高温时效处理对310S不锈钢焊接接口性能的影响

　　不锈钢由于具有优良的耐腐蚀性能，广泛用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家用电器等行业。310不锈钢具有优良的高温力学性能及抗高温氧化性能，作为结构材料广泛运用于石化工业[1-3]，在不锈钢加工工艺中，焊接是最主要的加工技术。特别是石化行业对焊接工艺和质量的要求更高[4-5]。过去对310S不锈钢的高温碳、硫腐蚀作过一些研究，碳易产生晶间腐蚀，硫增加导致热脆性[6-9]。但都局限于原始状态，对于此种材料长时间高温时效处理对其焊接性能有何影响很少报道。本文对普通燃煤中长时间高温时效后的310S不锈钢的焊接行为进行研究，为石化工业结构材料在高温腐蚀环境中长期使用提供参考。

　　1 实验材料及方法

　　将化学成分如表1所示的310S不锈钢板80mm×20mm×5mm的试样若干，采用不锈钢焊条氩弧焊对焊成尺寸为160mm×20mm×5mm的试样若干(焊接接口在中间)。与普通燃煤一起装入密封罐体内，在马弗炉中分3个温度，3个保温时间以表2的工艺进行高温时效处理，以便研究煤中的碳、硫对焊缝的影响(因为310S常用在煤转换化工中)。

　　将不同温度、不同时间处理的试样采用10%的氯化铁腐蚀溶液腐蚀，在XJL-03型金相显微镜下观察。拉伸试验在AG-250KNIS 型拉伸试验机上进行，试样尺寸160mm×10mm×5mm。在摆锤冲击试验机上按照国标GB2106-1980作“V”型冲击韧性实验，试样尺寸为80mm×20mm×5mm( 焊缝在沿试样长度方向的中间)。对断口使用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)。采用XRD-7000型X 射线衍射仪对其组织结构进行分析，用铜靶Kα线(λ=0.15406nm)，扫描速度4°/min，扫描范围2θ取20～80°。并对高温处理前后材料的化学成分采用能谱和光谱进行定量分析。

　　2 实验结果与分析

　　2.1 310S在不同温度下处理的显微组织

　　图1是310S在不同温度下长时间停留后的组织，可以看出，未经过处理的原始试样的显微组织主要是奥氏体和碳化物，晶粒较大，焊缝清晰; 经650、720和800℃高温时效处理后，晶界明显，有析出物产生，650℃与 800℃时晶粒基本一致，而在720℃时，晶粒长大较为明显，这是不锈钢在700℃附近比较敏感，保温时间延长对显微组织影响不大，但能看到在焊缝处有一些黑色点状的物质析出，这是与煤长时间接触，碳的扩散导致一些碳化物的形成，由图2XRD中看到明显的碳化物K峰。

　　2.2 310S性能测试结果

　　表3是310S在不同温度下长时间停留后性能测试结果。可以看出，310S经A、B、C3个工艺处理后对屈服强度和抗拉强度影响不大，只是在800℃处理时有点降低，但对冲击值的影响较大，且随处理温度的升高，冲击值下降越明显。这一方面说明冲击韧性表征温度和缺口的敏感特性，另一方面正如前述显微组织在高温下焊缝处有碳化物相的析出导致其值大大降低。这说明焊缝受温度和时间的影响较大。再者，无论那个工艺，屈服强度在没有焊缝堆积时其值均大于有焊缝堆积的状况，估计在焊缝处造成了一定的应力集中。抗拉强度也有类似的结果，但在800℃时情况则相反，说明高温下晶粒长大后与常温性能不一致。断裂位置在较低温度一般在母材处断裂，而在较高温度800℃下则在焊缝区断裂，说明高温使用对焊缝的影响较大。