12CrNi铁素体不锈钢焊接性研究

摘要

近年来开发的铁路货车用12CrNi铁素体不锈钢的焊接低温韧性较差，试制的不锈钢运煤敞车在运营一年左右就发现裂纹。为提高12CrNi不锈钢的焊接性，本文深入探索了这类不锈钢焊接过程中的金属学行为，系统研究了化学成分对其组织、性能和焊接性的影响。根据研究结论开发了具有优良焊接韧性的T4003不锈钢，并对其焊接性进行了深入研究。论文主要工作及创新性成果如下:
　　(1)揭示了12CrNi不锈钢焊接过程中的相变、第二相的变化及晶粒长大规律。粗晶区在加热过程中经历了α→γ→δ相变过程，在冷却过程中经历了δ→γ→M相变过程。α→γ和δ→γ相变，新相优先在晶界等缺陷处形核。发现高温时纳米级析出相迅速溶解，残留的奥氏体能够强烈抑制δ铁素体晶粒长大。提出细化粗晶区晶粒的设计思路为，增加奥氏体形成元素含量，缩小δ单相区范围。
　　(2)研究了铁素体因子(FF)对粗晶区组织和宽度的影响。发现铁素体因子大于9.0时，焊接粗晶区组织为单相铁素体或铁素体加沿铁素体晶界呈网状分布的少量马氏体。铁素体因子小于9.0时，随铁素体因子减小，马氏体量增加。铁素体因子显著影响焊接粗晶区宽度。焊接粗晶区宽度随着12CrNi铁素体不锈钢中A5点（δ铁素体单相区的下限温度）的降低而变宽，A5点可表示为铁素体因子的以下关系式:A5=1536.7-30.397FF。A5点随铁素体因子的增大而降低，因而，12CrNi铁素体不锈钢焊接粗晶区也将随铁素体因子的增大变宽。提出为获得宽度较窄且以细小马氏体为主的粗晶区，FF应控制在8.24以下。
　　(3)发现随碳含量的增加，热轧态12CrNi不锈钢中马氏体的微观形态由位错胞状转变成板条束状。揭示了热轧态的超低碳马氏体位错胞结构形成的机理为:因为马氏体相变结束点Ms很高且碳含量极低，位错具有很强的可动性，马氏体发生了自回复过程，使马氏体板条束界消失，形成了位错胞亚结构。提出了碳对12CrNi不锈钢焊接性的影响要综合考虑两个方面:首先，随碳含量的增加，铁素体因子降低，焊接粗晶区宽度变窄、晶粒细化;另一方面，随碳含量的增加马氏体的塑性和韧性降低。建议在控制合适的铁素体因子的前提下，降低12CrNi不锈钢中碳含量，提高热影响区的马氏体韧性，从而提高焊接接头的冲击韧性。
　　(4)证实了热轧态12CrNi不锈钢中条带状δ铁素体恶化其冲击韧性，为提高热轧态12CrNi不锈钢的韧性，热轧均热温度应降低到奥氏体单相区。
　　(5)论证了12CrNi不锈钢中添加稳定化元素铌，将抑制退火板的再结晶，退火后强度相对较高，而塑性和韧性相对较低。发现含铌0.28％的12CrNi不锈钢退火后的析出相为Fe3Nb3C和Nb(C,N)，而含铌0.49％的12CrNi不锈钢退火板中的析出相为Fe2Nb和Nb(C，N)，12CrNi不锈钢含铌过高时退火后发生明显的Laves相脆化。发现铌对再结晶的强烈抑制作用，细化了晶粒，降低了其韧脆转变温度。揭示了铌单稳定的12CrNi不锈钢的粗晶区马氏体的形态有仿晶界型、锯齿型和魏氏体形态，且沿δ/δ铁素晶界呈网状分布。
　　(6)发现12CrNi不锈钢中添加钛能够显著细化焊接粗晶区的马氏体，并使粗晶区宽度减小，从而提高焊接接头的冲击韧性。给出了其细化机理为:TiN粒子促进了δ→γ相变的晶内形核，细化了马氏体相变前的奥氏体;另一方面，TiN粒子也促进马氏体相变的形核，从而进一步细化粗晶区马氏体。
　　(7)晶间腐蚀实验发现，仅在未添加稳定化元素的12CrNi不锈钢焊接接头背面的细晶区发生晶间腐蚀。阐明了低碳12CrNi不锈钢的晶间腐蚀是富铬析出物析出和残余拉应力综合作用的结果。
　　(8)发现用ER316L焊丝焊接的焊板焊接接头的冲击功均高于用ER308L焊丝焊接的焊板。这是因为ER316L焊丝焊接的焊缝冲击功比ER308L焊丝焊接的焊缝高的原因。热输入为1.0kJ/mm的焊板在熔合线和热影响区处-20℃和-40℃的冲击功均低于10J。为控制T4003不锈钢焊接接头的低温韧性，推荐焊接热输入控制在0.8kJ/mm以内。发现坡口角度对T4003不锈钢焊接接头的冲击功影响微弱。
　　(9)研究了12CrNi铁素体不锈钢的焊后热处理，发现低温回火和高温回火都提高了焊接接头的冲击功，在450℃回火2小时后发生明显脆化，这种脆化属于高温回火脆性。T4003不锈钢中Cr、Ni和Mn含量较高，对这类回火脆性很敏感;给出改善焊接接头韧性的焊后热处理工艺:应避开此温度范围，采用低温回火或者650℃以上的高温回火。
　　本研究开发的T4003铁素体不锈钢具有优良的焊接韧性，顺利通过了铁道部认证，广泛应用于我国C80系列运煤敞车的制造中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 不锈钢货车车辆的发展历史

1．2．1 国外不锈钢货车车辆的发展历史

1．2．2 我国铁路货车车体用钢的发展

1．3 铁素体不锈钢简介及其研究现状

1．3．1 铁素体不锈钢简介

1．3．2 合金元素对铁素体不锈钢组织和性能的影响

1．3．3 铁素体不锈钢的脆性问题

1．3．4 铁素体不锈钢的耐蚀性能

1．4 铁素体不锈钢焊接性及研究现状

1．4．1 铁素体不锈钢焊接性

1．4．2 焊接接头的脆化

1．4．3 焊接接头的耐腐蚀性能

1．4．4 焊接接头组织预测

1．4．5 12CrNi铁素体不锈钢焊接性的研究现状

1．5 目前存在的主要问题

1．6 论文的研究背景、目的意义及内容

1．6．1 研究背景

1．6．2 研究目的及意义

1．6．3 研究内容

第2章 实验材料与分析方法

2．1 实验材料

2．1．1 焊接过程中金属学行为研究

2．1．2 化学成分对组织、性能及焊接性的影响

2．1．3 12CrNi铁素体不锈钢焊接工艺研究

2．2 微观组织分析方法

2．2．1 金相组织观察

2．2．2 共焦激光扫描显微镜相变原位观察

2．2．3 扫描电子显微镜观察

2．2．4 透射电子显微镜观察

2．2．5 析出相萃取及X射线衍射分析

2．3 热膨胀和热模拟实验

2．3．1 热膨胀实验

2．3．2 热模拟实验

2．4 焊接设备

2．5 性能测试

2．5．1 力学性能

2．5．2 耐晶间腐蚀性能

第3章 焊接过程中金属学行为研究

3．1 前言

3．2 焊接过程中的相变

3．2．1 实验方法

3．2．2 实验结果

3．2．3 分析讨论

3．3 焊接过程中的第二相

3．3．1 实验方法

3．3．2 实验结果

3．3．3 分析讨论

3．4 焊接过程中的晶粒长大

3．4．1 实验方法

3．4．2 实验结果

3．4．3 分析讨论

3．5 铁素体因子对粗晶区的影响

3．5．1 实验方法

3．2．2 实验结果

3．5．3 分析讨论

3．6 本章小结

第4章 化学成分对组织、性能及焊接性的影响

4．1 前言

4．2 实验方法

4．3 碳元素的影响

4．3．1 碳含量对母材组织及性能的影响

4．3．2 碳含量对焊接性的影响

4．3．3 分析讨论

4．4 微合金化元素铌钛的影响

4．4．1 铌钛对母材组织及性能的影响

4．4．2 铌钛对焊接性的影响

4．4．3 分析讨论

4．5 镍元素含量的影响

4．5．1 镍含量对母材组织及性能的影响

4．5．2 镍含量对焊接性的影响

4．5．3 分析讨论

4．6 本章小结

第5章 12CrNi铁素体不锈钢焊接工艺研究

5．1 引言

5．2 冷裂纹敏感性实验

5．3 焊接工艺实验

5．3．1 实验方法

5．3．2 实验结果

5．3．3 分析及讨论

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文及发明专利

致谢

作者简介