1.試驗材料和方法

1.1試驗材料

選取寶鋼不銹鋼分公司生產的12%Cr不銹鋼板，經過熱軋、退火、酸洗后6mm的 No.1板，其成分見表1。

注：含有微量的Ti、Nb合金元素。

1.2 焊接方法

采用的焊接工藝參數見表2。選取在車輛制造廠制造過程中使用的MAG自動焊方法，富氬氣體保護（Ar＋2.5%～3%CO ₂），氣體流量在16～18L/min，“V”型坡口，坡口角度為45°。焊接材料選用ER308L，直徑為1.2mm。

2 試驗結果

2.1焊接接頭的拉伸性能

2.2 焊接接頭的沖擊性能

焊接接頭的沖擊性能結果見圖1，從圖1中可以看出，隨著熱輸入的增大，熔合線粗晶區（F.L.）和HAZ部位（F.L.+1mm）的韌性均明顯下降，這與焊接熱輸入加大造成粗晶區鐵素體晶粒粗化以及粗晶區寬度增大密切相關。同時，焊接接頭熔合線部位的沖擊性能也要低于同接頭的HAZ部位。

3 討論

3.1 焊接接頭熱影響區組織

焊接接頭主要由焊縫、焊接熱影響區（熔合線、粗晶區、細晶區）組成，作為焊接接頭作為薄弱的焊接熱影響粗晶區，其組織種類為分布在晶界上黑色的馬氏體和白色的鐵素體，見圖2。可見隨著熱輸入從0.6KJ/mm增加到0.78KJ/mm，首先是粗晶區的寬度增加，平均寬度由0.3mm增加到0.45mm；其次是粗晶區鐵素體平均晶粒度大小也會由3級到1.5級；第三，分布在晶界上馬氏體的量也會發生一定程度的變化。綜合作用條件下，表現在熱輸入較小的焊接熱影響區的沖擊性能優于較高的，如圖1所示。

高倍下觀察的晶界馬氏體照片見圖3，可見均為板條狀馬氏體，這和該類不銹鋼的C、N含量（200～400ppm）較低密切相關，顯微硬度測試結果表明，該馬氏體的顯微組織硬度在280-300HV5。

通過Thermol－cal軟件的計算得到該類鋼種的溫度－相組織圖，見圖4。該類不銹鋼在1100℃－1300℃之間是由δ（α）＋γ兩相組織組成的，在焊接快速加熱及冷卻的條件下，高溫下形成的奧氏體最終會轉變成馬氏體，即在焊接熱影響粗晶區晶界上會出現黑色的低碳板條馬氏體的原因。在焊接熱影響區峰值溫度條件下，奧氏體的出現無疑將在一定程度上限制了δ鐵素體的快速長大。因為隨著溫度的降低，奧氏體在冷卻過程中將轉變為馬氏體時，也將帶來一定程度的相變膨脹，對被其分割的鐵素體晶粒長大而言，具有一定的阻礙作用，一定程度上抑制的高溫鐵素體晶粒的長大。這與文獻[1]闡述的鐵素體不銹鋼焊接接頭韌性改善的措施也是吻合的。但是，是不是粗晶區馬氏體含量越多越好？以及馬氏體含量到底和什么影響因素相關呢？

粗晶區馬氏體的含量和母材成分體系中的C、N、Ni等奧氏體形成元素的含量以及Cr、Ni比密切相關。同樣鐵素體形成元素含量情況下，奧氏體形成元素的含量越高，即Cr/Ni比越高，則焊接熱影響區粗晶區域形成的馬氏體含量越高。但理論分析認為，低碳馬氏體的形成，對于粗晶區裂紋擴展能量的需求也將提高。裂紋在粗晶區擴展過程中一方面需要穿越M和F兩相的晶界，另一方面在M晶界中擴展時也將不定的改變方向，這些因素都將增加裂紋擴展所需要的能量，宏觀表現即沖擊吸收功的提高。過高的奧氏體雖然在抑制鐵素體晶粒長大具有一定的作用，但是其冷卻形成的馬氏體仍是脆性相，尤其當其固溶C含量較多時，脆性傾向更為明顯。因此，采用C來提高粗晶區馬氏體的含量不是一個最佳的選擇。既是奧氏體形成元素，同時又對韌性具有突出貢獻的Ni的增加也能使馬氏體含量增多，但是由于Ni的價格原因以及12%鐵素體不銹鋼的市場定位，提高Ni含量，雖然可以提高焊接接頭組織中馬氏體的含量，從而一定程度上改善接頭的韌性，但這不是一條最佳的途徑。因此，主要研究目標可以考慮其他奧氏體形成元素，如Mn、N等元素的含量。同時注意，隨著粗晶區馬氏體含量的增加，降低材料的韌脆轉變溫度，即韌性性能有所提高，但當達到90%比例時，將達到一個最高值；進一步增加馬氏體含量，韌性將隨之下降 ^[2]。過多的馬氏體也將使得其韌性下降。因此，為了改善12%Cr鐵素體不銹鋼焊接接頭粗晶區韌性性能，在焊接接頭形成一定數量的馬氏體是必須的條件之一。

因此，為了更好地控制焊接熱影響粗晶區的韌性性能，一方面控制母材成分體系中鉻鎳當量比，不影響材料腐蝕性能基礎上，盡可能降低材料的鉻當量，從而提高焊接熱循環條件下的馬氏體含量；其次利用碳氮化物析出顆粒的釘扎作用，也在一定程度上抑制了CGHAZ鐵素體晶粒的長大。

3.2 微量元素的作用分析

Ti和Nb都是強烈的碳氮化物形成元素，通常作為穩定化元素加入鐵素體不銹鋼，通過與C、N結合形成Ti（C、N）或者Nb（C、N），利用穩定形成的碳氮化物，提高鋼種本身抗晶間腐蝕的能力。通過Thermol－cal相圖計算分析，發現Ti和Nb的化合物在鋼中析出的溫度是不同的，見圖6，其中Ti（C、N）能夠在1500℃以上的液態中形成并析出，而Nb（C、N）在930℃從基體中析出。因此，從抑制鐵素體晶粒長大傾向的角度，Ti的作用優于Nb，Nb更多的表現在利用析出強化的作用提高材料的抗拉強度性能上。通過掃描電鏡觀察發現，在粗晶區晶界邊緣處有很多的Ti（C、N）顆粒，對于高溫條件下鐵素體晶粒的長大具有很好的抑制作用，能有利于鐵素體不銹鋼焊接熱影響粗晶區韌性的改善。

4 結語

（1）隨著熱輸入的增加，12％Cr鐵素體不銹鋼熱影響區粗晶區的晶粒度、寬度增加，沖擊韌性下降。為改善熱影響區的韌性，應采用適當小線能量輸入的焊接方法。

（2）超低碳、氮的12％Cr鐵素體不銹鋼在焊接熱影響粗晶區將形成板條狀的低碳馬氏體，一定量的馬氏體含量可以抑制鐵素體晶粒的長大；采用合適的奧氏體化形成元素，以降低母材成分體系中鉻鎳當量比值，獲得具有最佳性價比的組織組成。

（3）微合金元素Ti和Nb在鐵素體不銹鋼中析出溫度不同，從抑制晶粒長大作用而言，Ti的作用優于Nb；Nb對提高12%Cr鐵素體不銹鋼強度有一定作用。