熱處理工藝對ER316H熔敷金屬力學(xué)性能影響的研究與分析

鄒朝輝

高斯貝爾熱系統(tǒng)江蘇有限公司 江蘇無錫 214000

1 序言

ER316H屬于一種奧氏體不銹鋼焊接材料，在不銹鋼壓力容器堆焊中使用占比較高。奧氏體不銹鋼在高溫環(huán)境中可以展示出良好的性能，如果焊接零部件要求高的耐蝕性、抗氧化性及耐高溫性等，則可以選擇ER316H焊接材料。目前該金屬材料在石油化工和管道等行業(yè)廣泛使用。例如某設(shè)備在高溫環(huán)境中運(yùn)行，采用2.25CrlMo鋼接管材質(zhì)。對同種金屬焊接安全端和接管，需要在鉻鉬鋼接管斷面用ER316H進(jìn)行堆焊，形成的隔離層，不進(jìn)行焊后熱處理。當(dāng)前主要焊態(tài)環(huán)境中大部分使用ER316H焊接材料，為了保障整體焊接質(zhì)量，需要分析熱處理工藝對ER316H熔敷金屬力學(xué)性能的影響。

2 熱處理工藝對ER316H熔敷金屬力學(xué)性能試驗

熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得預(yù)期組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法[1]。

2.1 試驗材料和試驗方法

試驗材料為3Cr13鋼，采用的焊接方法為MIG焊，采用直徑1.2mm ER316H焊絲，焊接電流200～260A，電弧電壓22～30V，焊縫為對接焊，試件尺寸為300mm×150mm×12mm。試驗材料堆焊前進(jìn)行了預(yù)熱，以提高焊縫金屬的抗裂性能。焊后分別采用空冷、空冷+回火和空冷+淬火+回火3種熱處理工藝。焊后對接頭進(jìn)行組織檢測、拉伸試驗、沖擊試驗。金相組織觀察，并采用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進(jìn)行微觀分析，根據(jù)GB/T 1084—1999 《金屬材料室溫硬度試驗方法》進(jìn)行硬度檢測。根據(jù) GB/T 1652—2008 《金屬材料室溫拉伸性能試驗方法》、GB/T 4338—2006 《金屬材料高溫拉伸試驗》，對焊接接頭材料的室溫、高溫（10～350℃）力學(xué)性能進(jìn)行試驗[2]。同時對接頭進(jìn)行常溫和高溫（10～350℃）沖擊試驗。由于ER316H熔敷金屬的焊接熱影響區(qū)具有高的塑性和韌性，因此要將其熱處理到接近母材的熱影響區(qū)力學(xué)性能。

2.2 金相組織檢測結(jié)果

合金組織狀態(tài)圖如圖1所示。

圖1 合金組織狀態(tài)圖

金相組織分析結(jié)果表明，在焊接后空冷、空冷＋回火和空冷＋淬火＋回火3種熱處理工藝下，熔敷金屬的顯微組織均為板條狀鐵素體（FGA）加少量珠光體（PF）；在焊縫處熔池存在兩種奧氏體晶粒，一種是奧氏體板條狀晶粒，另一種是等軸狀晶粒；在熱影響區(qū)存在少量珠光體和貝氏體等組織；在回火態(tài)時存在大量的馬氏體組織。隨著熱處理溫度的升高和加熱時間的延長，熔敷金屬中奧氏體晶粒不斷長大，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

2.3 力學(xué)性能試驗結(jié)果和分析

（1）拉伸試驗 為了研究熱處理工藝對ER316H焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能的影響，本文對不同熱處理工藝的ER316H焊接材料熔敷金屬進(jìn)行了室溫拉伸、高溫拉伸、高溫沖擊和常溫沖擊試驗。焊接后空冷、空冷＋回火處理ER316H焊接材料熔敷金屬室溫抗拉強(qiáng)度均低于母材，且高溫抗拉強(qiáng)度也均低于母材。但通過淬火＋回火處理后，室溫抗拉強(qiáng)度均高于母材，且高溫抗拉強(qiáng)度也均高于母材[3]。這是因為ER316H焊接材料在經(jīng)過熱處理后，其馬氏體晶粒得到細(xì)化，馬氏體相變產(chǎn)生的碳化物溶解到基體中，使得晶粒細(xì)化、晶粒均勻化，從而提高了合金的硬度和抗拉強(qiáng)度，提高了熔敷金屬的抗高溫變形能力。

（2）沖擊試驗 沖擊試驗是評價材料耐沖擊性能的重要指標(biāo)，也是檢驗材料韌性的最直接方法。經(jīng)過試驗，淬火＋回火處理工藝下，ER316H焊接材料熔敷金屬的沖擊吸收質(zhì)量比母材高。這是因為時效處理使晶粒細(xì)化，其表面及內(nèi)部存在較多的位錯，當(dāng)發(fā)生脆性斷裂時，基體中產(chǎn)生了較多的位錯和晶界，使裂紋擴(kuò)展受到阻礙[4，5]；同時，由于析出的碳化物在晶界上彌散分布，也降低了晶粒尺寸，從而使得焊接接頭沖擊吸收質(zhì)量增加。

3 結(jié)束語

1）通過金相組織分析可知，ER316H焊接材料的金相組織主要由鐵素體、貝氏體、少量的奧氏體組成，且這些組織在晶粒內(nèi)部是連續(xù)分布的。

2）通過硬度檢測、拉伸試驗和沖擊試驗可知，ER316H焊接材料的硬度在220～280HV，且隨溫度的升高而增加。塑性和沖擊韌度也隨硬度的增加而降低。在310℃時，其沖擊韌度達(dá)到最大值，為43.8J/cm2；在350℃時，其沖擊韌度降至最低點，為28.2J/cm2。在350℃時，其抗拉強(qiáng)度為301.45MPa，伸長率為11.2%；在310℃時，其抗拉強(qiáng)度為280.16MPa，伸長率為15.4%。

3）通過硬度檢測可知，隨溫度的升高，其硬度逐漸升高。

4）通過以上不同熱處理工藝的分析，空冷＋淬火＋回火處理的力學(xué)性能要優(yōu)于其他熱處理工藝。