热影响区对焊接质量的影响

在紧靠熔合线的热影响区可以按照温度起落把热循环分为三个时间区段。图7-12代表了一种双相不锈钢有热循环，其组织如前面描述的w（N）=0.1%的2205钢，在高温应该是全铁素体。在时间区段Ⅰ，母材被加热到接近铁素体固溶线温度，在这个温度范围奥氏体开始通过扩散控制的过程转变为铁素体，直到最后整个组织都成为铁素体。在同一温度区间大部分由于先前的热-机械过程而生成的析出物也开始溶解，这些析出物主要是碳化物，特别是氮化物。

图7-12 高Cr_eq/Ni_eq双相不锈钢中靠近熔合线的热影响区经受的热循环，各时间段的反应：Ⅰ区为奥氏体转变成铁素体，析出物溶解；Ⅱ区为全铁素体组织和晶粒长大；Ⅲ区为奥氏体再生成和析出反应（碳化物和氮化物）

（引自Vorol等^[21]）

在时间段Ⅱ，HAZ的温度高于铁素体固溶线，由于没有第二相（奥氏体）或者析出物的阻挡，铁素体晶粒长大，这和铁素体不锈钢中观察到的快速晶粒长大相似。双相不锈钢成分对应的铁素体固溶线温度越低，晶粒长得越大。在全铁素体组织中晶粒长大的程度和在铁素体固溶线以上停留的时间成正比。

在冷却到铁素体固溶线以下温度的时间区段Ⅲ，奥氏体将形核和生长，析出物也将再生成。铁素体-奥氏体相变将由冷却速度控制。较高的冷却速度将遏制相转变，而在HAZ得到较高的铁素体含量。经常把1200～800℃（2170～1470℉）的冷却速度用来定量评定它对铁素体含量的影响。析出物析出的程度也取决于冷却速度，冷速高促使保留更多的铁素体，碳化物和氮化物在铁素体相中的析出就更为显著。

如前所述，在铁素体固溶线以上温度停留的时间对铁素体晶粒长大有剧烈的影响。因为在高于固溶线温度的区间不存在有效阻碍晶粒长大的相组分，所以晶粒显著长大。又因为铁素体晶粒尺寸对韧度和延性有强烈的影响，一般建议要减少在全铁素体温度区间停留的时间。这可以通过控制成分（选择钢种）或者控制热输入和加热、冷却条件来达到。当Cr_eq/Ni_eq降低时，铁素体固溶温度上升，对于一个给定的热循环，则在固溶温度以上停留的时间就会减少（见图7-1）。对于一个固定的Cr_eq/Ni_eq成分，降低热输入则使热循环曲线的梯度变陡，也减少在全铁素体温度区间停留的时间。

双相不锈钢铁素体固溶线温度随成分，大致在1250～1350℃（2280～2460℉）范围内变化。因而在不同成分钢的HAZ中全铁素体区的宽度可以变化很大。从图2-8———2205钢的一个伪二元相图上可以看到：氮含量低的2205钢和2304钢的铁素体固溶温度低而氮含量高的2205钢和超级双相不锈钢的铁素体固溶温度高达1350℃（2460℉）或更高，甚至不存在铁素体固溶温度。Ramirez^[17，20]在最近的工作中指出：除了2304钢，其他所有的双相钢的模拟HAZ在1350℃（2460℉）不可能得到全铁素体组织。所以可以预期在高氮含量的2205钢和超级双相钢中晶粒粗化区都极窄。

图7-13示出了低氮含量的2205钢和2507钢HAZ微观组织。注意：在2205钢的HAZ中粗晶区比2507的要宽得多。这是由于发生了完全铁素化的相变，如图7-12所示。而2507钢的HAZ只是在紧靠熔合线的狭窄区域内出现了晶粒粗化。粗化区实际上只有一个晶粒宽，因为热影响区的峰值温度只是刚超过2507钢的铁素体固溶温度，实际上不允许晶粒粗化。必须指出：在2507钢的HAZ中富铬氮化物的析出更为强烈。

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图7-13 双相不锈钢自动GTAW焊缝的热影响区

a）2205钢[w（N）=0.12%]

图7-13 双相不锈钢自动GTAW焊缝的热影响区（续）

b）2507钢

焊缝金属和热影响区的晶粒都随热输入增加而长大。如图7-14所示，对于2205钢的自动GTAW焊缝，当焊接热输入由0.25kJ/mm增加到1.7kJ/mm时焊缝金属和热影响区的晶粒尺寸增加将近5倍。而对超级双相不锈钢2507，随焊接热输入增加，焊缝金属晶粒也显著长大，然而在HAZ，由于其铁素体固溶线温度高，全铁素体组织只限于沿熔合线的一个很窄的区域，因而晶粒长大被抑制。

图7-14 热输入（铁素体固溶线温度以上停留时间）对铁素体晶粒长大的影响

（引自Lippold等^[16]）