不銹鋼的焊接冶金{高氮奧氏體不銹鋼的氮化物析出及其對(duì)焊接性的影響}
高氮奧氏體不銹鋼的氮化物析出及其對(duì)焊接性的影響現(xiàn)貨價(jià)格查詢
高氮鋼和含氮奧氏體不銹鋼是工程材料的一個(gè)重要分支，在鐵素體不銹鋼氮含量超過ωC0.08%，奧氏不銹鋼加入的氮含量超過ωN0.4%，就稱這類鋼為高氮不銹鋼。離氮奧氏體不銹鋼主要是利用氮元素部分甚至完全代替合金元素鎳以獲得單相奧氏體組織。利用氮進(jìn)行合金化具有很多優(yōu)點(diǎn)；與碳相比，氮是更加有效的固強(qiáng)化元素，同時(shí)又可以促進(jìn)晶粒細(xì)化；氮是強(qiáng)烈奧氏體形成元素，可以減少合金中的鎳含量，降低鐵素體和形變馬氏體形成能力；盡管氮對(duì)材料形成化元素，可以減少合金中的鎳含量，降低鐵素體和形變馬氏體形成能力；盡管氮對(duì)材料在酸中抗總體腐蝕性能沒有明顯改善，但可以極大地提高材料抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力。而冶煉技術(shù)的進(jìn)步，已能夠生產(chǎn)含氮量高達(dá)ωN1%的高氮鋼，且可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。氮化物和碳化物是鋼中一種重要的顯微組織構(gòu)成，對(duì)高氮奧氏體不銹鋼而言，高的氮含量比如影響氮化物的析出行為以及材料的組織和性能。
（1）氮化物的等溫析出動(dòng)力學(xué)氮化物析出是一個(gè)形核與長大過程，這一過程的驅(qū)動(dòng)力在于沉淀前后體積只有能差；另一方面，Cr和N原子的擴(kuò)散所控制，N是間隙原子，擴(kuò)散速度快，Cr是置換原子，擴(kuò)散速度較慢，兩者的差異使氮化物析出過程呈現(xiàn)一定的特殊性。高氮奧氏體不銹鋼中存在兩種較為常見的氮化物形式：Cr2N（六方晶體）和CrN（立方晶體）。隨著等溫時(shí)間的延長，會(huì)析出其他的中間相，如χ和η。與Cr2N相比，兩者析出量少，對(duì)材料性能影響也不大。但值得注意的是，隨著Cr2N析出的進(jìn)行，緊鄰氮化物的基體中會(huì)形成σ相。曾在18CrMn2Mo0.9N的等溫時(shí)效過程中觀察到這一脆性相，并且發(fā)現(xiàn)與不連續(xù)沉淀的氮化物相鄰的γ基相體中生成σ相，這種相對(duì)材料的韌性和抗腐蝕性構(gòu)成不利影響。關(guān)于高氮奧氏體不銹鋼中σ相的形成機(jī)制，認(rèn)為是源于氮化物析出后附件基體中氮貧化區(qū)的形成，在基體中直接形成σ相；最近的研究結(jié)果也證實(shí)了σ相的形成機(jī)智，即貧氮區(qū)導(dǎo)致σ相的形成。
（2）氮化物的析出過程高氮奧氏體不銹鋼中氮的過飽和及分解類似于珠光體的形成過程，典型形態(tài)如圖1-47所示。分解過程可用下式描述：
γ→γ′+Cr（M）2N（1-6）
式中γ--氮過飽和和奧氏體；
γ′--析出奧氏體；
M--其他合金元素。
這個(gè)分解（轉(zhuǎn)變）過程受下列因素影響，γ相被N的過飽和度；γ與γ′間的N濃度稀度，Cr（M）2N析出相與基體間的錯(cuò)配應(yīng)變以及析出相與臨近基體間的位向關(guān)系。氮化物的析出導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性和韌性下降。
氮化物的析出迅速主要受Cr的擴(kuò)散速度所控制，與N相比，Cr的擴(kuò)散速度極低，在800℃時(shí)N的擴(kuò)散速度比Cr的擴(kuò)散速度高5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，氮化物的析出速度隨時(shí)間的延長而放慢，如圖1-48所示。
氮化物析出的影響因素
1）溫度的影響。對(duì)成分一定的高氮奧氏體不銹鋼，氮化物析出存在著一個(gè)敏感溫度區(qū)間，在這個(gè)溫度區(qū)間，溫度過高，氮過飽和度變小，析出反應(yīng)驅(qū)動(dòng)能小；溫度太低，合金元素的擴(kuò)散速率降低。這良種影響因素競爭的結(jié)果便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沉淀動(dòng)力學(xué)最快溫度，即“鼻尖”溫度，在該溫度時(shí)，氮化物析出所需孕育期最短，從圖1-46可知，這個(gè)鼻尖溫度約為950℃。
2）合金元素的影響。合金元素對(duì)高氮奧氏體不銹鋼的氮化物等溫析出行為的影響，在作用元素中，氮的影響最強(qiáng)。氮含量不僅影響氮體不銹鋼的氮化物等溫析出行為的影響，在所有元素中，氮的影響最強(qiáng)烈，一方面由于氮是氮化物形成元素；另一方面，氮間隙固溶在奧氏體基體中，擴(kuò)散速度較快。氮化物析出方式也與基體中氮含量有關(guān)，含氮量較高時(shí)，Cr2N由晶間析出轉(zhuǎn)變到晶粒內(nèi)的胞狀析出，含氮量較低時(shí)，Cr2N不會(huì)沿著晶析出。Ni會(huì)促進(jìn)氮化物析出。
3）材料的原始狀態(tài)。一般情況下，高氮奧氏體不銹鋼有固溶和軋制兩種使用狀態(tài)，材料原始形態(tài)不同，氮化物析出行為也不相同。冷軋后經(jīng)退火處理的氮化物析出行為也不相同。冷軋后經(jīng)過退火處理的氮化物形核孕育期推遲了5s，且冷軋次數(shù)越多，敏感溫度區(qū)間就越窄，認(rèn)為與退火孿晶形成有關(guān)。冷變形加速晶間氮化物析出，誘導(dǎo)晶氮化物析出，延遲胞狀氮化物析出（圖1-49）。冷軋變形后，材料中產(chǎn)生大量缺陷，晶芥缺陷組織（主要是凸緣）以及加快原子擴(kuò)散的位錯(cuò)通道都降低了形核熱力學(xué)壁壘；周期性缺陷組織（主要是變形孿晶和密集滑移帶）有助于氮化物的晶內(nèi)析出；進(jìn)個(gè)析出降低了氮化物生產(chǎn)的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，抑制了胞狀氮化物析出。退火態(tài)合金則不利于氮化物的晶內(nèi)析出。對(duì)冷作態(tài)合金，隨著時(shí)效溫度的提高，形變孿晶會(huì)徹底消失，在很多地方形成了亞晶界。
（4）高氮奧氏提子不銹鋼焊接中氮化物析出出現(xiàn)均會(huì)損害鋼的抗蝕性，因?yàn)榈t周圍的貧鉻區(qū)是點(diǎn)蝕的重要來源。氮化鉻有六方結(jié)構(gòu)的Cr2N和面心立方結(jié)構(gòu)的CrN。Cr2N在HAZ中出現(xiàn)，其典型形貌如圖1-47a所示，Cr2N在δ鐵素體的取向關(guān)系為[02 2 3]Cr2N//[012]δ-Fe。
面心立方CrN在電鏡下觀察時(shí)襯度很低，且衍射斑與奧氏體極為相近，故CrN很容易被誤認(rèn)為γ而被日忽略。CrN與奧氏體中的取向關(guān)系為[011]CrN//[011]γ。在δ基體中有CrN析出，但其尺寸均小于2μm。因此，在HAZ中雖然存在著氮化鉻，但尚屬早期析出，對(duì)材料的性能不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
（5）π相。π相是在600℃下經(jīng)數(shù)小時(shí)退火方可在HAZ中出現(xiàn)的氮化物，π相有較低的襯度而醫(yī)被忽略，但其衍射譜與δ與γ相差很遠(yuǎn)，較易識(shí)別。π相在HAZ的600℃以下溫度取冷卻速度較慢時(shí)出現(xiàn)，但引起475℃脆性的轉(zhuǎn)變并沒有發(fā)生，在鋼中也未觀察到任何形式的碳化物。
高氮奧氏體制不銹鋼的焊接中，可能會(huì)析出氮化物，從而削弱材料的加工性、力學(xué)性能和抗腐蝕性能。與熱軋不同，高氮奧氏體不銹鋼的焊接件一般難以通過焊后熱處理來消除焊接時(shí)形成的組織缺陷，如氮化物。因此，為了研究高氮奧氏體不銹鋼的焊接性，必須了解連續(xù)冷卻條件下焊接熱影響區(qū)的氮化物析出行為。18Cr18Mn0.6～1.2N、18Cr18Mn2Mo0.9Ni、19Cr5Mn0.7N和21Cr25Mo0.9N的TTP曲線表明，在鼻尖溫度，氮化物開始析出孕育期為10s。因此在傳統(tǒng)的弧焊接熱影循環(huán)的作用下，不會(huì)發(fā)生氮化物析出。但是焊接線能量會(huì)影響焊接熱影響氮化物析出，這與母材的合金系統(tǒng)以及焊接工藝參數(shù)有關(guān)。一方面氮化物的析出降低了接頭性能；另一方面，氮化物的析出降低了基體鋼中固溶的氮含量，使奧氏體的穩(wěn)定性變差。HAZ的氮化物析出行為，由母材的合金系統(tǒng)決定。在焊接CrNi-Mo-N系高氮奧氏體不銹鋼時(shí)，氮化物形成傾向遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cr-Mo-N系合金，這與合金的差異導(dǎo)致了單相奧氏提組織不穩(wěn)定的溫度區(qū)間不同有關(guān)。在含氮量相同的條件下，前者要明顯比后者窄的多，如圖1-50所示。而且母材的氮含量越高，氮化物的析出傾向越強(qiáng)烈。除了熔化焊，壓力焊也用于高氮奧氏提不銹鋼的連接加工，但摩擦焊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接頭由于經(jīng)歷了熱作用，在接線附近的晶粒晶界上發(fā)現(xiàn)了Cr2N和CrN氮化物析出，降低了基體中的固溶氮含量，也降低了接頭的性能。
不銹鋼焊縫金屬間化合物相的析出
除了碳化物析出之外，不銹鋼焊縫金屬中還會(huì)有金屬間化合物的相的析出。一般來說，焊縫金屬中的金屬間化合物相與母材中的金屬間化合物的相在晶體結(jié)構(gòu)上是不同的。金屬間化合物相的析出對(duì)韌性和抗晶間腐蝕的能力都是不利的。不銹鋼的工作溫度如果與金屬間化合物相的析出溫度吻合，將會(huì)引起材料的脆化，尤其是蠕變強(qiáng)度的下降，將減少其使用壽命。
（1）奧氏提不銹鋼極其焊縫金屬中σ相的析出在不銹鋼中σ相是一種四角形晶體結(jié)構(gòu)的鐵-鉻化合物。在鐵-鉻二元系中，σ相大約含ωCr47%。σ相的析出將使材料的韌性降低，硬度增加，有時(shí)還降低材料的耐腐蝕性。如圖1-1所示，σ相在低于820℃時(shí)開始析出，隨著溫度的降低，析出的合金成分越來越大。在不銹鋼中，σ相在鐵素體中的析出比在奧氏提中快。
σ相還可以包括Mo、Mn、Ni、Si、Ti和P等其他合金元素。對(duì)48Cr-52Fe的鋼中σ相轉(zhuǎn)變最快，在約770℃開始轉(zhuǎn)變是在60min后，從開始轉(zhuǎn)變到轉(zhuǎn)變結(jié)束所需要的時(shí)間很長，可達(dá)10～100h。
不銹鋼中的合金元素對(duì)σ相的析出有影響。在816℃和1000h的條件下，研究了不含碳和氮的Fe-Cr-Ni合金中合金元素對(duì)σ相和χ相析出的影響，統(tǒng)計(jì)出816℃下材料脆化的鉻當(dāng)量CrAqu：
