不锈钢焊缝的组织结构分析

2.2.3.1 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢焊缝的组织决定于熔池金属凝固行为及其固态相变过程，奥氏体不锈钢凝固时，以铁素体或奥氏体初始结晶析出为主，凝固后焊缝金属冷却到室温的过程会发生附加的相变。奥氏体不锈钢焊缝金属主要有4种凝固和固态相变模式，见表2.2-2。其中A和AF凝固模式都是以奥氏体为初始析出相的凝固过程，凝固时首先形成奥氏体，而FA和F凝固模式都是以δ铁素体为初始析出相的凝固过程。

表2.2-2 奥氏体不锈钢焊缝金属凝固过程类型及组织特征

全奥氏体凝固模式（A）的焊缝组织如图2.2-4a所示。奥氏体-铁素体（AF）凝固模式是由于在凝固时有足够的铁素体形成元素（Cr、Mo等）偏聚在亚晶界上而促使形成了铁素体，其焊缝组织如图2.2-4b所示。铁素体-奥氏体（FA）凝固模式下焊缝组织形态为：骨架状铁素体和板条状铁素体及少量奥氏体，如图2.2-5所示。铁素体（F）凝固模式形成焊缝组织如图2.2-6所示。图2.2-7所示为不同凝固模式形成的焊缝组织。

图2.2-4 A及AF凝固模式形成的焊缝组织示意图

a）A凝固模式 b）AF凝固模式

图2.2-5 FA凝固模式形成的焊缝组织示意图

a）骨架状铁素体 b）板条状铁素体

2.2.3.2马氏体不锈钢

马氏体不锈钢是以Fe-Cr-C三元合金为基础的一类不锈钢，通常焊接条件下较快的冷却速度促使其焊缝主要以马氏体组织存在。马氏体不锈钢的熔池凝固成δ铁素体，在某些情况下，焊缝凝固终了时会形成奥氏体或奥氏体+铁素体的混合物。焊缝金属继续冷却时δ铁素体转变为奥氏体，而在低于大约1100℃时形成完全的奥氏体组织；进一步冷却时奥氏体将转变为马氏体。这种组织转变过程为：L→L+F_P→F_P+A→A→马氏体（M）。

如果一些铁素体是在凝固终了时形成的，则可能充分富集铁素体形成元素（含Cr、Mo等元素），在凝固温度以下冷却时不转变为奥氏体，而是残留在焊缝晶界或亚晶界，最终焊缝金属组织将会含有马氏体和共晶铁素体的混合组织。这种组织转变过程为：

L→L+F_P+（A+F_e）→F_P+A+F_e→A+F_e→M+F_e。此外，某些初始铁素体也有可能在高温时不完全转变成奥氏体，而在冷却时残留在组织中直至室温，形成马氏体+先共析铁素体两相组织，其组织转变过程为：L→L+F_P→F_P→A+F_P→M+F_P。

2.2.3.3 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢主要是以铁素体组织为主的一类不锈钢，具有良好的耐蚀性，其焊接过程中焊缝主要以铁素体组织为主，常伴随一定的碳化物和氮化物析出。铁素体不锈钢凝固时的初始析出相为铁素体，熔池凝固后焊缝的组织通常是完全铁素体组织或铁素体+马氏体的混合组织，其中马氏体主要位于铁素体晶界附近。因此铁素体不锈钢焊缝金属可能有三种凝固和组织相变过程。

1.完全铁素体组织

其相变过程为：L→L+F→F，即铁素体元素含量相对于奥氏体形成元素含量的比例较高，在高温时奥氏体完全不能形成。一般发生在低铬钢（C含量较低）、加入了Ti、Nb等碳化物形成元素的中铬钢以及高铬钢等中。

图2.2-6 F凝固模式形成的焊缝组织示意图(www.xing528.com)

a）针状铁素体 b）铁素体+魏氏体状奥氏体

图2.2-7 不同凝固模式形成的焊缝组织

a）全奥氏体凝固模式（A模式）得到的焊缝组织

图2.2-7 不同凝固模式形成的焊缝组织（续）

b）AF模式凝固得到的焊缝组织 c）FA模式凝固形成的焊缝组织：骨架状铁素体

图2.2-7 不同凝固模式形成的焊缝组织（续）

d）FA模式凝固形成的焊缝组织：板条状铁素体 e）F模式凝固形成的焊缝组织：在铁素体晶界上形成魏氏体状奥氏体

2.铁素体+马氏体混合组织

其相变过程为：L→L+F→F→F+A→F+M，焊缝凝固后得到完全的铁素体组织，而铁素体在固相的某一高温区间是稳定的，在随后冷却过程中，在高温有一些奥氏体将沿着铁素体晶界形成，当焊缝冷却到室温时，这些奥氏体将转变为马氏体组织。

3.铁素体+高碳马氏体组织

其相变过程为L→L+F→L+F+A→F+A→F+M（高碳），在焊缝金属凝固从析出先共析铁素体开始，在凝固终了时通过复杂的包晶-共晶反应将会形成一些奥氏体组织，在快速冷却到室温时，奥氏体转变为马氏体。其形成过程位于w（C）≥0.15%相平衡区间。2.2.3.4双相不锈钢

双相不锈钢是一类铁素体+奥氏体的不锈钢，具有优良的耐蚀性和高的硬度、强度。双相不锈钢的相变过程决定了焊缝金属的组织，一般双相不锈钢相变过程为：L→L+F→F→F+A。双相不锈钢焊缝金属主要由奥氏体和铁素体的混合组织构成，焊缝金属凝固开始时生成铁素体，凝固终了时一般不形成奥氏体，因此在焊接高温过程中铁素体相对稳定；而当温度低于铁素体固溶线，奥氏体首先沿着铁素体晶粒边界形成，继续形成的奥氏体将以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体生长，或在铁素体晶内形成。图2.2-8所示为典型双相不锈钢焊缝组织。

图2.2-8 双相不锈钢焊缝组织

a）高铁素体含量 b）中铁素体含量

此外，目前双相不锈钢中基本都加入了氮元素，以提高焊缝金属的强度，改善耐点蚀能力。然而在快速冷却条件下，焊缝铁素体中溶解的氮可能会产生氮化物析出（Cr₂N），将会显著降低焊缝金属的塑性、韧性并降低耐腐蚀能力。