],在不锈钢加工工艺中,焊接是最主要的加工技术。特别是石化行业对焊接工艺和质量的要求更高[4-5]。过去对310S不锈钢的高温碳、硫腐蚀作过一些研究,碳易产生晶间腐蚀,硫增加导致热脆性[6-9]。但都局限于原始状态,对于此种材料长时间高温时效处理对其焊接性能有何影响很少报道。本文对普通燃煤中长时间高温时效后的310S不锈钢的焊接行为进行研究,为石化工业结构材料在高温腐蚀环境中长期使用提供参考。1实验材料及方法将化学成分如表1所示的310S不锈钢80mm×20mm×5mm的试样若干,采用不锈钢焊条氩弧焊对焊成尺寸为160mm×20mm×5mm的试样若干(焊接接口在中间)。与普通燃煤一起装入密封罐体内,在马弗炉中分3个温度,3个保温时间以表2的工艺进行高温时效处理,以便研究煤中的碳、硫对焊缝的影响(因为310S不锈钢常用在煤转换化工中)。

    将不同温度、不同时间处理的试样采用10%的氯化铁腐蚀溶液腐蚀,在XJL-03型金相显微镜下观察。拉伸试验在AG-250KNIS型拉伸试验机上进行,试样尺寸160mm×10mm×5mm。在摆锤冲击试验机上按照国标GB21061980作“V”型冲击韧性实验,试样尺寸为80mm×20mm×5mm(焊缝在沿试样长度方向的中间)。对断口使用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)。采用XRD-7000X射线衍射仪对其组织结构进行分析,用铜靶Kα线(λ=0.15406nm),扫描速度4°/min,扫描范围2θ取2080°。并对高温处理前后材料的化学成分采用能谱和光谱进行定量分析。

    2实验结果与分析

    2.1 310S不锈钢在不同温度下处理的显微组织

    1310S不锈钢在不同温度下长时间停留后的组织,可以看出,未经过处理的原始试样的显微组织主要是奥氏体和碳化物,晶粒较大,焊缝清晰;经650720800℃高温时效处理后,晶界明显,有析出物产生,650℃与800℃时晶粒基本一致,而在720℃时,晶粒长大较为明显,这是不锈钢在700℃附近比较敏感,保温时间延长对显微组织影响不大,但能看到在焊缝处有一些黑色点状的物质析出,这是与煤长时间接触,碳的扩散导致一些碳化物的形成,由图2XRD中看到明显的碳化物K峰。

    2.2 310S不锈钢性能测试结果

    3310S不锈钢在不同温度下长时间停留后性能测试结果。可以看出,310S不锈钢ABC3个工艺处理后对屈服强度和抗拉强度影响不大,只是在800℃处理时有点降低,但对冲击值的影响较大,且随处理温度的升高,冲击值下降越明显。这一方面说明冲击韧性表征温度和缺口的敏感特性,另一方面正如前述显微组织在高温下焊缝处有碳化物相的析出导致其值大大降低。这说明焊缝受温度和时间的影响较大。再者,无论那个工艺,屈服强度在没有焊缝堆积时其值均大于有焊缝堆积的状况,估计在焊缝处造成了一定的应力集中。抗拉强度也有类似的结果,但在800℃时情况则相反,说明高温下晶粒长大后与常温性能不一致。断裂位置在较低温度一般在母材处断裂,而在较高温度800℃下则在焊缝区断裂,说明高温使用对焊缝的影响较大。

     

    2.3 310S不锈钢在不同工艺下处理的XRD

    2310S不锈钢在燃煤环境下于800℃保温100h后母材和焊缝变化前后的XRD图谱。可以看出,不管是母材还是焊缝,原始试样是杂波信号较多的“多相”,经高温处理后变成杂波信号非常少的“均一相”。组织结构没有变化(试验时已进行应力消除)。也说明母材和焊缝,在含碳环境(与煤充分接触)和高温共同作用下没有组织转变。

    碳属间隙型固溶元素,可促使γ相扩大,即碳对奥氏体有稳定化的作用,但是,奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向通常随碳含量的增高而趋严重。这是因为碳含量越高,晶间沉淀的Cr23C6碳化物越多,晶间贫铬区铬贫乏的程度越严重,对于长时间在燃煤环境下,材料表面有增碳,杂质元素磷和硫易在晶界偏析,导致不锈钢具有晶间腐蚀倾向。对于晶间腐蚀机理,理论研究较多,20世纪60年代中期以来,贫铬理论被广泛地接受和应用。贫铬理论[10]认为,不锈钢发生晶间腐蚀是由晶界贫铬而引起的。碳在高温奥氏体中的溶解度比较大。在高温下溶解碳的奥氏体不锈钢迅速冷却到室温时,碳就会以过饱和的形式固溶。若再将其加热到适当温度并保温足够的时间,过饱和的碳就会以碳化物的形式沉淀出来,导致不锈钢晶界附近贫铬。Cr23C6是最主要的碳化物,其沉淀温度为400950℃。在较低热处理温度下(650℃),在晶界上会有明显的析出物,而在较高的热处理温度下(925℃以上),晶界则不会有明显的析出物。

    长时间高温时效处理使310不锈钢晶界上大量析出σ相,造成晶界附近贫Cr,降低了晶界区抗硫腐蚀性能,使硫沿着晶界快速扩散,在合金晶界区处形成腐蚀沟,最终形成腐蚀裂纹。这一点在800℃左右的断口形貌中有所体现(见图5和图6)。

    2.4断口形貌与成分变化

    3~图4310S不锈钢在不同工艺下的冲击和拉伸断口形貌。可以看出,原始试样的拉伸与冲击断口形貌差异较小,均为典型的韧窝特征,说明是韧性断裂,而随处理温度的提高,有撕裂棱出现,发展到800℃时,产生明显的沿晶脆性断裂,这也是在高温下其冲击韧性较低的原因。

    4310S不锈钢在不同工艺下表面和心部合金元素变化,可以看出,经长时间高温时效,所有试样表面的CS较心部的高,但较低温度时他们的差别较大,而较高温度800℃时,表面和心部的差别减小,这可能是较高温度表面的积碳燃烧的结果,使得表面留存较少的碳。对照化学分析认为经过一定温度的加热,材料中的CS有一定的增加,但增加很小,不足5%,而且温度、时间对其影响很小。

    3结论

    1310S不锈钢在燃煤环境下长时间高温时效处理,组织结构变化不大,只是在720℃时晶粒长大明显,且碳、硫元素的增长不明显;

    2310S不锈钢焊接件经高温时效处理后,屈服强度和抗拉强度随温度提高或时间的延长变化较小,而冲击韧性则随温度的提高下降明显,下降幅度达到80%以上。断裂机制则由原始试样的韧性断裂转变为沿晶解理的脆性断裂。

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