保护气体中的氮含量会对双相不锈钢焊接接头延伸率影响有哪些

  浙江至德钢业有限公司在双相不锈钢焊接操作过程中，发现当改变保护气体中的氮含量会对焊接接头的延伸率有很大的影响，而对焊接接头的抗拉强度影响不大；可以得出随着氮含量的逐渐增多，焊接接头的延伸率会有显著的提升，而相对于延伸率焊接接头的抗拉强度在小区间内平缓的下降并不明显。经分析产生这种性能的变化规律，主要是氮元素的作用导致的。因为合金元素会对焊接接头中的两相的形成产生作用，其中主要的铬、钼、钨等元素会促进焊接接头组织中铁素体的形成，相反的镍及氮元素会促进焊接接头组织中的奥氏体相的形成并能较大程度上扩大奥氏体相区。而且氮元素相比于镍元素具有更强的促进奥氏体相形成的作用，因而当增加保护气中的氮含量，会导致接头组织中的奥氏体相的比例提高，最终导致了焊接接头的延伸率得到了大幅度的提升；相对来说焊接接头组织中的铁素体相的含量就会相对降低，从而导致了焊接接头抗拉强度的小幅度的下降。但也不是氮含量越大越好，焊接接头中的含氮量存在一个最大值，超过这个临界值后保护气中氮含量的增加会导致焊接接头的抗拉强度和延伸率都显著下降。尽管氮元素是促进奥氏体相形成元素并能扩大奥氏体相区域，但是随着焊接接头中溶解的氮元素逐渐趋于饱和，奥氏体相的比例也会趋于稳定。而且过多的氮元素不会继续溶解，从而会在熔池中以气体的形式存在，在焊接冷却速度较快情况下，这些氮气无法逸出最后形成了气孔，进而还可导致这部分区域的性能大幅度下降。

  从表中的拉伸试样的断裂位置基本上都是在母材的部分，说明焊缝区的抗拉强度要优于母材区域的抗拉强度。这主要是因为以下几种强化机制的共同作用引起的：

    首先，由于双相不锈钢母材大都保留了轧制的组织奥氏体相和铁素体相沿轧制方向呈带状分布，而在焊接过程中的热作用使得焊缝区域发生了明显的相变，使得焊缝中的铁素体相和奥氏体相相互交错，进而很大程度上阻碍了位错的移动，这种相变强化机制促进了焊缝区强度的提高。 焊接过程中焊缝熔池金属中的铬、钼、镍等原子，在高温环境下会置换原来晶格中的铁原子从而形成置换固溶体，导致了晶格畸变；而对于保护气体中的氮原子则不会形成置换固溶体，但可以进入晶格内形成间隙固溶体，这种间隙固溶体相比于置换固溶体具有更强的晶格畸变。以上两种形成固溶体导致的晶格畸变严重阻碍了位错的滑动，最终这种固溶强化机制一定程度上提升了焊缝金属的抗拉强度。

   最终在以上两种主要的强化机制的共同作用下，使焊缝金属的强度要显著强于母材的强度，进而断裂基本都发生在母材区。通过改变焊接工艺参数中线能量对双相不锈钢进行焊接，对焊接试件加工成的拉伸试样进行拉伸试验，实验结果如表所示。通过表可知，改变焊接线能量会对双相不锈钢焊接接头的抗拉强度及延伸率产生一定的影响：焊接接头的抗拉强度会随着焊接线能量的增大而逐渐下降，而焊接接头的延伸率则随着焊接线能量的增大而逐渐升高。

   当改变焊接过程中的线能量时，随着焊接线能量逐渐的增大，一定程度上延长了铁素体相向奥氏体相的转变的相变时间，从而可以使更多的铁素体相转变为韧性更好的奥氏体相。由于双相不锈钢焊接接头中的奥氏体相的比例增大，使得焊接接头整体的延伸率得到了显著的改善，但是由于接头组织中铁素体相的比例下降最终导致焊接接头整体的抗拉强度下降。同时与前面的讨论相似，由于合金元素在焊接接头中形成置换固溶体及间隙固溶体，在这种固溶强化机制的作用使得接头的强度要高于母材的强度。由于双相不锈钢中具有典型的铁素体与奥氏体两相共存的特征，使得在奥氏体晶粒与铁素体晶粒长大的过程中会相互抑制对方长大，进而使得两相的晶粒得到了细化。这种细晶强化机制会显著提升焊接接头的综合性能，这种机制可以通过霍尔佩奇公式来解释，由于晶粒减小，同样体积内的晶粒数量增多，进而具有更多的晶界。会形成更多的位错塞积，同时会阻碍位错的移动。同时由于晶粒更多，晶界更加曲折，使得裂纹不容易继续扩展，进而提升材料的韧性。同时由于晶粒更多使得每个晶粒的担的变形量更小，进而引起材料的塑性提升。 通过以上的固溶强化机制、相变强化机制、细晶强化机制共同作用下，使得双相不锈钢焊接接头的强度优于母材的强度。