第4章不銹鋼焊接

1、第4章 不銹鋼及耐熱鋼的焊接 不銹鋼是耐蝕和耐熱高合金鋼的統(tǒng)稱。不銹鋼通常含有Cr（wCr12%）、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和較好的力學(xué)性能，適于制造要求耐腐蝕、抗氧化、耐高溫和超低溫的零部件和設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛，其焊接具有特殊性。4.1 不銹鋼及耐熱鋼的分類及特性不銹鋼及耐熱鋼的分類及特性4.1.1 不銹鋼的基本定義不銹鋼的基本定義 不銹鋼的定義 不銹鋼是指能耐空氣、水、酸、堿、鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的，具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱，對(duì)其含義有以下三種理解： (1) 原義型 僅指在無(wú)污染的大氣環(huán)境中能夠不生銹的鋼。 (2) 習(xí)慣型 指原義型含義不銹鋼與能耐

2、酸腐蝕的耐酸不銹鋼的統(tǒng)稱。 (3) 廣義型 泛指耐蝕鋼和耐熱鋼，統(tǒng)稱為不銹鋼 我國(guó)目前所謂不銹鋼是指習(xí)慣型含義。不銹鋼及耐熱鋼的 主要成分為Cr和Ni。 4.1.2 不銹鋼及耐熱鋼的分類不銹鋼及耐熱鋼的分類1按主要化學(xué)成分分類(1) 鉻不銹鋼 指Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于12%30%之間的不銹鋼，其基本類型為Cr13型。(2) 鉻鎳不銹鋼 指Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于12%30%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于6%12%和含其他少量元素的鋼種，基本類型為Cr18Ni9鋼。(3) 鉻錳氮不銹鋼 屬于節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分中部分鎳被錳、氮替代，可減少鎳的含量。氮作為固溶強(qiáng)化元素，可提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度而并不顯著損害鋼

3、的塑性和韌性，同時(shí)提高鋼的耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕，如晶間腐蝕、點(diǎn) 腐 蝕 和 縫 隙 腐 蝕 等 。 這 類 鋼 種 如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。2按用途分類不銹鋼（指習(xí)慣型含義） 包括大氣環(huán)境下及有浸蝕性化學(xué)介質(zhì)中使用的鋼，工作溫度一般不超過500，要求耐腐蝕，對(duì)強(qiáng)度要求不高。(2) 抗氧化鋼 在高溫下具有抗氧化性能的鋼，它對(duì)高溫強(qiáng)度要求不高。工作溫度可高達(dá)9001100。常用的鋼有高Cr鋼（如1Cr17、1Cr25Si2）和Cr-Ni鋼（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）。(1)(3) 熱強(qiáng)鋼 在高溫下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高溫強(qiáng)度

4、，工作溫度可高達(dá)600800。廣泛應(yīng)用的是Cr-Ni鋼，以Cr12為基的多元合金化高Cr鋼（如1Cr12MoWV）也是重要的熱強(qiáng)鋼。 3按組織分類 按空冷后室溫來分類，是應(yīng)用最廣泛的分類方法。奧氏體鋼 是在高鉻不銹鋼中添加適當(dāng)?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%25%）而形成的具有奧氏體組織的不銹鋼。它是應(yīng)用最廣的一類，以高Cr-Ni鋼最為典型。 (2) 鐵素體鋼 顯微組織為鐵素體，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.5%32.0%范圍。主要用作耐熱鋼（抗氧化鋼），也用作耐蝕鋼，如1Cr17、1Cr25Si2。鐵素體鋼以退火狀態(tài)供貨。 (1)(3) 馬氏體鋼 顯微組織為馬氏體，這類鋼中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%18.0%。

5、 Cr13系列最為典型 ，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不銹鋼。熱處理對(duì)馬氏體鋼力學(xué)性能影響很大，須根據(jù)要求規(guī)定供貨狀態(tài)，或者是退火態(tài)，或者是淬火回火態(tài)。 (4) 鐵素體奧氏體雙相鋼 鋼中鐵素體占6040，奧氏體占4060，故常稱為雙相不銹鋼。這類鋼具有極其優(yōu)異的抗腐蝕性能。 (5) 沉淀硬化鋼 經(jīng)時(shí)效強(qiáng)化處理以形成析出硬化相的高強(qiáng)鋼，主要用作高強(qiáng)度不銹鋼。典型的有馬氏體沉淀硬化鋼，如0Cr17Ni4Cu4Nb，簡(jiǎn)稱17-4PH；半奧氏體（奧氏體馬氏體）沉淀硬化鋼，如0Cr17Ni7Al，簡(jiǎn)稱17-7PH。所以，也常稱這類鋼為PH不銹鋼（Preci

6、pitation Hardening Stainless Steels）。 隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，上述五類鋼種也得到較大發(fā)展，突出表現(xiàn)為陸續(xù)誕生超級(jí)奧氏體不銹鋼、超級(jí)馬氏體不銹鋼、超級(jí)鐵素體不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼以及馬氏體時(shí)效不銹鋼。4.1.3 不銹鋼及耐熱鋼的特性不銹鋼及耐熱鋼的特性1不銹鋼的物理性能 不銹鋼及耐熱鋼的物理性能與低碳鋼有很大差異，如表4-1所示。組織狀態(tài)同類的鋼，其物理性能也基本相同。 l 一般地說，合金元素含量越多，熱導(dǎo)率越小，而線膨脹系數(shù)和電阻率越大。馬氏體鋼和鐵素體鋼的約為低碳鋼的1/2，其與低碳鋼大體相當(dāng)。奧氏體鋼的約為低碳鋼的1/3，其則比低碳鋼大50%，并隨著溫度的

7、升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應(yīng)地提高。由于奧氏體不銹鋼這些特殊的物理性能，在焊接過程中會(huì)引起較大的焊接變形，特別是在異種金屬焊接時(shí)，由于這兩種材料的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)有很大差異，會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，成為焊接接頭產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。 非奧氏體鋼均顯現(xiàn)磁性；奧氏體鋼中只有25-20型及16-36型奧氏體鋼不呈現(xiàn)磁性；18-8型奧氏體鋼在退火狀態(tài)下雖無(wú)磁性，在冷作條件能顯示出強(qiáng)磁性。 2不銹鋼的耐蝕性能 不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。 (1) 均勻腐蝕 均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。均勻腐蝕使金屬截面不斷減少，對(duì)于被腐蝕的受力零件而言，會(huì)使

8、其承受的真實(shí)應(yīng)力逐漸增加，最終達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。 1.(2) 點(diǎn)腐蝕 點(diǎn)腐蝕是指在金屬材料表面大部分不腐蝕或腐蝕輕微，而分散發(fā)生高度的局部腐蝕，又稱坑蝕或孔蝕（Pitting Corrosion），常見蝕點(diǎn)的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔徑，輕者有較淺的蝕坑，嚴(yán)重的甚至形成穿孔。不銹鋼常因Cl的存在而使鈍化層局部破壞以至形成腐蝕坑。 (3) 縫隙腐蝕 在電解液中，如在氯離子環(huán)境中，不銹鋼間或與異物接觸的表面間存在間隙時(shí)，縫隙中溶液流動(dòng)將發(fā)生遲滯現(xiàn)象，以至溶液局部Cl濃化，形成濃差電池，從而導(dǎo)致縫隙中不銹鋼鈍化膜吸附Cl而被局部破壞的現(xiàn)象稱為縫隙腐蝕 (4) 晶間腐蝕 在晶粒邊界

9、附近發(fā)生的有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。受這種腐蝕的設(shè)備或零件，外觀雖呈金屬光澤，但因晶粒彼此間已失去聯(lián)系，敲擊時(shí)已無(wú)金屬的聲音，鋼質(zhì)變脆。晶間腐蝕多半與晶界層“貧鉻”現(xiàn)象有聯(lián)系。(5) 應(yīng)力腐蝕 也稱應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，簡(jiǎn)稱SCC），是指不銹鋼在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)的低于強(qiáng)度極限的脆性開裂現(xiàn)象。不銹鋼的應(yīng)力腐蝕大部 分是由氯引起的。高濃度苛性堿、硫酸水溶液等也會(huì)引起應(yīng)力腐蝕。3不銹鋼及耐熱鋼的高溫性能 耐熱性能是指高溫下，既有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的性能即熱穩(wěn)定性，同時(shí)又有足夠的強(qiáng)度即熱強(qiáng)性。(1)高溫性能 不銹鋼表面形成的鈍化膜不僅具有抗氧化

10、和耐腐蝕的性能，而且還可提高使用溫度。例如，當(dāng)在某種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的條件下，若單獨(dú)應(yīng)用鉻來提高鋼的耐氧化性，介質(zhì)溫度達(dá)到800時(shí)，則要求鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需達(dá)到12%；而在950下耐氧化時(shí)，則要求鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%；當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到28%時(shí)，在1100也能抗氧化。(2) 合金化問題 耐熱鋼的高溫性能中首先要保證抗氧化性能。為此鋼中一般均含有Cr、Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止繼續(xù)發(fā)生氧化。 熱強(qiáng)性是指在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)對(duì)斷裂的抗力（持久強(qiáng)度），或在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)抗塑性變形的能力（蠕變抗力）。為提高鋼的熱強(qiáng)性，其措施主要是： 1) 提高Ni量以穩(wěn)定基體，利用Mo、W固溶強(qiáng)化，提高原子間結(jié)

11、合力。 2) 形成穩(wěn)定的第二相，主要是碳化物相（MC、M6C、或M23C6）。因此，為提高熱強(qiáng)性希望適當(dāng)提高碳含量（這一點(diǎn)恰好同不銹鋼的要求相矛盾）。如能同時(shí)加入強(qiáng)碳化物形成元素Nb、Ti、V等就更有效。 3) 減少晶界和強(qiáng)化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等，如奧氏體鋼0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加wB 0.003%。(3) 高溫脆化問題 耐熱鋼在熱加工或長(zhǎng)期工作中，可能產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。除了Cr13鋼在550附近的回火脆性、高鉻鐵素體鋼的晶粒長(zhǎng)大脆化，以及奧氏體鋼沿晶界析出碳化物所造成的脆化之外，值得注意的還有475脆性和相脆化。 475脆性主要出現(xiàn)在Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%的鐵素

12、體鋼中。在430480之間長(zhǎng)期加熱并緩冷，就可導(dǎo)致在常溫時(shí)或負(fù)溫時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度升高而韌性下降的現(xiàn)象，稱之為475脆性。 相是Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約45%的典型FeCr金屬間化合物，無(wú)磁性，硬而脆。在純Fe-Cr合金中，wCr20即可產(chǎn)生相。當(dāng)存在其他合金元素，特別是存在Mn、Si、Mo、W等時(shí)，會(huì)促使在較低Cr含量下即形成相，而且可以是三元組成 4.1.4 Fe-Cr，F(xiàn)e-Ni相圖及合金元素的影響相圖及合金元素的影響1Fe-Cr相圖 圖4-1是Fe-Cr二元合金狀態(tài)圖。鉻是縮小奧氏體相區(qū)的元素，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約大于12%時(shí)，奧氏體相區(qū)完全消失。這就意味含wCr12%的合金不發(fā)生-轉(zhuǎn)變，因而也不會(huì)發(fā)生晶粒

13、細(xì)化和硬化。Cr是強(qiáng)鐵素體形成元素，因此在整個(gè)的合金范圍內(nèi)，鐵素體都可以從液體金屬中析出。當(dāng)含Cr量較高時(shí)，脆硬的相在約820從鐵素體開始析出。相中Cr含量高，所以會(huì)發(fā)生脆化。由于相在晶界析出，消耗了基體中的大量鉻，使抗蝕性下降。在低于600時(shí)，()鐵素體偏析形成低Cr的鐵素體和高Cr的鐵素體，這就是我們所說的不銹鋼的475脆化。 2Fe-Ni相圖 圖4-2為Fe-Ni二元合金狀態(tài)圖。與 Cr相反，Ni是強(qiáng)奧氏體形成元素。例如，當(dāng)含wNi5%時(shí),金屬 熔液就不再凝固為鐵素體，而是形成奧氏體。鐵素體的形成被限制在一個(gè)很小的鐵素體相區(qū)角上。隨后再冷卻到14001500時(shí)，鐵素體又轉(zhuǎn)變成奧氏體。這個(gè)

14、轉(zhuǎn)變是包晶反應(yīng)。凝固形成的奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，但這一過程有時(shí)易于形成偏析 圖4-1 Fe-Cr二元合金狀態(tài)圖 圖4-2 Fe-Ni二元合金狀態(tài)圖3合金元素對(duì)相圖的影響(1) 碳的影響 不銹鋼中，碳首先和鉻形成化合物，其次是鐵。碳是強(qiáng)奧氏體化元素，會(huì)使相區(qū)增大，而相區(qū)減小。在723的純鐵中，碳在相中的溶解度是相中的40倍，可以認(rèn)為不銹鋼中的奧氏體晶粒對(duì)碳具有良好的溶解性。但是，由于鉻元素具有強(qiáng)烈的形成M23C6碳化物傾向，即使是在碳含量很低的情況下也可以生成，使得碳在奧氏體中活性降低，不銹鋼中碳的溶解度大大降低。 碳還影響相的形成。增加碳含量將使碳化物含量增加，部分鉻轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6高鉻碳化物。因而

15、基體中鉻的含量減少，相析出減緩。從相圖上看，相區(qū)縮小。(2) 氮的影響 氮是強(qiáng)奧氏體化元素。氮比碳在奧氏體鉻鎳不銹鋼中的溶解度高得多，并隨著鉻含量的增加而快速增加，因此氮在奧氏體不銹鋼中不易形成脆性析出相。(3) 鉬的影響 同Cr元素一樣，Mo也是鐵素體形成元素。Mo對(duì)相區(qū)有強(qiáng)烈的縮小作用，C對(duì)相區(qū)有強(qiáng)烈的擴(kuò)大作用，通過調(diào)整Cr、Mo、C的相對(duì)含量，就完全可以避免或保留一定量的鐵素體。Mo的存在還會(huì)使相區(qū)的邊界向高溫區(qū)遷移。因此，含鉬的鉻不銹鋼比不含鉬的鉻不銹鋼轉(zhuǎn)變成相的溫度更高。 (4) 錳的影響 Mn是奧氏體形成元素，與Ni相似，會(huì)擴(kuò)大相區(qū)，使-的轉(zhuǎn)變向低溫移動(dòng)，使得奧氏體組織在室溫下也很

16、穩(wěn)定，但其對(duì)奧氏體化的影響比鎳弱。錳的影響有兩方面：一是可以防止在奧氏體焊縫中的熱裂紋；二是提高氮的溶解度。4.2 4.2 奧氏體不銹鋼的焊接奧氏體不銹鋼的焊接 奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼種，生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的70%，該類鋼是一種十分優(yōu)良的材料，有極好的抗腐蝕性和生物相容性，因而在化學(xué)工業(yè)、沿海、食品、生物醫(yī)學(xué)、石油化工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 4.2.1 奧氏體不銹鋼的類型奧氏體不銹鋼的類型 常用的奧氏體型不銹鋼根據(jù)其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分為如下三類：(1) 18-8型奧氏體不銹鋼 是應(yīng)用最廣泛的一類奧氏體不銹鋼，也是奧氏體型不銹鋼的基本鋼種，其他奧氏

17、體鋼的鋼號(hào)都是根據(jù)不同使用要求而衍生出來的。(2) 18-12Mo型奧氏體不銹鋼 這類鋼中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為2%4%。由于Mo是縮小奧氏體相區(qū)的元素，為了固溶處理后得到單一的奧氏體相，在鋼中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要提高到10%以上 (3) 25-20型奧氏體不銹鋼 這類鋼鉻、鎳含量很高，具有很好的耐腐蝕性能和耐熱性能。 4.2.2 奧氏體不銹鋼焊接性分析奧氏體不銹鋼焊接性分析1奧氏體不銹鋼焊接接頭的耐蝕性(1) 晶間腐蝕 18-8鋼焊接接頭有三個(gè)部位能出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象，如圖4-3所示。在同一個(gè)接頭并不能同時(shí)看到這三種晶間腐蝕的出現(xiàn)，這取決于鋼和焊縫的成分。出現(xiàn)敏化區(qū)腐蝕就不會(huì)有熔合區(qū)腐蝕。焊縫區(qū)的腐蝕

18、主要決定于 圖4-3 18-8鋼焊接接頭晶間腐蝕現(xiàn)象 焊接材料。在正常情況下，現(xiàn)代技術(shù)水平可以保證焊縫區(qū)不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。1) 焊縫區(qū)晶間腐蝕 根據(jù)貧鉻理論，為防止焊縫發(fā)生晶間腐蝕：一是通過焊接材料，使焊縫金屬或者成為超低碳情況，或者含有足夠的穩(wěn)定化元素Nb（因Ti不 易 過 渡 到 焊 縫 中 而 不 采 用 T i ） ， 一 般 希 望wNb8wC或wNb1；二是調(diào)整焊縫成分以獲得一定數(shù)量的鐵素體（）相。 2）熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕 所謂熱影響區(qū)（HAZ）敏化區(qū)晶間腐蝕是指焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化加熱區(qū)間的部位（故稱敏化區(qū)）所發(fā)生的晶間腐蝕。0Cr18Ni9鋼熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間

19、腐蝕如圖4-5所示。顯然只有18-8鋼才會(huì)有敏化區(qū)存在，含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb，以及超低碳18-8鋼不易有敏化區(qū)出現(xiàn)。對(duì)于wC=0.05%和0Cr18Ni9不銹鋼來說，Cr23C6的析出溫度為600850，TiC的則高達(dá)1100， 如圖4-6所示?？梢?，如果冷卻速度快，鉻碳化物就不會(huì)析出。為防止18-8鋼敏化區(qū)腐蝕，在焊接工藝上應(yīng)采取小熱輸入、快速焊過程，以減少處于敏化加熱的時(shí)間。 3）刀狀腐蝕 在熔合區(qū)產(chǎn)生的晶間腐蝕，有如刀削切口形式，故稱為“刀狀腐蝕”（Knife-line Corrosion），簡(jiǎn)稱刀蝕，如圖4-7所示。腐蝕區(qū)寬度初期不超過35個(gè)晶粒，逐步擴(kuò)展到1.01

20、.5mm。 圖4-5 0Cr18Ni9鋼熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕 圖4-6 Cr23C6、TiC的析出溫度(2) 應(yīng)力腐蝕開裂（SCC） 1）腐蝕介質(zhì)的影響 應(yīng)力腐蝕的最大特點(diǎn)之一是腐蝕介質(zhì)與材料組合上的選擇性，在此特定組合之外不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。如在Cl的環(huán)境中，18-8不銹鋼的應(yīng)力腐蝕不僅與溶液中Cl離子有關(guān)，而且還與其溶液中氧含量有關(guān)。 Cl離子濃度很高、氧含量較少或Cl離子濃度較低、氧含量較高時(shí)，均不會(huì)引起應(yīng)力腐蝕。 2）焊接應(yīng)力的作用 應(yīng)力腐蝕開裂是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。由于低熱導(dǎo)率及高熱膨脹系數(shù)，不銹鋼焊后常常產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕開裂的拉應(yīng)力中，來源于焊接殘余應(yīng)力的超過

21、30%，焊接拉應(yīng)力越大，越易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。在含氯化物介質(zhì)中，引起奧氏體鋼SCC的臨界拉應(yīng)力th，接近奧氏體鋼的屈服點(diǎn)s，即ths。在高溫高壓水中，引起奧氏體鋼SCC的 圖4-7 刀狀腐蝕 th遠(yuǎn)小于s。而在H2SO6介質(zhì)中，由于晶間腐蝕領(lǐng)先，應(yīng)力則起到了加速作用，此時(shí)可認(rèn)為th0。典型的應(yīng)力腐蝕裂紋如圖4-10所示。 為防止應(yīng)力腐蝕開裂，從根本上看，退火消除焊接殘余應(yīng)力最為重要。殘余應(yīng)力消除程度與“回火參數(shù)”LMP（Larson Miller Parameter）有關(guān)，即： LMP=T(lgt+20)10-3 （4-4） 式中 T加熱溫度（）； t保溫時(shí)間（h）。 LMP越大，殘余應(yīng)力消除

22、程度越大。如18-8Nb鋼管，外徑為。消除125mm，壁厚25mm，焊態(tài)時(shí)的焊接殘余應(yīng)力R =120MPa應(yīng)力退火后，LMP18時(shí)才開始使R降低；當(dāng)LMP23時(shí)，R0。 圖4-10 應(yīng)力腐蝕裂紋 應(yīng)指出，為消除應(yīng)力，加熱溫度T的作用效果遠(yuǎn)大于加熱保溫時(shí)間t的作用。 3）合金元素的作用 應(yīng)力腐蝕開裂大多發(fā)生在合金中，在晶界上的合金元素偏析引起合金晶間開裂是應(yīng)力腐蝕的主要因素之一。對(duì)于焊縫金屬，選擇焊接材料具有重要意義。 綜上所述，引起應(yīng)力腐蝕開裂須具備三個(gè)條件：首先是金屬在該環(huán)境中具有應(yīng)力腐蝕開裂的傾向；其次是由這種材質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)接觸或處于選擇性的腐蝕介質(zhì)中；最后是有高于一定水平的拉應(yīng)力。(3)

23、 點(diǎn)蝕 奧氏體鋼焊接接頭有點(diǎn)蝕傾向，其實(shí)即使耐點(diǎn)蝕性優(yōu)異的雙相鋼有時(shí)也會(huì)有點(diǎn)蝕產(chǎn)生。點(diǎn)蝕指數(shù)PI越小的鋼，點(diǎn)蝕傾向越大。最容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕的部位是焊縫中的不完全混合區(qū)，其化學(xué)成分與母材相同，但卻經(jīng)歷了熔化與凝固過程，應(yīng)屬焊縫的一部分。焊接材料選擇不當(dāng)時(shí)，焊縫中心部位也會(huì)有點(diǎn)蝕產(chǎn)生，其主要原因應(yīng)歸結(jié)為耐點(diǎn)蝕成分Cr與Mo的偏析。例如，奧氏體鋼Cr22Ni25Mo中Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%12%，在鎢極氬弧焊（TIG）時(shí)，枝晶晶界Mo量與其晶軸Mo量之比（即偏析度）達(dá)1.6，Cr偏析度達(dá)1.25。因而晶軸負(fù)偏析部位易于產(chǎn)生點(diǎn)蝕?？傊?，TIG自熔焊接所形成的焊縫均易形成點(diǎn)蝕，甚至填送同質(zhì)焊絲時(shí)也是如此，仍不

24、如母材。為提高耐點(diǎn)蝕性能，一方面須減少Cr、Mo的偏析；一方面采用較母材更高Cr、Mo含量的所謂“超合金化”焊接材料（Overalloyed Filler Metal）。提高Ni含量，晶軸中Cr、Mo的負(fù)偏析 顯著減少，因此采用高Ni焊絲應(yīng)該有利。2熱裂紋 奧氏體鋼焊接時(shí)，在焊縫及近縫區(qū)都有產(chǎn)生裂紋的可能性，主要是熱裂紋。最常見的是焊縫凝固裂紋。HAZ近縫區(qū)的熱裂紋大多是所謂液化裂紋。在大厚度焊件中也有時(shí)見到焊道下裂紋 (1) 奧氏體鋼焊接熱裂紋的原因 與一般結(jié)構(gòu)鋼相比較，Cr-Ni奧氏體鋼焊接時(shí)有較大熱裂傾向，主要與下列特點(diǎn)有關(guān)：1) 奧氏體鋼的熱導(dǎo)率小和線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條

25、件下，接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應(yīng)力。焊縫金屬凝固期間存在較大拉應(yīng)力是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。2) 奧氏體鋼易于聯(lián)生結(jié)晶形成方向性強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)偏析，而促使形成晶間液膜，顯然易于促使產(chǎn)生凝固裂紋。3) 奧氏體鋼及焊縫的合金組成較復(fù)雜，不僅S、P、Sn、Sb之類雜質(zhì)可形成易溶液膜，一些合金元素因溶解度有限（如Si、Nb），也能形成易溶共晶，如硅化物共晶、鈮化物共晶。這樣，焊縫及近縫區(qū)都可能產(chǎn)生熱裂紋。(2) 凝固模式對(duì)熱裂紋的影響 凝固裂紋最易產(chǎn)生于單相奧氏體（）組織的焊縫中，如果為雙相組織，則不易于產(chǎn)生凝固裂紋，這已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。通常用室溫下焊縫中相數(shù)量來判斷熱裂傾向。

26、如圖4-13所示，室溫鐵素體數(shù)量由0%增至100%，熱裂傾向與脆性溫度區(qū)間（BTR）大小完全對(duì)應(yīng)。 凝固裂紋產(chǎn)生于真實(shí)固相線之上的凝固過程后期，用室溫組織來考核凝固過程中的現(xiàn)象，總有缺憾，必須聯(lián)系凝固模式（結(jié)晶模式）來進(jìn)行考慮才更合理。圖4-14為Fe-Cr-Ni三元合金一個(gè)70%Fe的偽二元相圖。圖中標(biāo)出的虛線合金，其室溫平衡組織為單相，實(shí)際冷卻得到的室溫組織可能含5%10%相。但凝固開始到結(jié)束都是單相相組織，只是在繼續(xù)冷卻時(shí)，由于發(fā)生相變，數(shù)量越來越少，在平衡條件下直至為零。 圖4-13 凝固模式對(duì)熱裂紋的影響 圖4-14 Fe-Cr-Ni三元合金一個(gè)70%Fe的偽二元相圖 所謂凝固模式，

27、首先是指以何種初生相（或）開始結(jié)晶進(jìn)行凝固過程，其次是指以何種相完成凝固過程。可有四種凝固模式：如圖4-14中合金，以相完成整個(gè)凝固過程，凝固模式以F表示；合金初生相為，但超過AB面后又依次發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，即L+L+，這種凝固模式以FA表示；合金的初生相為，超過AC面后 依 次 發(fā) 生 包 晶 和 共 晶 反 應(yīng) ， 即L+L+，這種凝固模式則以AF表示；合金的初生相為，直到凝固結(jié)束不再發(fā)生變化，因此用A表示這種凝固模式。 晶粒潤(rùn)濕理論指出，偏析液膜能夠潤(rùn)濕-、-界面，不能潤(rùn)濕-異相界面。以FA模式形成的鐵素體呈蠕蟲狀，防礙枝晶支脈發(fā)展，構(gòu)成理想的-界面，因而不會(huì)有熱裂傾向。凝固裂紋與凝固

28、模式有直接關(guān)系。單純F或A 模式凝固時(shí)，只有-或-界面，所以會(huì)有熱裂傾向。以AF模式凝固時(shí)，由于是通過包晶/共晶反應(yīng)面形成+，這種共晶不足以構(gòu)成理想的-界面，所以仍然可以呈現(xiàn)液膜潤(rùn)濕現(xiàn)象，以至還會(huì)有一定的熱裂傾向。 圖4-17表明，影響熱裂傾向的關(guān)鍵是決定凝固模式的Creq/Nieq比值，而并非室溫相數(shù)量。由此可知，18-8系列奧氏體鋼，因Creq/Nieq處于1.52.0之間，一般不會(huì)輕易發(fā)生熱裂；而25-20系列奧氏體鋼，因Creq/Nieq1.5，Ni含量越高，其比值越小，所以具有明顯的熱裂敏感性。(3) 化學(xué)成分對(duì)熱裂紋的影響 調(diào)整成分歸根結(jié)底還是通過組織發(fā)生作用。對(duì)于焊縫金屬，調(diào)整化

29、學(xué)成分是控制焊縫性能（包括裂紋問題）的重要手段。但如何進(jìn)行冶金化，還未能獲得完全有規(guī)律的認(rèn)識(shí)。因?yàn)?，任何鋼種都是一個(gè)復(fù)雜的合金系統(tǒng)，某一元素單獨(dú)作用和其他元素共存時(shí)發(fā)生的作用，往往不盡相同，甚至可能相反。 圖4-17 熱裂傾向1）Mn的影響 在單相奧氏體鋼中Mn的作用有利，但若同時(shí)存在Cu時(shí)，Mn與Cu可以相互促進(jìn)偏析，晶界易于出現(xiàn)偏析液膜而增大熱裂傾向。2）S、P的影響 硫、磷在焊接奧氏體鋼時(shí)極易形成低熔點(diǎn)化合物，增加焊接接頭的熱裂傾向。磷容易在焊縫中形成低熔點(diǎn)磷化物，增加熱裂敏感性，而硫則容易在焊接熱影響區(qū)形成低熔點(diǎn)硫化物而增加熱裂敏感性。在焊縫中，硫?qū)崃训拿舾行员攘兹?，這是因?yàn)樵诤缚p中

30、硫能形成MnS，并且離散地分布在焊縫中。在熱影響區(qū)中，硫比磷對(duì)裂紋敏感性更強(qiáng)，這是因?yàn)榱虮攘椎臄U(kuò)散速度快，更容易在晶界偏析。焊縫中硫、磷的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)限制在0.015%以內(nèi)。 3）Si的影響 Si是鐵素體形成元素，焊縫中wSi4%之后，碳的活動(dòng)能力增加，形成碳化物或碳氮化合物，因此，為了提高抗晶間腐蝕能力，必須使焊縫中wC不超過0.02%。 Si在18-8鋼中有利于促使產(chǎn)生相，可提高抗裂性，可不必過分限制；但在25-20鋼中，Si的偏析強(qiáng)烈，易引起熱裂。 4）鈮的影響 鈮可與磷、鉻及錳一起形成低熔點(diǎn)磷化物，而與硅、鉻和錳則可形成低熔點(diǎn)硫化物氧化物雜質(zhì)。鈮在晶粒邊界富集，可形成富鈮、鎳的低熔點(diǎn)

31、相，其結(jié)晶溫度甚至低于1160。含鈮的低熔點(diǎn)相在鐵素體和奧氏體中的溶解度不同，從而對(duì)熱裂影響不同。5）鈦的影響 鈦也可以形成低熔點(diǎn)相，如在1340 時(shí)，焊縫中就可以形成鈦碳氮化物的低熔點(diǎn)相。含鈦低熔點(diǎn)相的形成對(duì)抗裂性的影響不如鈮的明顯，因?yàn)殁伵c氧有強(qiáng)的結(jié)和力，因此鈦通常不用于焊縫金屬的穩(wěn)定化，而是用于鋼的穩(wěn)定化。鈦主要是對(duì)母材及熱影響區(qū)的液化裂紋的形成有影響。6）碳的影響 碳對(duì)于熱裂敏感性的影響僅在一次結(jié)晶為奧氏體的單相奧氏體化的焊縫金屬中，碳對(duì)熱裂敏感性的影響很復(fù)雜，還取決于合金成分。 7）硼的影響 硼是對(duì)抗熱裂性影響最壞的元素。高溫時(shí)硼在在奧氏體中的溶解度非常低，只有0.005%，硼與鐵、

32、鎳都能形成低熔點(diǎn)共晶。因此，要限制焊縫中的硼含量。 總之，凡是溶解度小而能偏析形成易熔共晶的成分，都可能引起熱裂紋的產(chǎn)生。凡可無(wú)限固溶的成分（如Cu在Ni中）或溶解度大的成分（如Mo、W、V），都不會(huì)引起熱裂。奧氏體鋼焊縫， 提高Ni含量時(shí)，熱裂傾向會(huì)增大；而提高Cr含量，對(duì)熱裂不發(fā)生明顯影響。在含Ni量低的奧氏體鋼加Cu時(shí)，焊縫熱裂傾向也會(huì)增大。凡促使出現(xiàn)A或AF凝固模式的元素，該元素必會(huì)增大焊縫的熱裂傾向。 (4) 焊接工藝的影響 在合金成分一定的條件下，焊接工藝對(duì)是否會(huì)產(chǎn)生熱裂紋也有一定影響。 為避免焊縫枝晶粗大和過熱區(qū)晶粒粗化，以致增大偏析程度，應(yīng)盡量采用小焊接熱輸入快速焊工藝，而且不

33、應(yīng)預(yù)熱，并降低層間溫度。不過，為了減小焊接熱輸入，不應(yīng)過分增大焊接速度，而應(yīng)適當(dāng)降低焊接電流。增大焊接電流，焊接熱裂紋的產(chǎn)生傾向也隨之增大。過分提高焊接速度，焊接時(shí)反而更易產(chǎn)生熱裂紋。這是因?yàn)殡S著焊接速度增大，冷卻速度也要增大，于是增大了凝固過程的不平衡性，凝固模式將逐次變化為FAAFA，相當(dāng)于圖4-14 中A點(diǎn)向右移動(dòng)，因此熱裂傾向增大。3. 析出現(xiàn)象 在不銹鋼中，相通常只有在鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于16%時(shí)才會(huì)析出，由于鉻有很高的擴(kuò)散性，相在鐵素體中的析出比奧氏體中的快。的轉(zhuǎn)變速度與相的合金化程度有關(guān)，而不單是相的數(shù)量。凡鐵素體化元素均加強(qiáng)轉(zhuǎn)變，即被Cr、Mo等濃化了的相易于轉(zhuǎn)變析出相。 相是指一

34、種脆硬而無(wú)磁性的金屬間化合物相，具有變成分和復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。相的析出使材料的韌性降低，硬度增加。有時(shí)還增加了材料的腐蝕敏感性。相的產(chǎn)生，是或是。 4低溫脆化 為了滿足低溫韌性要求，有時(shí)采用18-8鋼，焊縫組織希望是單一相，成為完全面心立方結(jié)構(gòu)，盡量避免出現(xiàn)相。相的存在，總是惡化低溫韌性，表4-2即是一例。雖然單相焊縫低溫韌性比較好，但仍不如固溶處理后的1Cr18Ni9Ti鋼母材，例如ak u( 1 9 6 ) 2 3 0 J / c m2， aku(20)280J/cm2。其實(shí)“鑄態(tài)”焊縫中的相因形貌不同，可以具有相異的韌性水平。 4.2.3 奧氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)奧氏體不銹鋼的焊接工藝特

35、點(diǎn) 奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有熔焊方法和部分壓焊方法都可以使用。但從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性等方面考慮，常采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊及等離子弧焊等。1焊接材料選擇不銹鋼及耐熱鋼用焊接材料主要有：藥皮焊條、埋弧焊絲和焊劑、TIG和MIG實(shí)芯焊絲以及藥芯焊絲。其中由于藥芯焊絲具有生產(chǎn)效率高，綜合成本低，可自動(dòng)化焊接等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展最快，有取代藥皮焊條 和實(shí)芯焊絲的趨勢(shì)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，藥芯焊絲是不銹鋼焊接生產(chǎn)中用量最大的焊接材料。目前，除了渣量多的藥芯焊絲外，也發(fā)展了渣量少的金屬芯焊絲。 焊接材料的選擇首先決定于具體焊接方法的選擇。在選擇具體焊接材料時(shí)，至少應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。 1) 應(yīng)堅(jiān)持“

36、適用性原則”。通常是根據(jù)不銹鋼材質(zhì)、具體用途和使用服役條件（工作溫度、接觸介質(zhì)），以及對(duì)焊縫金屬的技術(shù)要求選用焊接材料，原則是使焊縫金屬的成分與母材相同或相近。 2) 根據(jù)所選各焊接材料的具體成分來確定是否適用，并應(yīng)通過工藝評(píng)定試驗(yàn)加以驗(yàn)收，絕不能只根據(jù)商品牌號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的名義成分就決定取舍。 3) 考慮具體應(yīng)用的焊接方法和工藝參數(shù)可能造成的熔合比大小，即應(yīng)考慮母材的稀釋作用，否則將難以保證焊縫金屬的合金化程度。 4) 根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定的全面焊接性要求來確定合金化程度，即是采用同質(zhì)焊接材料，還是超合金化焊接材料。 5) 不僅要重視焊縫金屬合金系統(tǒng)，而且要注意具體合金成分在該合金系統(tǒng)中的作用；不僅考

37、慮使用性能要求，也要考慮防止焊接缺陷的工藝焊接性的要求。2焊接工藝要點(diǎn) 焊接不銹鋼和耐熱鋼時(shí)，也同焊接其他材料一樣，都有一定規(guī)程可以遵循。 (1) 合理選擇焊接方法 不銹鋼藥芯焊絲電弧焊是焊接不銹鋼的一種理想焊接方法。與焊條電弧焊相比，采用藥芯焊絲可將斷續(xù)的生產(chǎn)過程變?yōu)檫B續(xù)的生產(chǎn)方式，從而減少了接頭數(shù)目，而且不銹鋼藥芯焊絲不存在發(fā)熱和發(fā)紅現(xiàn)象。與實(shí)芯焊絲電弧焊相比，藥芯焊絲合金成分調(diào)整方便，對(duì)鋼材適應(yīng)性強(qiáng)，焊接速度快，焊后無(wú)需酸洗、打磨及拋光。同埋弧焊相比，其熱輸入遠(yuǎn)小于埋弧焊，焊接接頭性能更好。 (2) 控制焊接參數(shù)，避免接頭產(chǎn)生過熱現(xiàn)象 奧氏鋼熱導(dǎo)率小，熱量不易散失，一般焊接所需的熱輸入比

38、碳鋼低20%30%。 (3) 接頭設(shè)計(jì)的合理性應(yīng)給以足夠的重視 僅以坡口角度為例，采用奧氏體鋼同質(zhì)焊接材料時(shí)，坡口角度取60 （同一般結(jié)構(gòu)鋼的相同）是可行的；但如采用Ni基合金作為焊接材料，由于熔融金屬流動(dòng)更為粘滯，坡口角度取60很容易發(fā)生熔合不良現(xiàn)象。Ni基合金的坡口角度一般均要增大到80左右。(4) 盡可能控制焊接工藝穩(wěn)定以保證焊縫金屬成分穩(wěn)定 因?yàn)楹缚p性能對(duì)化學(xué)成分的變動(dòng)有較大的敏感性，為保證焊縫成分穩(wěn)定，必須保證熔合比穩(wěn)定。(5) 控制焊縫成形 表面成形是否光整，是否有易產(chǎn)生應(yīng)力集中之處，均會(huì)影響到接頭的工作性能，尤其對(duì)耐點(diǎn)蝕和耐應(yīng)力腐蝕開裂有重要影響。 (6) 防止焊件工作表面的污染

39、 奧氏體不銹鋼焊縫受到污染，其耐蝕性會(huì)變差。焊前應(yīng)徹底清除焊件表面的油脂、污漬、油漆等雜質(zhì)，否則這些有機(jī)物在電弧高溫作用下分解燃燒成氣體，引起焊縫產(chǎn)生氣孔或增碳，從而降低耐蝕性。 為了保證不銹鋼焊接質(zhì)量，必須嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)程和產(chǎn)品技術(shù)條件，并應(yīng)因地制宜，靈活地開展工作，全面綜合考慮焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。 4.3 鐵素體及馬氏體不銹鋼的焊接鐵素體及馬氏體不銹鋼的焊接4.3.1 鐵素體不銹鋼焊接性分析鐵素體不銹鋼焊接性分析1鐵素體不銹鋼的類型(1) 普通鐵素體鋼 包括：1) 低Cr（wCr=1214）鋼，如00Cr12、0Cr13、0Cr13Al等；2) 中Cr（wCr=1618）鋼，如0

40、Cr17Ti、1Cr17Mo等；低Cr和中Cr鋼，只有碳量低時(shí)才是鐵素體組織。3) 高Cr（wCr=2530）鋼，如1Cr25Ti、1Cr28等。(2) 高純度鐵素體鋼 鋼中CN的含量限制很嚴(yán)，可有以下三種：1) wCwN0.0350.045，如00Cr18Mo2等。2) wCwN0.03%，如00Cr18Mo2Ti等。3 ) wCwN 0 . 0 1 % 0 . 0 1 5 ， 如0 0 0 C r 1 8 M o 2 T i 、 0 0 0 C r 2 6 M o 1 、000Cr30Mo2等。2焊接性分析 鐵素體型不銹鋼一般都是在室溫下具有純鐵素體組織，塑性、韌性良好。由于鐵素體的線膨脹

41、系數(shù)較奧氏體的小，其焊接熱裂紋和冷裂紋的問題并不突出。通常說，鐵素體型不銹鋼不如奧氏體不銹鋼的好焊，主要是指焊接過程中可能導(dǎo)致焊接接頭的塑性、韌性降低即發(fā)生脆化的問題。此外，鐵素體不銹鋼的耐蝕性及高溫下長(zhǎng)期服役可能出現(xiàn)的脆化也是焊接過程中不可忽視的問題。高純鐵素體鋼比普通鐵素體鋼的焊接性要好得多。(1) 焊接接頭的晶間腐蝕 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%0.1%的普通鐵素體鉻鋼發(fā)生腐蝕的條件和奧氏體鉻-鎳鋼稍有不同。從900 C以上快速冷卻，鐵素體鉻不銹鋼對(duì)腐蝕很敏感，但經(jīng)過650800C的回火后，又可恢復(fù)其耐蝕性。所以，焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的位置是緊挨焊縫的高溫區(qū)。(2) 焊接接頭的脆化 鐵素體不

42、銹鋼的晶粒在900以上極易粗化；加熱至475附近或自高溫緩冷至475附近；在550820溫度區(qū)間停留（形成）相均使接頭的塑性、韌性降低而脆化。 1) 高溫脆性 鐵素體不銹鋼焊接接頭加熱至9501000以上后急冷至室溫，焊接熱影響區(qū)的塑性和韌性顯著降低，稱為“高溫脆性”。其脆化程度與合金元素碳和氮的含量有關(guān)。碳、氮含量越高，焊接熱影響區(qū)脆化程度就越嚴(yán)重。焊接接頭冷卻速度越快，其韌性下降值越多；如果空冷或緩冷，則對(duì)塑性影響不大。 2) 相脆化 普通純度鐵素體不銹鋼中wCr21%時(shí)，若在520820之間長(zhǎng)時(shí)間加熱，即可析出相。相的形成與焊縫金屬中的化學(xué)成分、組織、加熱溫度、保溫時(shí)間以及預(yù)先冷變形等因

43、素有關(guān)。鋼中促進(jìn)鐵素體形成的元素如鋁、硅、鉬、鈦和鈮均能強(qiáng)烈地增大產(chǎn)生相的傾向；錳能使高鉻鋼形成相所需鉻的含量降低；而碳和氮能穩(wěn)定奧氏體相并能與鉻形成化合物，會(huì)使形成相所需鉻含量增加。鎳能使形成相所需溫度提高。由于相的形成有賴于Cr、Fe等原子的擴(kuò)散遷移，故形成速度較慢。wCr=17%的鋼只有在550回火1000h后才會(huì)開始析出相。當(dāng)加入2%的Mo時(shí)，相析出時(shí)間大為縮短，約在600回火200h后即可出現(xiàn)相。因此，對(duì)于長(zhǎng)期工作于相形成溫度區(qū)的鐵素體型耐熱鋼的焊接高溫構(gòu)件而言，必須引起足夠的重視。 3) 475脆化 wCr15%的普通純度鐵素體不銹鋼在400500長(zhǎng)期加熱后，即可出現(xiàn)475脆性。隨

44、著鉻含量的增加，脆化的傾向加重。焊接接頭在焊接熱循環(huán)的作用下，不可避免地要經(jīng)過此溫度區(qū)間，特別是當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)在此溫度停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，均有產(chǎn)生475脆性的可能。475脆化可通過焊后熱處理消除。4.3.2 鐵素體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)鐵素體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn) 普通純度鐵素體鋼焊接接頭韌性較低，主要是由于單相鐵素體鋼易于晶粒粗化，熱影響區(qū)和焊縫容易形成脆性馬氏體，還有可能出現(xiàn)475脆性。1焊接方法 普通純度鐵素體鋼的焊接方法通?？刹捎煤笚l電弧焊、藥芯焊絲電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊和埋弧焊。無(wú)論采用何種焊接方法，都應(yīng)以控制熱輸入為目的，以抑制焊接區(qū)的 鐵素體晶粒過分長(zhǎng)大。工藝上可采取多層

45、多道快速焊，強(qiáng)制冷卻焊縫的方法，如通氬或冷卻水等。超高純度鐵素體鋼的焊接方法有氬弧焊、等離子弧焊和真空電子束焊。采用這些方法的目的主要是凈化熔池表面，防止沾污。2焊接材料的選擇 在焊接鐵素體不銹鋼及其與異種鋼焊接時(shí)填充金屬主要有三類：同質(zhì)鐵素體型、奧氏體型和鎳基合金。 采用同質(zhì)焊接材料時(shí)，焊縫與母材金屬有相同的顏色和形貌，相同的線膨脹系數(shù)和大體相似的耐蝕性，但焊縫金屬呈粗大的鐵素體鋼組織，韌性較差。為了改善性能，應(yīng)盡量限制雜質(zhì)含量，提高其純度，同時(shí)進(jìn)行合理的合金化。3低溫預(yù)熱及焊后熱處理 鐵素體不銹鋼在室溫的韌性本就很低，如圖4-19所示，且易形成高溫脆化，在一定條件下可能產(chǎn)生裂紋。通過預(yù)熱，

46、使焊接接頭處于富有韌性的狀態(tài)下焊接，能有效地防止裂紋的產(chǎn)生。但是，焊接熱循環(huán)又會(huì)使焊接接頭近縫區(qū)的晶粒急劇長(zhǎng)大粗化，從而引起脆化。因此，預(yù)熱溫度的選擇要慎重，一般控制在100200，隨著母材金屬中鉻含量的提高，預(yù)熱溫度可相應(yīng)提高。但預(yù)熱溫度過高，又會(huì)使焊接接頭過熱而脆硬。 此外，鐵素體不銹鋼的晶粒在900以上極易粗化且難以消除，因?yàn)闊崽幚砉に嚐o(wú)法細(xì)化鐵素體晶粒。因此，焊接時(shí)應(yīng)盡量采取小的熱輸入和較快的冷卻速度；多層焊時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度。4.3.3 馬氏體不銹鋼焊接性分析馬氏體不銹鋼焊接性分析 馬氏體型不銹鋼主要是Fe-Cr-C三元合金，這類鋼中高溫下存在的奧氏體在不太慢的冷卻條件下會(huì)發(fā)生

47、奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變，屬于淬硬組織的鋼種。與其他類型的不銹鋼相比，馬氏體型不銹鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，但耐蝕性和焊接性要差一些。 1馬氏體不銹鋼的類型(1) Cr13系鋼 通常所說的馬氏體鋼大多指這一類鋼，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13。這類鋼經(jīng)高溫加熱后空冷就可淬硬，一般均經(jīng)調(diào)制處理。(2) 熱強(qiáng)馬氏體鋼 是以Cr12為基進(jìn)行多元復(fù)合合金化的馬氏 體 鋼 ， 如 2 C r 1 2 W M o V 、 2 C r 1 2 M o V 、2Cr12Ni3MoV。高溫加熱后空冷也可淬硬。 因此，熱強(qiáng)馬氏體鋼的淬硬傾向會(huì)更大一些，一般均經(jīng)過調(diào)制處理。 (3) 超低碳復(fù)相馬氏體鋼

48、這是一種新型馬氏體高強(qiáng)鋼。其成分特點(diǎn)是，鋼的含碳量wC降低到0.05以下并添加Ni（wNi=4%7%），此外也可能含有少量Mo、Ti或Si。典型的鋼種如0.01C-13Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti、0.03C-12.5Cr-5.3Ni-0.3Mo。這幾種鋼均經(jīng)淬火及超微細(xì)復(fù)相組織回火處理，可獲得高強(qiáng)度和高韌性。這種鋼也可在淬火狀態(tài)下使用，因?yàn)榈吞捡R氏體組織并無(wú)硬脆性 這類鋼的特性與析出硬化馬氏體鋼很相似，淬火形成的馬氏體不會(huì)導(dǎo)致硬化，如圖4-20曲線3所示。 應(yīng)指出，無(wú)論析出硬化馬氏體鋼或析出硬化半奧氏體鋼，都無(wú)淬硬傾向，不需預(yù)熱，采用同質(zhì)焊接材料或奧氏體

49、焊接材料，都能順利地獲得滿意的焊接接頭，但焊后均須經(jīng)適當(dāng)?shù)責(zé)崽幚怼?圖4-20 淬火與硬度的關(guān)系2焊接性分析 超低碳復(fù)相馬氏體鋼無(wú)淬硬傾向，并具有較高的塑性和韌性。常見馬氏體鋼均有脆硬傾向，含碳量越高，脆硬傾向越大。因此，首先遇到的問題是含碳量較高的馬氏體鋼淬硬性導(dǎo)致的冷裂紋的問題和脆化問題。(1) 焊接接頭的冷裂紋 馬氏體型不銹鋼鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%以上，同時(shí)還匹配適量的碳和鎳，以提高其淬硬性和淬透性，這種鋼具有一定的耐均勻腐蝕性能。鉻本身能增加鋼的奧氏體穩(wěn)定性，即奧氏體分解曲線右移，加入碳、鎳后，經(jīng)固溶再空冷也會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，馬氏體型不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織為硬脆的馬氏體

50、組織。馬氏體型不銹鋼導(dǎo)熱性較碳鋼差，焊后殘余應(yīng)力較大，如果焊接接頭剛度又大或焊接過程中含氫量又較高，當(dāng)從高溫直接冷至120100以下時(shí)，很容易產(chǎn)生冷裂紋。(2) 焊接接頭的硬化現(xiàn)象 Cr13類馬氏體不銹鋼以及Cr12系列的熱強(qiáng)鋼，可以在退火狀態(tài)或淬火狀態(tài)下進(jìn)行焊接。無(wú)論焊前原始狀態(tài)如何，冷卻速度較快時(shí)，近縫區(qū)必會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，形成粗大馬氏體的硬化區(qū)。在冷卻速度較小時(shí)（例如1Cr13的冷卻速度小于10/s），近縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)粗大的鐵素體，塑性和韌性也明顯下降。所以，焊接時(shí)冷卻速度的控制是一個(gè)難題。 4.3.4 馬氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)馬氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn) 馬氏體不銹鋼常用的焊接方法主要有焊條

51、電弧焊、埋弧焊及熔化極氣體保護(hù)焊，相應(yīng)的焊接材料也主要為焊條、實(shí)芯焊絲及藥芯焊絲等。焊接時(shí)，主要以控制熱輸入及冷卻速度為主。1焊接材料的選擇 最好采用同質(zhì)填充金屬來焊接馬氏體鋼，但焊后焊縫和熱影響區(qū)將會(huì)硬化變脆，有很高的裂 紋傾向。因此，應(yīng)考慮合理的合金化，如添加少量Ti、Al、N、Nb等以細(xì)化晶粒，降低淬硬性。例如，wNb=0.8的焊縫可具有微細(xì)的單相鐵素體組織。焊態(tài)或焊后熱處理均可獲得比較滿意的性能。也可通過焊前預(yù)熱，焊后緩冷及熱處理來改善接頭的性能。 焊接構(gòu)件不能進(jìn)行預(yù)熱或不便進(jìn)行熱處理時(shí)，可采用奧氏體不銹鋼焊接材料。焊后焊縫金屬組織為奧氏體組織，具有較高的塑性和韌性，松弛焊接應(yīng)力，并能

52、溶入較多的固溶氫，降低接頭形成冷裂紋的傾向。但焊縫為奧氏體組織，焊縫強(qiáng)度不可能與母材相匹配。另外，奧氏體焊縫與母材比較，在物理、化學(xué)、冶金的性能上都存在很大差異，有時(shí)反而可能出現(xiàn)破壞事故。例如，在循環(huán)溫度工作時(shí)，由于焊縫與母材膨脹系數(shù)不同，在熔合區(qū)產(chǎn)生切應(yīng)力，能導(dǎo)致接頭過早破壞。采用奧氏體焊接材料時(shí)，必須考慮母材稀釋的影響。 對(duì)于熱強(qiáng)型馬氏體鋼，最希望焊縫成分接近母材，并且在調(diào)整成分時(shí)不出現(xiàn)相，而應(yīng)為均一的微細(xì)馬氏體組織。相不利于韌性。 1Cr12WMoV之類的馬氏體熱強(qiáng)鋼，主要成分為鐵素體化元素（Mo、Nb、W、V），因此，為保證獲得均一的馬氏體組織，必須用奧氏體化元素加以平衡，即應(yīng)有適量的

53、C、Mn、N、Ni。1Cr2WMoV鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)規(guī)定在0.170.20之間，如焊縫wC降至0.090.15，組織中就會(huì)出現(xiàn)較大量的塊狀和網(wǎng)狀的相（也會(huì)有碳化物），使韌性急劇降低，也不利于抗蠕變的性能。若適當(dāng)提高碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（不大于0.19），同時(shí)添加Ti，減少Cr，情況會(huì)有所好轉(zhuǎn)。在調(diào)整成分時(shí)應(yīng)注意馬氏體點(diǎn)Ms的變化所帶來的影響。由于合金化使Ms降低越大，冷裂敏感性就越大，并會(huì)產(chǎn)生較多殘余奧氏體，對(duì)力學(xué)性能不利。 超低碳復(fù)相馬氏體鋼宜采用同質(zhì)焊接材料，但焊后如不經(jīng)超微細(xì)復(fù)相化處理，則強(qiáng)韌性難以達(dá)到母材的水平。2焊前預(yù)熱和焊后熱處理 采用同質(zhì)焊縫焊接馬氏體不銹鋼時(shí)，為防止焊接接頭形成冷裂紋，宜

54、采取預(yù)熱措施。預(yù)熱溫度的選擇與材料厚度、填充金屬種類、焊接方法和構(gòu)件的拘束度有關(guān)，其中與碳含量關(guān)系最大。例如，簡(jiǎn)單成分的Cr13鋼，wC0.1%時(shí)可以不預(yù)熱；wC=0.1%0.2%，應(yīng)預(yù)熱到260緩冷；wC=0.2%0.5%，也可以預(yù)熱到260，但焊后應(yīng)及時(shí)退火。 馬氏體型不銹鋼的預(yù)熱溫度不宜過高，否則將使奧氏體晶粒粗大，并且隨冷卻速度降低，還會(huì)形成粗大鐵素體加晶界碳化物組織，使焊接接頭塑性和強(qiáng)度均有所下降。 焊后熱處理的目的是降低焊縫和熱影響區(qū)硬度、改善其塑性和韌性，同時(shí)減少焊接殘余應(yīng)力。焊后熱處理必須嚴(yán)格控制焊件的溫度：焊件焊后不可隨意從焊接溫度直接升溫進(jìn)行回火熱處理。這是因?yàn)楹附舆^程中形

55、成的奧氏體尚未完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，如果立即升溫到回火，奧氏體會(huì)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，或者碳化物沿奧氏體晶界沉淀，產(chǎn)生粗大鐵素體加碳化物組織，從而嚴(yán)重地降低焊接接頭的韌性，而且對(duì)耐蝕性也不利。如果焊接接頭焊后空冷到室溫后再進(jìn)行熱處理，則馬氏體不銹鋼會(huì)出現(xiàn)空氣淬硬傾向，造成常溫塑性降低，并且在常溫下殘留的奧氏體將繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，使焊接接頭變得又硬又脆，組織應(yīng)力也隨之增大；若再加上擴(kuò)散氫的聚集，焊接接頭就有可能產(chǎn)生冷裂紋。正確的方法是：回火 前使焊件適當(dāng)冷卻，讓焊縫和熱影響區(qū)的奧氏體基本分解為馬氏體組織。4.4 奧氏體奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的焊接鐵素體雙相不銹鋼的焊接 雙相不銹鋼是在固溶體中鐵素體相

56、和奧氏體相各約占一半，一般較少相的含量至少也需要達(dá)到30%的不銹鋼。這類鋼綜合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的韌性，強(qiáng)度及優(yōu)良的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。4.4.1 奧氏體奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的類型鐵素體雙相不銹鋼的類型1低合金型雙相不銹鋼 00Cr23Ni4N鋼是瑞典最先開發(fā)的一種低合金型的雙相不銹鋼，不含鉬，鉻和鎳的含量也較低。由于鋼中wCr為23%，有很好的耐孔蝕、縫隙腐蝕和均勻腐蝕的性能，可代替304L和316L等常用奧氏體不銹鋼。 2中合金型雙相不銹鋼 典型的中合金型不銹鋼有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti。這兩種鋼是了為節(jié)鎳，分別代替0Cr18Ni9Ti和1

57、Cr18Ni9Ti而設(shè)計(jì)的，但比后者具有更好的力學(xué)性能， 尤其是強(qiáng)度更高（約為1Cr18Ni9Ti的2倍）。 4.4.2 雙相不銹鋼的耐蝕性雙相不銹鋼的耐蝕性1耐應(yīng)力腐蝕性能 與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有強(qiáng)度高，對(duì)晶間腐蝕不敏感和較好的耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕的能力，其中優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕是開發(fā)這種鋼的主要目的。其耐應(yīng)力腐蝕機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)： 1) 雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度比18-8型不銹鋼高，即產(chǎn)生表面滑移所需的應(yīng)力水平較高，在相同的腐蝕環(huán)境中，由于雙相不銹鋼的表面膜因表面滑移而破壞的應(yīng)力較大，即應(yīng)力腐蝕裂紋難以形成。 2) 雙相不銹鋼中一般含有較高的鉻、鉬合金元素，而加入這些元素都可延長(zhǎng)孔蝕

58、的孕育期，使不銹鋼具有較好的耐點(diǎn)腐蝕性能，不會(huì)由于點(diǎn)腐蝕而發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕；而18-8型不銹鋼中不含鉬或很少含鉬，其含鉻量也不是很高，所以其耐點(diǎn)腐蝕能力較差，由點(diǎn)腐蝕擴(kuò)展成孔蝕，成為應(yīng)力腐蝕的起始點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的延伸。 3) 雙相不銹鋼的兩個(gè)相的腐蝕電極電位不同，裂紋在不同相中和在相界的擴(kuò)展機(jī)制不同，其中必有對(duì)裂紋擴(kuò)展起阻止或抑制作用的階段，此時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)展極慢。 4) 雙相不銹鋼中，第二相的存在對(duì)裂紋的擴(kuò)展起機(jī)械屏障作用，延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展期。此外，兩個(gè)相的晶體形面取向差異，使擴(kuò)展中的裂紋頻繁改變方向，從而大大延長(zhǎng)了應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展期。 2耐晶間腐蝕性能 雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼一

59、樣也會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，均與貧鉻有關(guān)，只是發(fā)生晶間腐蝕的情況不同。如00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼在650850進(jìn)行敏化加熱處理不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。當(dāng)敏化加熱到12001400時(shí)，空冷的試樣無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象，但空冷時(shí)則有輕微的晶間腐蝕傾向，這是由于加熱到1200以上時(shí)，鐵素體晶粒急劇長(zhǎng)大，奧氏體數(shù)量隨加熱溫度的升高而迅速減少。到1300以上溫度時(shí)，鋼內(nèi)只有單一的鐵素體組織且為過熱的粗大晶粒，水冷后，粗大的鐵素體晶粒被保留下來，在-相界面容易析出鉻的 氮化物，如Cr2N等，在其周圍形成貧鉻層，導(dǎo)致晶間腐蝕。3耐點(diǎn)蝕性能 雙相不銹鋼中含有Cr、Mo、N等元素，可使PI值增大，明顯地降低點(diǎn)蝕速率，

60、尤其N的作用更為明顯，PI中N的系數(shù)可以增大到30。此外，增大焊接熱輸入，可提高HAZ中的相數(shù)量，也有利于提高耐點(diǎn)蝕性能。 4.4.3 奧氏體奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的焊接性分析鐵素體雙相不銹鋼的焊接性分析 與純奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼焊后具有較低的熱裂傾向；與純鐵素體不銹鋼相比，焊后具有較低的脆化傾向，且焊接熱影響區(qū)粗化程度也較低，因而具有良好的焊接性。但雙相不銹鋼中因有較大比例鐵素體存在，而鐵素體鋼所固有的脆化傾向，如475脆性，相析出脆化和晶粒粗化依然存在，只是因奧氏體的平衡作用而 獲得一定緩解，焊接時(shí)，仍應(yīng)引起注意。選用合適的焊接材料不會(huì)發(fā)生焊接熱裂紋和冷裂紋；雙相不銹鋼具有良好的