铁素体—奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能
3 实验过程与实验结果分析
3.1 焊接材料和焊接方法的选择
（1）焊接材料的选择
异种钢焊接材料的选择首先要考虑焊接接头在运行中的工作温度。焊接材料应保证异种钢接头在工作温度下接头熔合区组织的均匀性和稳定性。同时焊缝金属的物理性能必须与二种母材相匹配，最大限度地减小接头运行中的热应力。焊缝金属的高温强度也应与母材匹配。并能适应焊接过程中发生的两种母材对焊缝的稀释，形成致密焊缝。
本文实验采用的母材分别为430铁素体不锈钢与304奥氏体不锈钢。母材规格统一为200mm×80mm×6mm，每种母材各两块。实验所用焊条规格为φ2.5mm，焊条牌号：Inconel—182。在焊接实验之前对母材要焊接的边缝先用水进行去污处理，保证母材表面的洁净。之后再对边缝进行打磨，去掉表面的氧化层，露出金属光泽。最后在用工业酒精对其表面进行最终清理，保证焊接时不受表面杂质的影响。为了避免在焊接过程中产生气孔，焊接实验前我们要对焊条进行消除水分处理，具体操作如下，首先选择所使用焊条的数量，然后把焊条放到热处理炉中加热到200℃后，保温两个小时，最后焊条冷却后将其放入保温桶中以方便使用。母材平板对焊时为了尽量减少母材的变形要进行双面点焊，以确保母材因高温而发生过量变形。下面介绍下430铁素体不锈钢、304奥氏体不锈钢及焊条Inconel—182的化学组成成分和力学性能。如下表3-1所示：
表3-1 材料的化学成分和力学性能参数
材料 C S P Si Mn Cr Mo Ni σb σs δs
430 0.12 0.03 0.03 0.75 1.0 16.0—18.0 2.0 0.6 ≥450 ≥205 ≥22
304 0.08 0.03 0.04 0.07 2.0 18.0—20.0 0.75 8.0—11.0 ≥520 ≥205 ≥40
Inconel—182 0.10 0.01 0.04 1.0 6.0 13.0—15.0 3.5 59.0 650 552 30
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（2）材料性能
以下简单介绍所选材料原因：
① 430不锈钢具有良好的耐腐蚀性，抗氧化性能，导热性能良好，热膨胀系数比奥氏体小，耐热疲劳。并添加了稳定化学元素钛，焊缝位置机械性能好。
② 304不锈钢是应用最为广泛的一种铬—镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、较好的抗晶间腐蚀性能、低温强度和机械特性，还具有良好的加工性能和可焊性。
③ Inconel—182焊条适用于手工电弧焊接，用这种焊条形成的焊缝金属具有很高的高温强度和抗氧化能力，适用于异种材料的焊接。它的物理性能、蠕变强度与两种母材相匹配，热膨胀系数介于两种母材之间，有能力承受两种母材的稀释而不形成对裂纹敏感的组织。而且在使用温度下能保持组织的稳定性，尽量不发生碳扩散以及产生有害碳化物相。Inconel—182焊条的化学组成成分也与母材也比较接近，其中Ti、Cr、Si 、Mo的含量较合理（如表3-1所示），在一定程度上提高了焊接接头的抗裂性降低了接头的热裂倾向，并且它的屈服强度、延伸率等机械性能均与母材相接近。因此，在进行焊接时采用Inconel—182能很好的保证焊接质量，降低了因焊接材料热膨胀系数的差异、蠕变强度不匹配、组织成分差别大等因素给焊接接头带来的热裂纹、组织脆化等问题的发生。
（3）焊接方法与工艺
异种钢焊接时，为了将焊缝金属的稀释率控制在所要求范围内，对焊接工艺提出了较高要求。特别是采用镲基台金材料焊接时，容易产生夹渣、未熔合。热裂缝等缺陷。鉴于操作水平有限，实验选择的手工直流电弧焊的方法，接头形式为不开坡口的平板对接，焊丝为φ2.5mm的镍基合金Inconel—182。焊接规范参数：焊接时所选择的电流为70A，电压为16V，焊接速度为45～60mm/分。在试板两端焊接固定焊缝后，以上述规范焊接80mm长试验焊缝。焊后于室温下放置24小时。焊接后的试样如图3-1所示：
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图3-1焊接试样
3.2 实验过程及结果分析
对接头外表面观察，焊缝呈银白色的金属光泽，属于良好的保护等级，经宏观检查，焊缝截面丰满，余高合理，未发现气孔、未熔合及未焊透等缺陷。焊前未预热，焊后未发现焊接裂纹，表明焊接接头质量合格。
3.2.1 金相组织观察试验
3.2.1.1 试样准备与注意事项
金相试样的准备包括取样、制样及组织显示三个步骤： （1）取样
材料不同部位、不同方向上的纤维组织往往不同，应根据检验的目的有针对性的选取试样。试样的尺寸以磨制方便为宜，在10～25mm范围内，过大会使磨样的时间过长，过小则使磨样表面不易保持平面，试样的高度以15mm左右为宜。取样方法有很多，有机械切割、电弧切割、电解切割等。无论何种方法切割都必须保证试样表面的显微组织不因切割而发生变化，必要时应采用冷却措施。目前采用最多的是砂轮片切割，它适用于各种各种硬度的金属材料，表面也比较光洁，本实验采用的是机床线切割。 （2）制样包括镶嵌、抛光与磨光
镶嵌，对于形状不规则、过软、过小、易碎或边缘时主要观察部位的试样及其他难以磨制 的试样，应镶嵌后进行磨制。常用的镶嵌方法有机械夹持法，热压法冷镶嵌等。
磨光是将切下的试样经砂轮打平，再依次在一系列由粗到细的金相纱布或砂纸上磨平；抛光则是将磨平的试样在织物上抛亮。根据磨料的粗细又可分为粗磨、
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细磨以及粗抛与细抛，粗细之间并无明显的界限。使用磨料时也有相应的要求，应具有高的硬度、不易破碎、颗粒均匀。以保证良好的切削性能。对抛光织物的要求是纤维要柔软、坚韧耐磨。根据绒毛长短可以分为三类，长毛类，无毛类，短毛类。 （3）组织显示
抛光后的表面在显微镜下只能看到夹杂物、石墨孔洞及裂纹等。要观察内部组织，必须进行适度的侵蚀，使组织充分显示。常用的方法有化学显示、电解显示及着色显示。化学显示，将抛光好的试样表面在侵蚀剂中侵蚀或用蘸有侵蚀剂的棉球擦拭抛光表面，直至表面失去镜面关泽为止。化学侵蚀剂显示组织的原理是化学溶解或电化学溶解，晶内和晶界，不同相之间的电位不同。在侵蚀剂作用下电位较负的区域优先溶解，从而显示了晶界及组织。常用的侵蚀剂有很多，应根据材料成分和观察目的选择合适的侵蚀剂。
金相观察注意事项：
① 适度侵蚀 以应重新抛光后再进行侵蚀。刚好能显示组织的细节为度。如掌握不好，可先适度侵蚀，先观察后如发现细节尚未显示，再逐次加深，若侵蚀过度
② 清水冲洗 侵蚀终止后立即用清水冲洗，再用酒精冲洗试样表面以去除水分，最后用吹风机吹干。操作不好时容易在表面留下水渍，影响制样质量，如采用热水浴冲洗效果更好
③ 立即观察 冲洗后应立即观察，或置于干燥瓶中，否则容易引起试样表面氧化，产生假象
④ 高倍观察时的侵蚀程度应比低倍观察浅一些
⑤ 同一组织采用不同的侵蚀剂，显示效果不同，试用前应了解侵蚀剂的性质。
同样还有电解显示和着色显示方法。电解显示的装置和操作过程与电解抛光相同，只是前者使用的电压较低。着色显示的基本原理是依靠薄膜干涉而增加各相之间的衬度或者具有不同的色彩。在实际工作中还有采用一些其他的显示方法，如热蚀法、恒电位侵蚀法及磁蚀法，他们适用于一些特殊的材料或侵蚀需要。 3.2.1.2 试样金相组织观察
对焊接接头的焊接质量进行外观和内部的检查。用线切割方法在焊接区域截
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取试样，经过磨制和抛光后，对试样焊接区域采用强腐蚀性溶液（硝酸与盐酸的质量分数比为1：3）进行侵蚀一系列试验步骤后，用金相显微镜对不锈钢焊接区域的组织结构进行观察分析。为了作对比分析本实验对母材也做了金相组织观察如图3-2、3-3所示：
图3-2 铁素体430金相组织 图3-3 奥氏体304金相组织
焊接试样金相图：
图3-4铁素体侧热影响区 图3-5奥氏体侧热影响区
图3-6焊缝组织 图3-7奥氏体母材组织
3.2.1.3 焊接接头组织金相分析
金相观察表明，熔合区左侧母材结构为未发生相变铁素体结构，晶界上有少量的奥氏体组织；接下来的熔合区为粗大的铁素体晶粒，这些区域因组织粗大、不均匀和化学成分的变化，成为整个接头区力学性能和耐蚀性的薄弱环节；铁素体侧热影响区受焊接热循环影响的作用，晶粒长大，由于各晶粒取向不同，导热
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