熱處理工藝對CLAM鋼電子束焊焊縫顯微組織與沖擊韌性的影響---論文排版

1、熱處理工藝對CLAM鋼電子束焊縫顯微組織與沖擊韌性的影響胡杰1,2，姜志忠1,3，黃繼華1，陳樹海1，趙興科1，張華1( 1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083; 2.神龍汽車有限公司 技術(shù)中心，武漢 430050; 3.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230000 )胡 杰 摘 要：對聚變堆用中國低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)進行了真空電子束焊接試驗，并對接頭分別進行了焊后調(diào)質(zhì)處理和740保溫不同時間回火處理.利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)對焊縫熱處理前后的顯微組織進行了觀察，并對焊縫進行了室溫沖擊試驗.結(jié)果表明：焊態(tài)下，焊縫由粗大板條馬氏

2、體和鐵素體構(gòu)成，其沖擊韌性較差；回火熱處理后，馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織，鐵素體保存下來，且其晶界聚集了大量M23C6型碳化物.碳化物地聚集使得鐵素體與原奧氏體晶界的結(jié)合減弱，在受到外部載荷作用時，裂紋易于萌生和擴展，因此回火后焊縫沖擊韌性未得到改善；調(diào)質(zhì)處理消除了鐵素體，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)楹湍覆南嗤幕鼗瘃R氏體組織，焊縫沖擊韌性顯著提高.關(guān)鍵詞：中國低活化馬氏體鋼；真空電子束焊；顯微組織；沖擊韌性 中圖分類號：TG457.11 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0253 - 360X(2012)00 - 0000 - 000 序 言收稿日期： 2011-6-20基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目

3、(2008CB717802) 低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)具有較高的抗輻照腫脹能力、較低的熱膨脹系數(shù)以及較高的熱導(dǎo)率等優(yōu)良的熱物理和機械性能，被國際上普遍認(rèn)為是國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)實驗包層模塊(TBM)以及商用聚變示范堆(DEMO)第一壁(FW)的首選結(jié)構(gòu)材料，世界各國均在研究和發(fā)展各自的RAFM鋼1.中國低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)是中國自主研制的RAFM鋼，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，其性能與國外發(fā)展多年的RAFM鋼如(EUROFER 97和JLF-1等)相當(dāng)，被確定為中國參加國際熱核聚變實驗堆計劃建造TBM的結(jié)構(gòu)材料2.由于TBM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，決定了焊接是其主要的加工組裝技術(shù)

4、之一.同時TBM是在高溫、高壓、高能粒子輻照及液態(tài)Li-Pb金屬腐蝕的條件下服役的，因此焊接質(zhì)量及熱處理工藝制定的好壞直接決定了聚變反應(yīng)堆服役的可靠性及安全性3.根據(jù)TBM的結(jié)構(gòu)特點及焊接組裝技術(shù)要求，CLAM鋼典型焊接方法包括熱等靜壓擴散焊4、激光焊、鎢極氬弧焊和電子束焊5.電子束焊接是以高能密度電子束作為能量載體對材料和構(gòu)件實現(xiàn)焊接和加工的新型特種加工工藝方法，它具有焊接能量密度高、焊縫深而窄、熱影響區(qū)小以及焊接速度快等特點，被認(rèn)為是連接TBM第一壁、冷卻板以及其他重要部件的首選方法.姜志忠等5對CLAM鋼電子束焊接頭焊縫及熱影響區(qū)焊態(tài)及高溫回火后顯微組織進行了初步研究，但焊后熱處理工藝僅

5、有740保溫1小時，性能僅測試了接頭顯微硬度，對組織與性能之間聯(lián)系尚未做深入研究.文中以10mm厚CLAM鋼真空電子束焊縫為對象，對焊態(tài)和多種焊后熱處理(PWHT)工藝后焊縫進行了室溫沖擊試驗，研究了對應(yīng)焊縫的顯微組織特征，揭示了顯微組織與沖擊性能之間的聯(lián)系，為進一步系統(tǒng)優(yōu)化CLAM鋼真空電子束焊接工藝和焊后熱處理工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).1 試驗方法焊接用熱軋CLAM鋼板由北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心提供，厚度為10mm，其實測化學(xué)成分見表1.軋后采用離線調(diào)質(zhì)熱處理工藝：淬火(980保溫0.5h，水淬)回火(760保溫1.5h，空冷至室溫)，其顯微組織為回火馬氏體.焊接試驗是在ZDl50-1

6、5A大型高壓電子束焊機上進行的.焊接工藝參數(shù)為：加速電壓120kV；焊接速度600mm/min；聚焦電流330mA；電子束流32mA.焊接接頭形式是兩塊鋼板沿長度方向?qū)樱瑔螇K鋼板尺寸為120mm×50mm×10mm.焊后熱處理工藝共五組：回火熱處理工藝三組，工藝參數(shù)分別為740保溫1h，1.5h及2h，空冷至室溫；調(diào)質(zhì)處理工藝兩組：淬火(980保溫0.5h，水淬)回火(760保溫1.5h及2h，空冷至室溫).表1 CLAM鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of CLAM steelCCrWVMnTaP0.0939.151.

7、490.200.440.0970.0051SNbNiMoBNFe<0.0043<0.01<0.015<0.005<0.005<0.0047余量經(jīng)打磨拋光后的金相試樣用1g苦味酸+5ml鹽酸+95ml酒精混合溶液（Vilella試劑）浸蝕，在Nikon ECLIPSE LV150型光學(xué)顯微鏡和LEO-1450型掃描電鏡下觀察焊縫顯微組織；從焊縫線切割截取未熱處理和經(jīng)過740保溫1h熱處理尺寸為10mm×10mm×0.3mm薄片試樣，砂紙打磨至50m，采用5%HClO4乙醇溶液雙噴減薄，在透射電鏡下觀察薄區(qū)組織形貌，設(shè)備型號為JEM-2000

8、fx；采用碳膜萃取復(fù)型方法制取740保溫1h之后焊縫碳化物復(fù)型試樣，用230目銅網(wǎng)將碳膜撈起晾干后，在F-20透射電鏡下觀察，并進行電子衍射及能譜分析.對CLAM鋼焊態(tài)及熱處理后焊縫進行室溫沖擊試驗，試驗按照GB/T 2650-2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，采用Charpy V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55mm×10mm×7.5mm，沖擊試驗機型號為JB-30B.2 試驗結(jié)果及分析2.1 沖擊韌性試驗結(jié)果2.1.1 焊態(tài)及高溫回火后焊縫沖擊韌性表1為焊態(tài)及回火熱處理后焊縫室溫沖擊韌性試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，焊態(tài)下(室溫25)焊縫的沖擊韌性很低，沖擊吸收功為8J，僅相當(dāng)于焊前母材沖擊吸

9、收功的3.64%.經(jīng)過焊后高溫回火處理，焊縫沖擊韌性改善不明顯，740保溫1h后，焊縫的沖擊吸收功為焊前母材的9.1%.隨著回火時間的增加， 740保溫2h時，焊縫的沖擊吸收功也僅達到焊前母材的7.73%.表2 焊態(tài)及回火處理后焊縫沖擊韌性Table 2 Impact toughness of the weld metal in as-welded condition and after tempering treatments沖擊試驗結(jié)果焊態(tài)焊縫740保溫1h740保溫1.5h740保溫2h母材沖擊吸收功AkV/ J82011172202.1.2 調(diào)質(zhì)處理后焊縫沖擊韌性表3為調(diào)質(zhì)處理后焊縫沖

10、擊韌性試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，調(diào)質(zhì)處理后焊縫沖擊韌性得到極大改善，焊縫沖擊功已經(jīng)基本達到焊前母材的水平.焊態(tài)及熱處理后焊縫沖擊韌性試驗結(jié)果需結(jié)合焊縫的顯微組織來分析.表3 焊態(tài)及調(diào)質(zhì)處理后焊縫沖擊韌性Table 3 Impact toughness of the weld metal in as-welded condition and after normalising and tempering treatments沖擊試驗結(jié)果焊態(tài)焊縫980保溫0.5h,760保溫1.5h980保溫0.5h,760保溫2h母材沖擊吸收功AkV/ J82102182202.2 組織分析2.2.1 焊態(tài)及高

11、溫回火后焊縫顯微組織圖1為CLAM鋼電子束焊接頭橫截面宏觀形貌.從接頭截面宏觀形貌可以看出，電子束焊接形成了上寬下窄，具有明顯“釘子”形貌特征的焊接接頭.焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)三個區(qū)域界限明顯，襯度層次清晰.圖2a為焊態(tài)焊縫顯微組織.焊縫組織為板條馬氏體和鐵素體，鐵素體（圖2a箭頭所指組織）主要以多邊形及針狀形態(tài)分布在原奧氏體晶界或內(nèi)部，其內(nèi)部無析出物產(chǎn)生.焊縫中鐵素體的形成，主要受焊縫金屬的成分和焊接熱循環(huán)條件的影響.由于CLAM鋼中鐵素體形成元素含量較高，主要合金元素Cr含量高達9%，使得奧氏體相區(qū)縮小，鐵素體相區(qū)擴大.在平衡冷卻條件下，首先從液相通過形核、長大方式析出鐵素體；然后進入鐵素

12、體+奧氏體兩相區(qū)，進一步冷卻得到單相奧氏體；最終，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體+珠光體混合組織.但由于電子束焊接能量密度高，焊接速度快，液態(tài)焊縫金屬受周圍冷金屬包圍，高溫停留時間短，鐵素體來不及完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此焊縫金屬仍有鐵素體殘余；同時，由于焊縫冷卻速度極快，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。圖2b為焊縫組織TEM照片，焊縫內(nèi)馬氏體基體具有明顯的板條形貌特征，證實其為板條馬氏體.熱影響區(qū)更母材更母材更焊縫更圖1 焊接接頭橫截面宏觀形貌Fig.1 Macro-appearance of the welded joint(a) SEM (b) TEM圖2 焊態(tài)焊縫顯微組織Fig.2 Microstruc

13、ture of weld metal in as-welded condition板條馬氏體是具有高密度位錯的低碳過飽和鐵素體固溶體，具有極強的硬脆性.而且由于電子束焊接過程是一個快速加熱，快速冷卻的過程，在焊縫發(fā)生固態(tài)相變的過程中產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力.因此，焊態(tài)焊縫的沖擊吸收功很低.對焊接接頭進行740保溫不同時間回火處理，圖3為740保溫1h焊縫顯微組織.焊縫粗大的板條馬氏體組織在經(jīng)過740高溫回火后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l特征明顯的回火馬氏體組織，回火馬氏體TEM組織如圖3b所示.鐵素體(圖3a箭頭所指組織)保存了下來，且其內(nèi)部由于C元素的固溶量很低，經(jīng)回火后無任何析出物產(chǎn)生.(a) SEM (b)

14、TEM圖3 740保溫1h回火熱處理后焊縫顯微組織Fig.3 Microstructure of weld metal after PWHT at 740 for 1h圖4a為740保溫1h回火熱處理后鐵素高倍形貌.由圖可以看到，在回火過程中，鐵素體晶界開始析出斷續(xù)的碳化物.圖5a為析出碳化物的形貌，碳化物尺寸為100 200nm，形態(tài)為長條形.對圖5a箭頭所指長條形碳化物進行電子衍射分析(圖5b)，參照PDF卡片，確定碳化物為M23C6型，具有面心立方結(jié)構(gòu)，電子衍射晶帶軸指數(shù)為0 1 .圖5c為碳化物的能譜分析結(jié)果，由圖可知金屬原子團M主要是Cr，F(xiàn)e，W及少量的V.圖4b和4c分別為740

15、保溫1.5h和2h后焊縫鐵素體高倍形貌.可以觀察到，隨著回火時間的增加，鐵素體晶界的碳化物不斷聚集增多.在保溫2h時，碳化物已完全連在一起，形成了一個較厚的“殼”包裹在鐵素體晶界(圖4c).鐵素體(a) 740保溫1h鐵素體 (b) 740保溫1.5h鐵素體(c) 740保溫2h圖4 740保溫不同時間后鐵素體形貌Fig.4 Morphology of -ferrite of weld metal after tempering at 740 for different hours焊縫熔池凝固階段，在 （奧氏體）相變過程中，奧氏體中富集了大量的C元素，當(dāng)焊縫熔池冷卻至低于Ms點后，C元素固溶在

16、-Fe中，形成了-Fe的過飽和固溶體即馬氏體組織.高溫回火過程中，C元素又以M23C6型碳化物的形式析出.雖然基體馬氏體中Cr，W等強碳化合物形成元素可以減慢C原子的擴散能力，但是由于鐵素體與原奧氏體晶界為界面能較高的大角度晶界，有利于過飽和的C原子向鐵素體晶界擴散富集，并與位于鐵素體晶界的Cr，W等元素形成M23C6型碳化物，同時也阻礙了C元素進一步向鐵素體內(nèi)部擴散.(a) 碳化物形貌(b) 電子衍射花樣(c) 能譜分析圖5 740保溫1h后焊縫碳化物形貌、電子衍射花樣及能譜分析Fig.5 Morphology, electron diffraction pattern and EDS an

17、alysis of carbides of weld metal after tempering at 740 for 1h經(jīng)過回火熱處理，馬氏體板條發(fā)生了多邊形碎化，并形成亞穩(wěn)的位錯亞晶界，從而釋放了焊后冷卻過程馬氏體轉(zhuǎn)變的相變內(nèi)應(yīng)力.同時，回火過程中馬氏體板條間碳化物的析出，有利于降低過飽-Fe的固溶度及晶格點陣畸變，因此，高溫回火后，焊縫的沖擊性能應(yīng)得到極大的改善.但由于焊縫同時存在一定量的鐵素體組織，回火熱處理后，鐵素體晶界聚集了大量的M23C6型碳化物，大量9-12%Cr鋼長期時效的研究表明6，碳化物在鐵素體與原奧氏體邊界聚集，使得鐵素體與原奧氏體晶界的結(jié)合減弱，當(dāng)鋼在受沖擊載荷時，

18、易于裂紋的萌生和擴展，將會使其沖擊和斷裂韌性下降，鐵素體含量越多，對該類鋼的力學(xué)性能的危害越大.通過文中的觀察結(jié)果可知，隨著CLAM鋼回火時間的增加，會導(dǎo)致鐵素體晶界M23C6型碳化物聚集增多明顯，以致740保溫不同時間對應(yīng)焊縫的沖擊韌性均較差，這說明回火過程中CLAM鋼焊縫鐵素體晶界碳化物的析出對焊縫沖擊性能造成了有害影響.2.2.2調(diào)質(zhì)處理后焊縫顯微組織調(diào)質(zhì)處理后焊縫顯微組織如圖6所示.調(diào)質(zhì)處理后，鐵素體已被完全消除，其中調(diào)質(zhì)處理第一步980保溫0.5h后淬火使焊縫得到完全板條馬氏體組織，經(jīng)第二步760下保溫1.5h或2h回火處理后得到回火馬氏體組織.調(diào)質(zhì)處理后焊縫恢復(fù)至回火馬氏體組織，焊

19、縫沖擊韌性得到極大改善. (a) 保溫1.5h(b) 保溫2h圖6 調(diào)質(zhì)處理后焊縫顯微組織Fig.6 Microstructure of weld metal after normalising and high temperature tempering treatments3 結(jié) 論 (1) CLAM鋼真空電子束焊縫焊態(tài)顯微組織由粗大板條馬氏體和鐵素體組成，鐵素體是焊接熔池凝固 相變過程中來不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的殘余組織.焊縫焊態(tài)下室溫沖擊韌性較差. (2) 回火熱處理后，板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，鐵素體保存了下來.同時，在高溫回火過程中，C元素以M23C6型碳化物形式析出，大量分布于鐵素體

20、晶界.在740保溫2h時，碳化物已完全連在一起，形成了一個較厚的“殼”包裹在鐵素體晶界.碳化物地聚集增多削弱了晶界的強化作用，從而在受到外部載荷作用時，易于裂紋地萌生和擴展，因此回火處理后焊縫沖擊韌性未得到改善. (3) 調(diào)質(zhì)處理消除了鐵素體組織，焊縫轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母材相同的回火馬氏體組織.焊縫調(diào)質(zhì)處理后沖擊韌性得到極大改善，已接近焊前母材.參考文獻：1 Hishinuma A, Kohyama A, Klueh R L, et al. Current status and future R&D for reduced-activation ferritic/martensitic stee

21、lsJ. Journal of Nuclear Materials, 1998, 258263:193204.2 Jinnan Yu, Qunying Huang, Farong Wan. Research and development on the China low activation martensitic steelJ. Journal of Nuclear Materials, 2007, 367370: 97101.3 Cardella A, Rigal E, Bedel L, et al. The manufacturing technologies of the Europ

22、ean breeding blanketsJ. Journal of Nuclear Materials, 2004, 329333:133140.4 LI Chunjing, HUANG Qunying, WU Yi-can, et al. Preliminary study on isostatic pressing diffusion welding for China low activation martensitic(CLAM) steelJ. Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2007, 27(1):5558.

23、5 姜志忠, 黃繼華, 陳樹海, 等. 聚變堆用CLAM鋼電子束焊接接頭顯微組織轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能J. 焊接學(xué)報, 2011, 32(3): 4548.JIANG Zhizhong, HUANG Jihua, CHEN Shuhai, et al. Microstructure transformation and mechanical properties of electron beam welded joints of fusion CLAM steelJ. Transactions of the China welding institutions, 2011, 32(3): 4548.6

24、 HU Xiaoqiang, XIAO Namin, LUO Xinghong, et al. Effects of -ferrite on the microstructure and mechanical properties in a tungsten-alloyed 10%Cr ultra-supercritical steel. Acta Metallurgica Sinica, 2009, 45(5): 553558.作者簡介：胡杰，男，1987年出生，碩士研究生，主要從事汽車焊裝方面工作.發(fā)表論文2篇. Email: ustb6242f通訊作者：黃繼華，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師

25、.Email: jihuahuang47.附件：熱處理工藝對CLAM鋼電子束焊縫顯微組織與沖擊韌性的影響胡杰1,2，姜志忠1,3，黃繼華1，陳樹海1，趙興科1，張華1( 1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083; 2.神龍汽車有限公司 技術(shù)中心，武漢 430050; 3.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230000 )摘要：對聚變堆用中國低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)進行了真空電子束焊接試驗，并對接頭分別進行了焊后調(diào)質(zhì)處理和740保溫不同時間回火處理。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)對焊縫熱處理前后的顯微組織進行了觀察，并對焊縫進行了室溫沖擊試驗

26、。結(jié)果表明：焊態(tài)下，焊縫由粗大板條馬氏體和鐵素體構(gòu)成，其沖擊韌性較差；回火熱處理后，馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織，鐵素體保存下來，且其晶界聚集了大量M23C6型碳化物。碳化物地聚集使得鐵素體與原奧氏體晶界的結(jié)合減弱，在受到外部載荷作用時，裂紋易于萌生和擴展，因此回火后焊縫沖擊韌性未得到改善；調(diào)質(zhì)處理消除了鐵素體，焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)楹湍覆南嗤幕鼗瘃R氏體組織，焊縫沖擊韌性顯著提高。關(guān)鍵詞：中國低活化馬氏體鋼；真空電子束焊；顯微組織；沖擊韌性Effects of heat treatment processes on the microstructure and impact toughness o

27、f the weld metal of vacuum electron beam welding on CLAM steelHU Jie, JIANG Zhizhong, HUANG Jihua, CHEN Shuhai, ZHAO Xingke , ZHANG Hua Abstract: China low activation martensitic steels used for fusion reactor were welded with vacuum electron beam welding process, and followed by post-welding heat t

28、reatment (PWHT), including different normalising and tempering treatments and high temperature tempering treatments at 740 for different hours. The characteristics of microstructure of the weld metal were investigated by optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and transmission elec

29、tron microscope(TEM) before and after PWHT. Also, impact toughness tests of weld metal were performed at room temperature. Experimental results indicate that the microstructure of the weld metal in as-welded condition is composed of coarse lath-shaped martensite with high volume fraction of -ferrite. Impact toughness of weld metal in as-welded condition is low. After tempering treatme