双相不锈钢焊缝金属中的δ-铁素体

双相不锈钢焊缝金属中的
铁素体
孙
咸
（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）
摘要：
探讨了双相不锈钢焊缝中δ-铁素体形成条件、对焊缝性能的影响及控制机理。

结果表明，双相不锈钢焊缝组织是在铁素体基体晶界和晶内分布不同形态奥氏体的双相组织。

在δ铁素体影响因素中，起决定作用的是焊缝的化学成分和冷却速度。

焊缝中δ铁素体数量过高，对焊接接头抗腐蚀性和抗裂性产生不利影响。

工程上所用焊缝中奥氏体与铁素体的最佳相比例应通过工艺评定来确定。

优化焊缝化学成分是控制焊缝奥氏体形成的必要条件，而合理的工艺方法和焊接参数则是控制奥氏体形成的充分条件。

关键词：
δ-铁素体；焊缝金属；奥氏体形成；热输入；双相不锈钢中图分类号：TG113.12；TG457.1文献标志码：A 文章编号：
1001-2303（2019）08-0014-09DOI ：
10.7512/j.issn.1001-2303.2019.08.03Delta ferrite in weld metal for duplex stainless steel
SUN Xian （Institute of Welding Consumables ，Taiyuan University of Technology ，Taiyuan 030024，China ）
Abstract ：
The formation conditions ，the influence on weld properties and the control mechanism of delta ferrite in duplex stainless steel weld are discussed.The results show that the weld structure of duplex stainless steel is a duplex structure of austenite with different morphologies distributed at grain boundaries and in grains of ferrite matrix.Among the influence factors of delta ferrite ，the chemical
composition and cooling rate of weld metal play a decisive role.Excessive amount of delta ferrite in the weld has an adverse effect on the corrosion resistance and crack resistance of the welded joint.The optimum ratio of austenite to ferrite in weld used in engineering should be determined by procedure qualification method.Optimizing the chemical composition of the weld is the necessary condition to
control the austenite formation in the weld ，while the reasonable process methods and welding parameters are the sufficient conditions to
control the austenite formation.
Key words ：delta ferrite ；weld metal ；austenite formation ；heat input ；duplex stainless steel
本文参考文献引用格式：孙咸.双相不锈钢焊缝金属中的δ-铁素体[J].电焊机，2019，49（08）：14-22.
收稿日期:2019-02-27
作者简介:孙咸（1941—），男，教授，主要从事焊接材料及金属焊接性方面的研究和教学工作，对焊接材料软件开发具有丰富经验；
获国家科技进步二等奖1项（2000年），省（部）级科技进步一等奖2项，二等奖3项，1992年获国务院颁发的政府特殊
津贴，已发表学术论文180多篇。

E-mail:sunxian99@ 。

0前言
双相不锈钢是一种低碳、氮合金化的以Fe-Cr-Ni-Mo 合金系为基础的、其室温组织由大约50%铁
素体和50%奥氏体组成的不锈钢。

该钢具有良好的耐腐蚀性和力学性能，焊接性也很好，不仅在石化设备、海洋平台、船舶制造和桥梁建造等行业获得了应用，而且在国内外重大工程建设中成功应用的案例越来越多。

该钢的实用化已经有近40年的历史，
虽然一些单位在掌握该钢焊接工艺方面积累了一
定的经验，但随着应用的进一步扩大，该钢焊接接头的使用性能仍然暴露出一些问题。

除了在厚板横焊时，药芯焊丝焊缝冲击性能数据比较分散之外[1]，在一些情况下，焊缝和HAZ 经历快速冷却的影响，保留了更多的铁素体，增大了接头腐蚀倾向和氢致裂纹敏感性。

关于双相不锈钢焊接方面的研究日渐增多，研究内容大多集中在焊接工艺和接头组织性
能方面，针对焊缝组织研究的甚少。

其实焊缝组织
性能对接头很重要，工艺条件（含热输入）不仅影响热影响区性能，对焊缝性能亦有明显影响。

为此，论文特意将双相不锈钢焊缝中的δ铁素体组织与
焊缝性能相联系，探讨δ铁素体的形成条件、影响因素及控制机理。

该项研究对推动双相不锈钢焊接材料的创新开发、配套工艺的进一步完善，以及工程质量的提升，具有一定参考价值和实用意义。

1
δ-铁素体的组织形态及形成条件
1.1
双相不锈钢焊缝金属组织及形态
两种不同铁素体含量的焊缝组织如图1所示[2]。

可以看出，在铁素体基体分布不同形态的奥氏体是
该组织的主要特征。

奥氏体通常首先沿铁素体晶粒边界形成，然后长大，最终完全覆盖了铁素体晶界；继续生成的奥氏体以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体长出，或在铁素体晶内形成。

不同工艺方法下的双相不锈钢焊缝金相照片如图2所示[3-5]。

可以看出三种奥氏体形态的差别，图2a GTAW 焊缝中的数量较多的奥氏体多以块状和条状分布，图2b SMAW 焊缝中数量较少的奥氏体则以较小块状和条状分布，而图2c SAW 焊缝中的奥氏体以明显的羽状+条块状分布。

SAW 焊缝照片的放大倍数是前2幅的2倍，局部放大的羽状奥氏体形态细节十分清晰。

a 高铁素体含量(FN=100)
b 中等铁素体含量(FN=70)
图1
双相不锈钢焊缝金属组织
a GTAW 焊缝
b SMAW 焊缝
c SAW 焊缝
图2
三种工艺方法时的双相不锈钢焊缝微观组织
不同焊接工艺条件下双相不锈钢焊缝组织的
观察结果如表1所示。

具有铁素体+奥氏体双相组织的焊缝，是填充材料与母材成分、熔合比以及焊缝冷却条件等因素共同作用的结果。

至于其中各相形态、分布的差异与所用焊材和焊接方法，以及热输入等因素有关。

实例①采用GTAW 和SMAW 两种工艺方法，焊丝和电焊条分别为E22.8.3L 和E22.8.3LR ；实例②采用SAW 方法，焊丝和焊剂分别是Avesta 2205和Avesta 805；实例③采用的也是SAW 方法，与
实例②相同的焊接材料，但是焊接规范较大。

1.2焊缝中δ-铁素体形成过程[6]
参考图3所示的Fe-Cr-Ni 相平衡图来分析双
相不锈钢焊缝组织演变过程。

试验焊缝的主要化学成分为：w （C ）=0.13%，w （Cr ）=29.05%，w （Ni ）=8.87%，w （Fe ）=60%。

该合金（以下称合金①）的平衡相变顺序示于图3纵线①。

在平衡状态下，明显的是以初生δ铁素体结晶，随着合金冷却到溶解度曲线之下，发生δ铁素体向奥氏体的转变，室温下形成δ+γ双相
a 1200℃淬火
b 900℃淬火
c 650℃淬火
图4
加热温度对Cr30-Ni10型合金微观组织的影响
组织。

在实际焊接过程中，焊缝金属的快速冷却将阻
止铁素体向奥氏体转变，室温残留的δ铁素体较多。

图3
Fe-Cr-Ni 三元系断面[2](含60%Fe 的截面)
以δ铁素体为初始析出相，凝固终了时得到的
组织完全是铁素体的凝固模式称为F 模式。

在高温固态下δ铁素体是稳定的。

当温度低于δ铁素体固溶线，奥氏体首先沿铁素体晶粒边界成核、生长，最终完全覆盖了δ铁素体晶界。

继续生成的奥氏体以魏氏体侧板条形态从晶界奥氏体长出，或在δ铁素体晶内形成，如图1所示。

合金①固态相变过程中的组织形貌有所不同，如图4所示。

合金①经1200℃水淬后组织为铁素体基体上存在粗大的条状、块状奥氏体（见图4a ）。

随着淬火加热温度的降低，晶粒细化，在铁素体基体上出现了魏氏组织形态的奥氏体（见图4b 、4c ）。

以不同加热温度处理后，铁素体含量的变化如表2所示。

2
δ-铁素体组织的影响因素
2.1
焊缝化学成分的影响
对比合金①和合金②焊后状态焊缝的显微组
a 合金①焊缝,含δ相39.9%
b 合金②焊缝,含δ相26.5%
图5
不同成分焊缝组织(空冷)
织（见表3、图5）可以看出，合金①的焊缝组织为δ
铁素体晶内和晶界分布着块条状和魏氏形态的奥
氏体，δ相含量39.9%（见图5a ）。

这是由于焊接过程的冷却速度快，扩散过程不完全，低温下二次奥氏体γ'沿δ铁素体晶的惯习面和晶粒边界析出的结果。

这种针状（或羽状）的魏氏奥氏体组织具有切变型相变的典型特征。

合金②焊缝组织为奥氏体基体上分布着树枝
状和网状δ铁素体，δ相含量26.5%（见图5b ）。

这是由于母材金属的熔入使焊缝成分改变，导致相变过程发生变化。

尽管初始相仍为δ，但1200℃附近产生了大量γ（参见文献[6-7]），使室温下铁素体的形态和数量均发生了明显的变化。

在双相不锈钢焊缝成分中需要特别关注以下两种成分的影响和控制：
（1）Ni 元素。

为抑制焊接时快速冷却造成焊缝和HAZ 铁素体过量增加，采用焊接材料中的w （Ni ）比母材高2%~4%，即焊缝中增加w （Ni ）至9%左右，使焊缝中奥氏体相占优势，可以消除双相组织不均匀性对接头性能的不良影响。

但是，焊缝中过量的Ni 也没有必要。

因为Ni 量过高可能形成FA 凝固模式，容易产生热裂纹；Ni 量过高还使焊缝中铁素体量较低（20%~25%），降低强度；数量较少的铁素体中还会集中较多的Cr 和Mo ，增加了金属间相的析出倾向。

（2）N 元素。

作为奥氏体化元素的N ，与C 一样是间隙型元素，在高温期间（>1040℃）有很快的扩散速度。

C 因其对耐蚀性的负面作用是不希望的元素，一般要求其含量尽可能低。

这样N 就成为焊接冷却条件下能控制相平衡，促成奥氏体的关键元素。

虽然Ni 和N 两种元素都可以增加奥氏体相的比例并使其稳定，但加N 不仅能够延缓金属间相的析出，而且还可以提高焊缝金属的强度和耐点蚀性能。

目前采用的填充材料，是在提高Ni 的基础上再加入与母材含量相当的N ，以控制焊缝中奥氏体含量为60%~70%。

2.2
冷却速度的影响
冷却速度对255型不锈钢焊缝组织影响的金
相照片如图6所示[2]。

在正常焊接冷却速度下的δ+γ双相组织中（见图6a ），不仅在δ铁素体晶界，而且在δ铁素体晶内均析出了不少奥氏体。

但在淬火组织中（见图6b ）只观察到少量奥氏体沿δ铁素体晶界析出。

在固溶温度以上就存在的粗大δ铁素体晶
粒内没有奥氏体，而有大量的析出反应生成物。

这
些析出物是Cr2N，它们是由于淬火时δ铁素体内的
N很快过饱和而析出的。

这种现象可以在双相不锈
钢的快速冷却焊接工艺方法中，如电阻焊、激光焊、
电子束焊和螺柱焊中出现。

含有大量δ铁素体的焊
缝导致接头力学性能严重下降，而形成的氮化物也
降低了接头的耐蚀性。

a正常焊接冷却速度
b从铁素体固溶线以上温度淬火
图6冷却速度对255型不锈钢焊缝组织的影响
化学成分和冷却速度与焊缝中铁素体含量之
间的关系如图7所示[7]。

图中①、②、③三条曲线分
别代表编号1、2、3三种成分焊缝由δ→γ开始转变
曲线，而a、b两条曲线分别表示两种焊接冷却速度。

从这些曲线能得到δ转变成γ起决定性作用的冷
却时间T12/8，即由1200℃冷却到800℃的时间。

图
的底部给出了焊缝在室温时的铁素体含量。

焊缝①
主要成分为：22%Cr，3%Mo、5.5%Ni，没有额外增加
N，自身开始发生δ→γ转变温度低，它的铁素体含
量最高。

焊接时冷却速度高，使得焊缝铁素体含量
超过80%。

焊缝②主要成分为22%Cr、3%Mo、5.5%
Ni，并添加0.15%N，产生了积极的效果，相当于增
加3个单位的Ni当量，提高了δ向γ转变的起始温
度。

使得焊缝冷却至室温后，奥氏体含量升高而铁素
体含量降低（δ铁素体含量70%~80%）。

焊缝③主要
成分为22%Cr、3%Mo、9.0%Ni和0.15%N，根据ESPY
公式计算，Ni当量约为12（只计算了Ni和N的），进
一步提高了δ向γ转变的起始温度，其铁素体含量
最低（40%~45%）。

比较曲线①和③可以看出，焊缝
中的N和Ni可以大大削弱冷却速度对δ铁素体含
量的影响。

换言之，焊缝成分对δ铁素体含量的影响
大于冷却速度的影响。

图7化学成分尧冷却速度与焊缝中铁素体含量的关系
2.3热输入的影响
采用2209焊丝TIG方法，在4种热输入条件下，
3mm厚2205母材对接接头焊后焊缝金属的显微
组织如图8所示[8]。

可以看出，不同热输入下焊缝中
奥氏体均由板条状魏氏奥氏体和块状奥氏体组成。

随着热输入的增大，块状奥氏体的尺寸逐渐增大，在
其长度方向和宽度方向上均有明显的长大。

值得注
意的是，在热输入为1.8kJ/mm时，部分魏氏奥氏体
有从中间断开的倾向，当热输入增加到2.6kJ/mm
时，组织中魏氏奥氏体数量减少，大部分魏氏奥氏
体板条从中间断开，但是还没有完全转变成独立的
块状奥氏体；当热输入进一步增加到3.4kJ/mm和
4.2kJ/mm时，奥氏体组织大都以块状的形貌出现，
块状奥氏体的分布比较有规律，在铁素体晶粒内沿
某一特定方向成排排列。

图9为两种双相不锈钢采用GTAW方法，改
变焊接热输入时，HAZ中铁素体变化实测结果[2]。

a E 1=1.8kJ/mm
b E 2=2.6kJ/mm
c E 3=3.4kJ/mm
d E 4=4.2kJ/mm
图8不同热输入条件下焊缝金属的显微组织
可以看出，随焊接热输入增大，两条曲线均有下降
趋势；但
2205-低N 钢的曲线位于2507-高N 钢上方。

表明整体上2205-低N 钢HAZ 的铁素体量高于2507-
高N 钢。

也就是说，后者HAZ 的奥氏体转变量高于前者。

因为HAZ 奥氏体转变主要受材料成分的控制。

2507-高N 钢含有0.24%~0.32%的N ，使该钢的Ni 当量增加，提高了δ向γ转变的起始温度，使得焊缝冷却至室温后，奥氏体含量升高而铁素体含量降低。

两条曲线的变化比较平缓，尤其是后者。

即热输入只引起HAZ 铁素体含量轻微的变化，而两种钢成分（铬镍当量比）差别的影响远甚于热输入的影响。

2.4拘束度的影响
应力诱发相变，如应力诱发马氏体相变是许多材料，如碳素钢、低合金钢、高强钢，甚至单相奥氏体不锈钢都具有的金属学现象。

对于双相不锈钢，并
不缺乏关于冷轧变形诱发马氏体相变的报道[9]，
也有热轧变形过程中的形变诱导铁素体和奥氏体之间的相变报道[10]。

但是，关于焊接应力诱发双相不锈钢焊缝金属相变的文献极其罕见。

表4列出了两种双相不锈钢焊缝在不同拘束应力下焊接时铁素体含量变化的实测数据[6]。

图10为同种钢焊缝在两种拘束状态下焊接时焊缝显微组织。

其中图10a 为大拘束状态下相变结果，图10b
为无拘束状态下相变结果。

δ铁素体含量分别为39.9%
和54.5%，都是以铁素体为基，析出条块状+魏氏形态的二次奥氏体γ'，所不同的是大拘束焊缝中γ'数量较多，尺寸较小。

异种钢焊缝中，随拘束应力增大，焊缝中铁素体含量增多，均匀区尺寸较宽。

比较上述结果发现，接头拘束的作用，对同种钢焊缝会使δ铁体素减少，而对异种钢焊缝却使铁素体相增加。

这可以用固态转变过程中拘束应力对基体组织稳定性的影响来解释。

同种钢焊缝时，基体为δ铁素体，析出相为奥氏体，拘束应力引起的应变降低了铁素体基体的稳定性，促使δ-γ转变，从而使δ铁素体减少。

异种钢焊缝时，拘束引起的焊缝应变破坏了奥氏体基体的稳定性，发生γ-δ转变。

拘束应力越大，铁素体含量越多，晶粒也越细。

图9焊接热输入对双相不锈钢焊接HAZ 铁素体含量的影响
关键是同种钢与异种钢焊缝组织的基体不同。

焊缝成分的变化决定了组织基体类型，异种钢焊缝变为奥氏体基体，很大程度是焊缝受到母材稀释的结果。

拘束应力对不同类型基体组织的稳定性影响，导致了铁素体含量的变化。

3焊缝中δ-铁素体对焊缝性能的影响
双相不锈钢焊接材料的选择通常遵循“成分匹
配”原则，即选用与母材成分基本相同的同类焊接
材料。

然而采用严格的等成分匹配时，焊缝被母材稀释，焊缝金属中的镍当量下降
，焊缝将
会偏离所需的最佳α→γ转变平衡，产生高的铁素体含量，奥氏体含量不足，焊缝的韧性和耐腐蚀性能下降，严重影响接头的使用性能。

为此，可以采用一种“准成分匹配”选用原则。

所谓准成分匹配原则，是指填充金属的Cr 含量应与母材接近或相等，同时提高Ni 含量并添加适量的N ，以确保熔敷金属中具有适当的相平衡（即铁素体与奥氏体的相比例），以获得所需的强度、韧性和抗裂性，以及不低于母材的耐腐蚀能力。

文献[7]介绍，焊缝和HAZ 铁素体含量超过60%时会对焊接接头抗腐蚀能力产生不良影响，这是由于过多的铁素体使铁素体和奥氏体的不均匀性增加所致。

当焊缝中的铁素体含量超过70%时，则在高焊接应力的情况下会出现氢致冷裂纹。

如果填充材料含氢量很高，焊缝也会出现冷裂纹。

含氮双相不锈钢焊缝中δ铁素体含量、化学成分和接头力学性能实例如表5所示。

可以看出，焊缝中δ铁素体含量约为30%时，接头可以获得令人满意的韧性和良好的抗腐蚀能力。

2205双相不锈钢厚板TIG 焊接时两种焊缝组
织形态对接头韧性影响实测结果如表6所示[11]。

可以看出，焊缝中铁素体为47%时，焊缝组织中奥氏体析出更加完全，晶粒较细、分布较为均匀，焊缝的韧性指标高于标准值，很满意。

关于焊缝中铁素体最佳含量，不同文献试验结果有一些差异，这是由于试验条件不同，包括母材、焊缝成分，以及热输入、焊缝冷却条件等所造成的。

文献[7]推荐的焊缝中铁素体含量为30%~40%。

通常工程上所用焊缝最佳相比例应当通过工艺评定来确定。

4焊缝中δ-铁素体组织控制机理
双相不锈钢焊缝中δ-铁素体组织可以考虑从以下几个方面进行控制，如表7所示。

（1）焊接材料的选择。

按照“准成分匹配”选用原则，根据合金化原理调整和控制所需元素含量，最终获得奥氏体形成条件，确保焊缝中正确的铁素体和奥氏体相比例。

（2）焊接工艺方法的选用。

基于焊材中Cr 、Ni 、N 含量的作用原理，虽然SAW 方法焊接热输入较大，
a 铁研试验焊缝,含δ相39.9%
b 熔敷金属,含δ相54.5%
图10
两种拘束状态下同种钢焊缝显微组织(空冷)
注：SMAW 热输入9~11kJ/cm ，GMAW 热输入20~22kJ/cm ，φ（Ar ）97.5%+φ（CO 2）2.5%，不预
热层间温度100~150℃。

a 1号WM (γ:α=33:67)
b 2号WM (γ:α=53:47)
图11不同相比例焊缝金属金相组织
但在一个合适的热输入范围内，总能够在获得δ→
γ转变更完全的奥氏体形成条件。

与SAW 相类似，在其余4种方法中，亦比较容易找到合适的热输入范围，获得奥氏体形成条件。

上述工艺方法在一定的焊接参数下获得所需铁素体含量的双相不锈钢焊缝组织，已经是不争的事实。

（3）焊接参数的选用。

涉及焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体类型及流量、预热温度、层间温度等，以及其他辅助工艺参数。

这些参数最集中的体现就是焊接热输入的影响。

换言之，在优质、高效生产前提条件下，控制焊缝的冷却速度，使焊缝、HAZ
获得δ→γ转变更完全的奥氏体形成条件。

不难看出，焊接材料的选择是双相不锈钢焊缝形成δ-铁素体组织的成分因素，也是控制铁素体与奥氏体相比例的必要条件；而工艺方法和焊接参数的选用，则是形成具有一定相比例铁素体-奥氏体双相组织的结晶因素，也是控制铁素体与奥氏体相比例的充分条件。

虽然二者缺一不可，但与后者（工艺方法、焊接参数）相比，焊缝的成分条件是形成焊缝组织的最重要条件。

5结论
（1）双相不锈钢焊缝组织是在铁素体基体晶界和晶内分布着不同形态奥氏体的双相组织。

双相组织相比例及形态的差异与所用焊接材料、焊接方法及热输入等因素有关。

（2）在多种δ铁素体组织的影响因素中，起决定作用的是焊缝的化学成分和冷却速度，但前者的影响大于后者。

（3）焊缝中δ铁素体数量过高，对焊接接头抗腐蚀性和抗裂性产生不利影响，工程上所用焊缝中奥氏体与铁素体的最佳相比例，应当通过工艺评定来确定。

（4）优化焊缝化学成分是控制焊缝奥氏体形成的必要条件，而合理的工艺方法和焊接参数则是控制奥氏体形成的充分条件，二者缺一不可。

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