低镍含量（0.09wt%）对P91钢焊缝组织和韧性的影响外文翻译资料

 2022-10-08 11:47:49

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低镍含量（0.09wt%）对P91钢焊缝组织和韧性的影响

摘要：改良型9Cr-1Mo（P91）钢被广泛应用作为动力设备零件制造中的高温结构材料。值得关注的是，合金元素影响着P91钢焊缝的微观结构和力学性能。其中Mn元素和Ni元素显著影响其低温临界转变温度（AC1）及焊缝回火反应。在目前已公开发表的信息中，已有广泛使用Mn Ni组合的填充焊丝。在目前的研究中，焊件制备完全采用GTA填充焊丝，这种焊丝中Ni含量较低（Mn Ni含量0.58wt%，其中包含0.09wt%的镍）。组织结构和力学性能特征已做研究，要求P91钢焊缝组织室温下最低韧性达到47焦耳。显微结构观察显示，GTA焊缝在马氏体基体上含有少量的delta;-铁素体（＜0.5%）。在焊接条件下，其冲击韧性（吸收功）为28焦耳，而在760℃温度下经过两小时的焊后热处理后，其冲击韧性为115焦耳。本研究中，低镍焊缝的韧性较高，原因是其中含有少量的delta;-铁素体（＜0.5%）、多阶段的晶粒细化和每层焊接时单程焊缝金属的沉积。

关键词：回火，焊接，韧性，显微组织，冲击试验

1. 引言

改良型9Cr-1Mo（P91）钢具有比其它低合金铁素体钢更高的蠕变强度。由于其能增强蠕变强度，P91钢被运用在核电站和火电站的建设中。P91钢的焊接性能取决于焊缝金属的化学成分、焊接工艺和焊后热处理工艺参数，如温度和时间。化学组成影响低温临界相变转变温度（AC1），从而使P91钢及其焊接处产生回火反应。一般而言，锰（Mn）、镍（Ni）在填充材料中含量应小于1.44%，以确保焊后热处理温度低于P91钢的低温临界相变转变温度。当含量高于1.5%时， Mn Ni会将低温临界相变转变温度降低到780℃以下，缩小了能够安稳进行热处理的温度范围。Mn在焊缝中的含量控制得比母材中高，是为了帮助焊缝脱氧以及提供一个良好的焊缝脱渣效果。

镍被广泛用于改善焊缝金属韧性。控制一定水平的Ni含量有以下两个有利的地方。第一，它降低临界相变转变温度，使其更加接近焊后热处理温度从而改变回火反应。其次，它也减少了其中性能不好的delta;-铁素体的含量。然而，过量的镍（gt;1%）对于组织的韧性而言是不利的。因为此时临界转变温度将会变得非常低，从而使焊后热处理在冷却的过程中，奥氏体不断转变为新产生的回火马氏体。过多的镍也会改变焊接过程中碳化物沉淀的长期演变，从而降低焊缝组织的蠕变强度。因此镍含量的添加通常控制在0.4～1.0%的范围内。当使用者在焊缝金属中同时使用Mn和Ni的组合时，会进一步影响组织的韧性，因此必须保证其含量满足母材中的限制。而钒，碳，氮含量的变化对韧性的影响较小。

目前的研究主要集中在低镍含量比例（＜0.09wt%）在GTA填充焊丝制备中的使用。具体的研究主要是关于Mn、Ni含量（锰：0.44wt%，镍：0.09wt%）对P91钢焊缝的组织结构和力学性能的影响。

2. 实验过程

母材在标准化温度（1080℃）条件下处理一小时，在760°C回火温度下处理两小时。制成220times;120times;12mm大小的金属板材用于后续焊接使用。该板材被加工成单V型沟槽，具体操作细节如下：槽角开-70度角，焊缝坡口钝边处切去1.2毫米以及根部间隙留有2.4毫米。焊件采用直径为2.4mm的填充焊丝进行焊接。焊丝成分依据焊接标准AWS A5.28-96：ER90S-B9规格。使用手工钨极氩弧焊进行水平焊接。在焊接前用氧-乙炔混合气体燃烧产生的火焰进行预热，预热温度为200℃，其温度通过热敏电阻温度计测量与保持。焊接中使用商业用纯氩气（99.9%）作保护气体，在焊接过程中保持10升/分钟的气体流量。

总的焊接熔敷过程通过四道焊接完成，最后形成焊接接头。焊接过程中的热输入为1.68kJ/毫米（电流：180安培；电压：25伏以及焊机送丝速度：80毫米/分钟）。在焊接过程中，保持250℃的层间温度直到焊接完成。焊接后，立即将温度快速加热100℃，并保持该温度直到焊后热处理工艺开始。此外，在焊后热处理前还需用射线探伤法对焊件的质量进行检测。然后按照工业实践经验，对焊件在760℃的温度下进行2小时的焊后热处理。按照ASTM E-24规范对夏比V型缺口的冲击试样在室温下进行冲击试验。按照ASTM e92-08规范对其进行显微硬度评估。使用光学显微镜检查与评估母材与焊缝熔敷金属的显微结构。使用Villella腐蚀剂，其成分有三硝基苯酚、盐酸和水。而后利用扫描电子显微镜对微观结构进行更详细的分析。在目前的研究中，通过使用Java基础材料加工软件第8版来对每阶段组织形成物以及CCT图的形成进行预测。对试样断口的研究主要是使用扫描电子显微镜对夏比V型缺口的冲击试样断口以及经过焊后热处理的试样进行观察。

3. 结果与讨论

3.1化学成分对材料相结构的影响

母材的化学成分和熔敷金属的化学成分在表1中列出。可以看出，在母材中不含有如铝，钴，和铜等元素。

在目前的研究中，Java基础材料加工软件被用来预测每一阶段的形成物及其形成时的温度。在焊接过程中，delta;-铁素体是温度达到1435℃时开始形成的（如图1和图2），在该温度下所占体积分数为98.99wt%。当温度达到1240℃时，delta;-铁素体已经完全转化，在该温度下所占的体积分数为0.01wt%。由此可以看出，整个delta;-铁素体形成与转化的温度变化范围是195℃左右。奥氏体稳定性的温度变化范围是从Ac3-Ac4，这些转化点也影响了delta;-铁素体的形成。对于母材而言，其奥氏体稳定性的温度范围大约为404℃（从1264℃-860℃），而对于焊缝而言，其奥氏体稳定性的温度范围大致为382℃（从1240℃-858℃）。对于给定的冷却速率，在具有较高的奥氏体稳定性的范围内，其中delta;-铁素体的含量较少。硅元素的含量也会影响delta;-铁素体的形成及组织。0.25wt%的低硅元素含量将能够降低焊缝中delta;-铁素体的形成趋势。

Jeyaganesh等人在他们的研究中观察到，高Cr钢的马氏体相变所需的临界冷却速度为每分钟温度降低5℃。通过基于焊缝成分的CCT图（图3）分析发现，当冷却速率高于0.1℃每秒时，在焊缝中会形成马氏体组织。马氏体开始转化温度为310℃，如图3所示。根据Java基础材料加工软件的预测，焊缝组织中第二相主要的成分为M23C6的沉淀物。在母材中，在760℃的温度下，M23C6的平均含量为2.14wt%，而在焊缝中（图4），其平衡含量为1.63wt%。这种低水平的M23C6沉淀物的形成是由于焊缝中的含镍量低造成的。此外，随着焊缝中镍含量的增加，在现有的M23C6沉淀物相存在的基础下，晶粒粗化的速率也会相应增加。先前研究表明，如果保证焊接过程中焊缝中的镍含量较低，而锰含量较高，则能够提高焊缝组织的韧性。

在焊缝组织中奥氏体晶粒的大小有变化。在无镍以及高铌沉淀物的焊缝组织中晶界更加明显。钴的存在降低了delta;-铁素体的滞留倾向，尽管这种影响相比镍含量的影响更加不明显。如果焊缝中的锰含量足以达到很好的脱氧效果，则一定程度上，硅含量的减少也会是有益的。除了这些组成因素外，焊缝凝固时的冷却速率同样也影响了焊缝中所保持的delta;-铁素体的含量。在Cr含量高的铁素体焊缝中，delta;-铁素体的滞留是由于焊接过程中的快速冷却产生的。然而在母材中，delta;-铁素体的形成却不是由于对完全奥氏体区进行相应冷却得到的，换言之，这是由于正火工艺促进了显微组织的同质化。施耐德等价公式（经验公式）广泛用于预测在高Cr铁素体钢中delta;-铁素体形成的可能性。要实现完全的马氏体结构，根据施耐德等价经验公式，焊缝的成分应保证最大铬当量为13.5%，最小镍当量为5.5%。

Creq=Cr 2Si 1.5Mn 5V 1.75Nb 0.75W (1)

Nieq=Ni 0.5Mn 30C 25N 0.3Cu (2)

基于焊缝的组成，根据施耐德等价经验公式，铬含量为11.44%，镍含量为4.295。根据该等价理论，在焊缝中还有较小的可能性会形成delta;-铁素体组织。

从目前的研究看，采用Java基础材料加工软件（图5），观察到焊缝中Ni含量为0.84 wt%时相应的delta;-铁素体相的体积分数为98.05%。当镍含量超过0.84 wt%及1 wt%时，焊缝中delta;-铁素体含量从98.05%下降到88.5%。因此，镍元素的含量对降低焊缝中delta;-铁素体的形成只有轻微的影响。上述观察说明，冷却速率在delta;-焊缝铁素体形成中比低镍含量更具有主导作用。在平衡温度（500℃）下，M23C6体积分数高于其他类型的第二相，即氮化铝，Z相，M3P和 Laves相。Laves相在640℃时消失而Z相在700℃时消失。

3.2正火和回火条件下的显微组织

正火和回火条件下，P91钢微观组织观察有板条结构出现，这种板条结构中有各种尺寸的沉淀物，其分布如图6所示。此外，该结构中还有各种类型的沉淀物。M23C6型沉淀物的含量更多伴随着MX型沉淀物的析出。按照美国材料试验协会的E112-13规范，通过海恩截距法能够通过P91钢的显微组织图片测量出奥氏体晶粒的尺寸。在正火和回火条件下，P91钢奥氏体晶粒（PAG）尺寸为120micro;m。而MX沉淀物的尺寸小于M23C6沉淀物。

3.3焊缝组织

焊缝显微照片（图7）显示了回火马氏体组织。焊缝中的奥氏体晶粒（PAG）较细小，其尺寸大小从25mu;m到35mu;m。尽管镍含量较低，显微组织观察显示，在焊缝中依旧存在较低含量（＜0.5%）的delta;-铁素体组织，主要分布在晶界处。之前已有研究表明，当delta;-铁素体含量小于0.5%时对焊缝的韧性不会产生影响。从形态上看，delta;-铁素体相的形状不规则。delta;-铁素体目前存在于晶粒边界以及回火马氏体晶粒内。在焊道中的显微组织较细小，这是由于在焊接热循环作用下先前焊道中组织的再结晶作用。在先前的文献中，已经有学者发现，高Mn Ni的组合会使delta;-铁素体的范围扩大，而低Mn Ni的组合，则会缩小该范围。这可能是能够在焊缝中观察到低含量delta;-铁素体的原因。

奥氏体的热稳定性会影响马氏体相变时的动力。奥氏体相具有越高的热稳定性时，奥氏体向马氏体转变的动力就会越低。具有较强固溶强化作用的合金元素能稳定奥氏体组织，降低马氏体转变温度。Pasebani和Charit描述道，除了铝，镍，钴元素，在稳定奥氏体相方面，各种置换合金元素的热强度在数量级上是相似的，而缝隙间的C和N溶质也有着很强烈的影响。降低奥氏体热稳定性的合金元素（例如：铝，镍，钴），在促进马氏体转变方面扮演着有利角色。这意味着铝，镍，钴元素能够降低马氏体相变的活化能，促进马氏体晶胚的活化。在本研究中，这可能是在焊缝中能够观察到较细晶粒尺寸（25mu;m至35mu;m）奥氏体的原因。此外，先奥氏体晶粒中有着非常细小的马氏体板条结构。

3.4经过焊后热处理后的焊缝显微组织

焊后热处理温度根据焊缝的AC1进行选择。Java基础材料加工软件预测，较低的临界温度为861℃。如果焊后热处理的温度接近Ac1温度，回火反应会较好，沉淀物的密度也会较高。经760℃下2小时的焊后热处理后的焊缝中回火马氏体组织如图8b所示。定量的金相学研究表明，晶粒间的间距大致是0.15micro;m。扫描电镜的显微图片显示，沉淀物分布在基质中。沉淀物在晶界处的分布比内部多。对沉淀物的扫描电镜能谱分析（图8c-8e）显示，析出的细小沉淀物是M23C6型沉淀物，其中铬含量较少，且铬中的沉淀物更粗大。另一个值得注意地方，从显微照片中显示，如图8b，晶粒较粗的沉淀物其密度较低。

3.5显微组织因素对焊缝硬度的影响

焊缝的平均维克硬度为434VHN500。这样的硬度比之前研究中发现的高锰 镍组合的焊缝应达到的硬度更低。在以往的研究中发现，GTA焊件中高锰 镍的组合能获得高硬度是由于这种组合因素以及冷却速率。在先前的研究中，这种较低的硬度可以归因于低碳马氏体、低锰 镍含量的组合、自回火和多次回火的影响。故可以看出，在本研究中，低硬度是由于低锰 镍含量组合导致的。这可能是由于产生了回火马氏体。析出的沉淀物尺寸较小，数量也较少。取向随机的较细的晶胞和板条结构尺寸的变化导致硬度变高。在760℃温度下进行2小时的焊后热处理，马氏体硬度降低到252VHN500。这可能主要是由于沉淀物数量的增加以及固溶体强化作用的组织的减少。由于M23C6沉淀物减少固溶强化作用，因此使得焊缝的硬度降低。

3.6焊接接头的冲击性能

夏比试样的尺寸为55times;10times;10mm（V型缺口开在厚度方向上），在室温下根据ASTM E23标准进行冲击试验。试验发现，母材在受到冲击时吸收的能量是227焦耳。而焊缝组织的韧性则为28焦耳。在焊接条件下韧性的减少可能是由于回火马氏体的存在，主要是马氏体中以柱状结构为主，以及丰富的针状形态的铁的析出物。在760℃的温度下进行2小时的焊后热处理后，由于回火反应，增

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