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關(guān)于雙相不銹鋼的焊接第1頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
30年代:法國(guó)最先研制出雙相不銹鋼,呈鐵素體和奧氏體雙相組織狀態(tài),具有獨(dú)特的耐腐蝕性和較好的力學(xué)性能。但雙相不銹鋼的相組成比例難以控制及焊接困難,工業(yè)應(yīng)用受到限制。40年代:美國(guó)開發(fā)出第一代雙相不銹鋼——329鋼,耐腐蝕性能好,但含碳量較高(≤0.1%),含鉬和鉻都較高,焊接性不好;50年代:蘇聯(lián)開發(fā)含穩(wěn)定元素鈦的雙相不銹鋼,德、法、英、日等國(guó)也相繼開發(fā)出雙相不銹鋼;60年代:瑞典開發(fā)出最具代表性的第一代雙相不銹鋼——超低碳(≤0.03%)雙相不銹鋼,3RE60鋼,使焊接接頭塑性、韌性和耐腐蝕性顯著改善。
2.1雙相不銹鋼的發(fā)展概況第2頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月70年代:開發(fā)出第二代雙相不銹鋼,即在超低碳的基礎(chǔ)上含氮雙相不銹鋼,并含有鉬、銅、硅等耐蝕性元素。包括18Cr型、22Cr型及25Cr型,如瑞典開發(fā)的SAF2205等。80年代:研發(fā)的超級(jí)雙相不銹鋼(SuperDSS)為第三代雙相不銹鋼,含碳量低(ωc0.01~0.02%)、高鉬(ωMo4%)、高氮(ωN0.3%),鋼中鐵素體含量40~45%,耐點(diǎn)蝕系數(shù)大于40。成功解決了Cr-Ni奧氏不銹鋼容易出現(xiàn)的孔蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等問題。第3頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月雙相不銹鋼的發(fā)展歷程可概括為“產(chǎn)量低、增速快”。2002年全球雙相不銹鋼年產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的1%,但到了2009年這一比例上升到了15%,這種高增長(zhǎng)的原因在于:一是質(zhì)量具備可靠性;二是成本具備經(jīng)濟(jì)性。目前雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備制造和工程項(xiàng)目建設(shè)。如:煉油行業(yè)中的催化裂化裝置、加氫處理裝置、油氣輸送管線;化工行業(yè)中的氯乙烯生產(chǎn)裝置;運(yùn)輸行業(yè)中的海上化學(xué)品船;造紙行業(yè)中的漂白設(shè)備、建筑行業(yè)中的結(jié)構(gòu)件;核電行業(yè)等。第4頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月雙相不銹鋼的主要應(yīng)用領(lǐng)域(1)中性氯化物環(huán)境雙相不銹鋼在中性氯化物環(huán)境中應(yīng)用廣泛,在加工制造過程中,通常使用少量的含有氯離子的溶液作為冷卻水,從而導(dǎo)致普通的奧氏體不銹鋼(例如AISI304/316)有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的傾向,而雙相不銹鋼可以很好的解決這一問題,尤其適用于由孔蝕引起的應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境。衡量耐腐蝕性的好壞通常用孔蝕當(dāng)量指數(shù)PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%表示,其中雙相不銹鋼P(yáng)RE值大于24,而奧氏體PRE小于20。(2)石油和天然氣工業(yè)20世紀(jì)80年代以來,雙相不銹鋼在酸性氣和油的生產(chǎn)中用量逐漸增多,主要用作生產(chǎn)管襯里、熱交換器以及岸上和近海的管道系統(tǒng)等。尤其在石油和天然氣的生產(chǎn)中,雙相不銹鋼多數(shù)面臨的主要是酸性環(huán)境,即含有大量Cl—,CO2和一些H2S的環(huán)境。在含Cl—的濕CO惡性環(huán)境中,雙相不銹鋼是一種理想材料的首選,可耐高流速的磨損腐蝕,比加緩蝕劑的碳素鋼及不銹鋼更能抵抗高流速的磨損腐蝕,并用于井上管道系統(tǒng),可以減少大量的材料重量。第5頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)海水環(huán)境海水是自然環(huán)境中腐蝕性最強(qiáng)的一種介質(zhì),尤其在金屬表面粘附著微生物薄膜時(shí)將產(chǎn)生腐蝕電位增加,同時(shí)也增加了孔蝕和縫隙腐蝕的傾向。就熱海水而言,目前大多使用超級(jí)雙相不銹鋼,例如,用SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼制造的海水交換器,使用3年未發(fā)現(xiàn)腐蝕,而鈦管由于不耐F—腐蝕,只能用3個(gè)月。(4)紙漿和造紙工業(yè)雙相不銹鋼在紙漿和造紙工業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用中已經(jīng)有40多年的歷史了,3RE60雙向不銹鋼最早就是在這一領(lǐng)域起步應(yīng)用的。除3RE60鋼外,其它雙相不銹鋼如UR45N(SAF2205)、UR47N(00Cr25Ni6.5Mo3N)、UR52N+(00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN)等都應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域。由于雙相不銹鋼具有優(yōu)秀的力學(xué)性能,以及耐磨損腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕以及耐疲勞腐蝕性能好等特長(zhǎng),所以在制造紙漿和工業(yè)用的造紙木屑預(yù)蒸器、造紙壓力滾筒、連續(xù)式和間歇式紙漿蒸煮器和回收設(shè)備中都取得了良好的應(yīng)用效果。第6頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(5)化肥工業(yè)尿素工業(yè)也是最早使用雙相不銹鋼的部門之一,其裝置中含氯離子水的熱交換設(shè)備使用得較多,例如尿素裝置中CO2壓縮機(jī)三段冷卻器原先使用304L奧氏體不銹鋼管束,l個(gè)月后即因應(yīng)力腐蝕破裂而導(dǎo)致泄漏,而雙相不銹鋼可用5年以上,隨后一、二段冷卻器也都換用了18-5Mo或SAF2205雙相不銹鋼。由于雙相不銹鋼在尿素介質(zhì)中有良好的抗腐蝕疲勞性能,很適合用于制造尿素生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備——甲按泵泵體。國(guó)產(chǎn)的00Cr25Ni6Mo2N雙向不銹鋼能夠通過Huey法的晶間腐蝕傾向的檢驗(yàn),已用于洞庭氮肥廠(五柱塞式)、黑龍江化肥廠等大型化肥廠。國(guó)內(nèi)中一些小化肥廠的甲按泵泵體基本上采用18-5Mo鋼制造,也有數(shù)十家采用的是高鉻含鉛雙相不銹鋼。此外這種鋼的泵閥鍛件通過了日本JISG0573、G0591硝酸法和硫酸法的檢驗(yàn),批量出口日本,價(jià)格要比日本當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的優(yōu)惠。此外,采用國(guó)產(chǎn)0Cr25Ni6Mo3CuN時(shí)效強(qiáng)化雙相不銹鋼,利用其優(yōu)異的耐磨損腐蝕性能,用于加工多種規(guī)格的尿素裝置主工藝管路高壓截止閥的內(nèi)件等,能起到不錯(cuò)的效果。第7頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(6)運(yùn)輸業(yè)最近幾年海上化學(xué)品運(yùn)輸船行業(yè)是國(guó)外最大的雙相不銹鋼用戶,消費(fèi)量約占熱軋板的50%?;瘜W(xué)品船裝載的液體貨物多種多樣,包括化學(xué)和石化產(chǎn)品,要求船艙材料既能耐腐蝕,又有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性。目前,SAF2205雙相不銹鋼已取代316L和317L等奧氏體不銹鋼,成為海上化學(xué)品船的首選材料。我國(guó)在這方面起步較晚,中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)青山船廠采用歐洲建造標(biāo)準(zhǔn),使用進(jìn)口的SAF2205鋼板,自行制造成功第一艘18500t化學(xué)品船,鋼板消耗量大約1200t,已出口比利時(shí)。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)用雙相不銹鋼建造化學(xué)品船零的突破,該廠已形成規(guī)模生產(chǎn)能力。第8頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.2.1主要成分:Cr、Ni、Mo、N。其中,Cr、Mo—鐵素體形成元素Ni、N—奧氏體形成元素N—主要固溶強(qiáng)化元素Cr、Mo、N—提高耐氯化物點(diǎn)蝕性能
耐點(diǎn)蝕當(dāng)量:PREN=ω(Cr)+3.3ω(Mo)+16ω(N)正常含Mo雙相不銹鋼:PREN=30~36超級(jí)雙相不銹鋼:PREN>402.2雙相不銹鋼的成分、組織和性能第9頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)成分和PREN值分類:⑴低合金型,23%Cr無Mo雙相不銹鋼:Cr:23%Ni:4%N:0.1-0.2%
PREN=24~25⑵中合金型,22%Cr標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼:Cr:22%Ni:5-5.5%Mo:3%N:0.14-0.17%PREN=30~36⑶高合金型,25%Cr+(0-2.5%)Cu雙相不銹鋼:Cr:25-27%Ni:4-7%Mo:1.5-3.3%N:0.15-0.25%
PREN=32~40⑷25%Cr超級(jí)雙相不銹鋼:Cr:25-26%Ni:6-7%Mo:3.5-4%N:0.25-0.28%PREN>40第10頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月不銹鋼的PREN值的比較第11頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.2.2組織α相(鐵素體)+γ相(奧氏體)雙相組織,其中α相與γ相的體積分?jǐn)?shù)之比(α/γ)約各占50%。其中:鐵素體—提供高的屈服強(qiáng)度、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能;奧氏體—提供好的韌性和耐全腐蝕性能。α相含量過高—引起脆化;γ相含量過高—降低耐應(yīng)力腐蝕性能。2.2.3性能1)具有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕的能力;
2)具有良好的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能,優(yōu)于奧氏體不銹鋼;3)有良好的耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕性能;第12頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
4)綜合力學(xué)性能好。有較高的強(qiáng)度(包括疲勞強(qiáng)度),屈服強(qiáng)度是普通Cr-Ni奧氏體不銹鋼的2倍;5)焊接性好,熱裂傾向小。一般不需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理,可與18-8型奧氏體不銹鋼及碳鋼進(jìn)行異種鋼焊接;6)低鉻(ωCr18%)的雙相不銹鋼熱加工溫度范圍比18-8型奧氏體不銹鋼寬,抗力小,高鉻(ωCr25%)的雙相不銹鋼熱加工比18-8型奧氏體不銹鋼困難;7)雙相不銹鋼比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應(yīng)大;8)與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的熱導(dǎo)率大,線脹系數(shù)??;9)仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆化傾向,不宜在高于300°C的溫度下使用。若含鉻量較低,脆性相析出危害性較小。第13頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第14頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的性能主要受鐵素體和奧氏體比例的影響,奧氏體和鐵素體各占50%時(shí),具有良好的耐腐蝕性和焊接性。在平衡狀態(tài)下,兩相的比例主要由鋼中的合金元素,即鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量來決定。
Creq=ωCr+ωMo+1.5ωSi
Nieq=ωNi+30ωC+N+0.5ωMn第16頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.3.1焊縫凝固與奧氏體形成母材組織:(50%)Vα相+(50%)Vγ相,其中γ相呈長(zhǎng)條狀分布在α相基體中。焊縫組織:焊接熔化后形成鑄態(tài)組織。2.3雙相不銹鋼的焊接冶金第17頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月Fe-Cr-Ni偽二元相圖:液態(tài)下凝固:L→α冷卻到1300℃:α→γ在固態(tài)下γ在α晶粒邊界形核和生長(zhǎng)。冷卻到室溫:α+γ
其中,γ相的形態(tài)和數(shù)量:①化學(xué)成分②冷卻速度基于TTT圖:冷卻速度增加→γ相含量減少。在焊縫快速冷卻條件下形成的γ相,一般呈魏氏組織形態(tài)。第18頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第20頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月合金元素的作用:
合金元素直接影響焊縫金屬的組成,Creq越大,Nieq越小,焊縫中奧氏體含量越少。
合金元素在鐵素體和奧氏體所占的比例也不一樣。
焊接參數(shù)的作用:
由于焊接參數(shù)影響到冷卻速度,即影響到合金元素的擴(kuò)散,所以,也影響到合金元素在兩相中的分配,焊接線能量越大,冷卻速度越慢,由于擴(kuò)散比較充分,鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)行的就比較充分,奧氏體含量增加,合金元素在兩相中的含量差別也會(huì)拉大。
析出相的問題:
析出相會(huì)影響到焊縫金屬中的力學(xué)性能及耐腐蝕性。第22頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月A.當(dāng)焊縫成分與母材相同時(shí):降低焊縫的冷卻速度。冷卻速度過快時(shí),焊縫中γ相含量不足,而α相含量可超過80%,導(dǎo)致焊縫韌性下降,氫脆敏感性增加。B.當(dāng)焊縫的冷卻速度難以降低時(shí),提高焊縫中Ni、Mn、N等奧氏體形成元素含量,其中N的作用最為顯著。通過焊縫過合金化,促使γ相增加,使焊縫獲得與母材同樣的組織。
N對(duì)α→γ轉(zhuǎn)變的作用:(由TTT圖)
例如:焊縫和母材為獲得60%α+40%γ的雙相組織:要求焊縫0.219%N,而母材只需0.141%N。
注:焊縫中α相體積分?jǐn)?shù)一般推薦為22-70%。為獲得足夠的耐腐蝕性并避免氫致裂紋,α相最大含量應(yīng)限制在60%。第23頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月焊縫室溫組織預(yù)測(cè):⑴Schaeffler圖:鐵素體含量的精度±4%⑵DeLong圖:鐵素體含量的精度±2%⑶WRC1992組織圖—美國(guó)焊接研究委員會(huì)推薦第24頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月Creq=Cr%+Mo%+1.5×Si%+0.5×Nb%Nieq=Ni%+30×C%+30×N%+0.5×Mn%舍夫勒組織圖
第25頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
Creq=Cr%+Mo%+1.5×Si%+0.5×Nb%
Nieq=Ni%+30×C%+30×N%+0.5×Mn%
德龍圖第26頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.3.2熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變
早期雙相不銹鋼:焊后HAZ中α相含量過高,甚至接近單相α組織(γ<5%),導(dǎo)致脆化和耐腐蝕性下降。
現(xiàn)代雙相不銹鋼:通過提高N含量和控制Cr/Ni當(dāng)量,使鋼中α/γ接近于1,保證焊后HAZ不會(huì)出現(xiàn)單相α組織。
B=Creq-Nieq-11.59當(dāng)B?7時(shí),焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織為比較理想的奧氏體+鐵素體的雙相組織。但是,單道焊時(shí),B?7,奧氏體只是在部分鐵素體的晶界析出,晶內(nèi)析出大量的氮化物,影響鋼的塑、韌性及耐腐蝕性。當(dāng)B?4時(shí),才能保證單道焊時(shí)焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織為比較理想的奧氏體+鐵素體雙相組織。但多層焊時(shí),B?7仍然有效。第27頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
存在的重要問題:
——如何控制焊接熱影響區(qū)的組織?
問題一:HAZ中α相析出過多問題。近縫HAZ加熱至接近熔化溫度,處于α單相組織狀態(tài);隨后冷卻速度較快,α→γ轉(zhuǎn)變來不及進(jìn)行,在HAZ中保有較多α相。
影響因素:1)鋼中N含量
2)冷卻速度:①熱輸入量②板厚第28頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月含N量較高的鋼材:HAZ中α相含量受冷速影響較??;含N量較低的鋼材:HAZ中α相含量受冷速影響較大。第29頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例如:700℃下冷速為70℃/s時(shí),含N量0.130%的鋼,HAZ中α含量達(dá)85%;含N量0.396%的鋼,HAZ中α含量?jī)H43%。仍能保持滿意的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Φ(α)為85%Φ(α)為43%不同N含量雙相不銹鋼的HAZ組織第30頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
結(jié)論:含N量較高的雙相不銹鋼采用低熱輸入的焊接工藝,不會(huì)對(duì)HAZ組織產(chǎn)生不良影響,且無需進(jìn)行焊后固溶退火處理。第31頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
問題二:HAZ中Cr2N析出問題
冷速較快時(shí),在HAZ中α相含量增加的同時(shí),也增加了由α相中析出的Cr2N。焊接冷速提高,隨著α相增加,Cr2N也增加,對(duì)韌性和耐蝕性不利。第32頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
t12/8表示由1200℃冷卻至800℃所需要的時(shí)間。
t12/8越小,冷卻速度越快,熱影響區(qū)中的α相越多,同時(shí)析出的Cr2N的量也越多,這顯然對(duì)韌性和耐蝕性不利。第33頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第34頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
近縫區(qū)以內(nèi)的HAZ:組織變化嚴(yán)重;近縫區(qū)以外的HAZ:同樣存在組織變化,但沒有近縫區(qū)嚴(yán)重。
一般規(guī)律為:隨著峰值溫度的提高,——α相增加,而γ相減少;——α相晶粒尺寸增大;
——在α相晶界和晶內(nèi)析出的Cr2N總量增加。
第35頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
此外,由于鋼中Cr、Mo含量高,故在800℃高溫附近停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),會(huì)析出一些硬脆的金屬間化合物,如σ相(FenCrm:HV800-1000)。在正常焊接條件下一般不會(huì)析出,但在制定焊接工藝時(shí)應(yīng)注意避免HAZ在高溫停留時(shí)間過長(zhǎng),導(dǎo)致σ相脆化和失去耐腐蝕性能。第36頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月雙相不銹鋼焊接性兼有奧氏體鋼和鐵素體鋼各自的優(yōu)點(diǎn),并減少了其各自的不足,焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小,具有良好的焊接性。通常焊前不預(yù)熱,焊后不熱處理。由于有較高的氮含量,熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小,當(dāng)焊接材料選擇合理,焊接線能量控制適當(dāng)時(shí),焊接接頭具有良好的綜合性能。熱裂紋雙相不銹鋼熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小得多。這是由于含鎳量不高,易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)極少,不易產(chǎn)生低熔點(diǎn)液膜。另外,晶粒在高溫下沒有急劇長(zhǎng)大的危險(xiǎn)。冷裂紋的敏感性也比一般低合金高強(qiáng)鋼小得多。
熱影響區(qū)脆化雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫,而在熱影響區(qū)。因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下,熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài),冷卻后總是保留更多的鐵素體,從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。2.4雙相不銹鋼的焊接性第37頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月σ相析出雙相不銹鋼焊接接頭有析出σ相脆化的可能,σ相是鉻和鐵的金屬間化合物,它的形成溫度范圍600~1000℃。不同鋼種形成σ相的溫度不同,如00Cr18Ni5Mo3Si2鋼在800~900℃,而雙相不銹鋼00Cr25Ni7Mo3CuN在750~900℃形成,
850℃最敏感。形成σ相需經(jīng)一定的時(shí)間,一般1~2min萌生,3~5minσ相增多并長(zhǎng)大,因此,焊接時(shí)應(yīng)采用小熱量輸入,快速冷卻。消除應(yīng)力處理時(shí),采用較低的溫度,如550~600℃為宜。這樣可以防止σ相的產(chǎn)生。
雙相不銹鋼固溶處理及σ相和475℃脆性的溫度范圍名稱2205雙相鋼及2507等超級(jí)雙相鋼00Cr25Ni7Mo3CuN固溶溫度/℃10401025~1100空氣氧化起皮溫度/℃10001000σ相形成溫度/℃600~1000600~1000475℃脆化溫度/℃300~525300~525第38頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第39頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月鐵素體475℃脆化雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體,同樣也存在475℃脆性,但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感,雙相不銹鋼中的鐵素體在300~525℃長(zhǎng)期保溫會(huì)析出高鉻α′相,在475℃最敏感,使雙相鋼脆化,由于α′相析出時(shí)間較長(zhǎng),故對(duì)一般焊接影響不大,但應(yīng)限制雙相不銹鋼的工作溫度不高于250℃。焊接工藝焊接工藝參數(shù)對(duì)雙相組織的平衡起著關(guān)鍵的作用。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體組織,若線能量過小,熱影響區(qū)冷卻速度快,奧氏體來不及析出,過量的鐵素體就會(huì)在室溫下過冷保持下來。若線能量過大,冷卻速度太慢,盡管可以獲得足量的奧氏體,但也會(huì)引起熱影響區(qū)鐵素體晶粒長(zhǎng)大以及σ相等有害金屬相的析出,造成接頭脆化。為避免上述情況的發(fā)生,最佳的措施是控制焊接線能量和層間溫度,并使用填充金屬。第40頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月焊接材料
雙相不銹鋼焊接材料在近年來才得到快速發(fā)展,美國(guó)于1992年和1993年首次在焊接材料標(biāo)準(zhǔn)中列入雙相不銹鋼焊條和焊絲,而且均僅有2個(gè)型號(hào):AWSA5·4-1992和AWSA5·9-1993中的E2209-XX、E2553-XX(焊條)和ER2209、ER2553(焊絲)。目前在國(guó)內(nèi)的焊接標(biāo)準(zhǔn)中尚未列入雙相不銹鋼焊條和焊絲,國(guó)內(nèi)有些廠商生產(chǎn)的焊接材料(以焊條為主)大都參考國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。具體到焊接材料的開發(fā)研制,采用能形成較多γ相的焊接材料,可以抑制焊縫中鐵素體相的過量增加,因而一般采用鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比母材高2%~4%的焊接材料。但應(yīng)注意,鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過高。因?yàn)檫@樣有可能使單一的鐵素體凝固模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相凝固時(shí)發(fā)生元素偏析,還會(huì)存在由于母材稀釋得少,鐵素體含量過低,使鉻、鉬相對(duì)集中,促使金屬間相析出的可能性。第41頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月氮元素在通過維持必要的相平衡來提高焊接接頭的耐蝕性方面的能力,是其他合金元素?zé)o法替代的。焊接材料一般都是在提高鎳的基礎(chǔ)上,再加入與母材含量相當(dāng)?shù)牡?,只要加?.1%以上的氮就會(huì)改善焊接接頭的力學(xué)性能。除了在焊接材料中加入氮以外,還可以從焊接工藝上控制相平衡,如在保護(hù)氣體中加氮(如TIG焊、MIG焊),以氮元素對(duì)焊縫金屬合金化,或?qū)⑵涑煞种墟嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)提高10%左右,可獲得奧氏體體積分?jǐn)?shù)不少于60%~70%的焊縫金屬組織。第42頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月鋼種2304(Cr18)2205(Cr22)255(Cr25)超級(jí)雙相鋼2304(Cr18)E2209E2203E2209E2209E22092205(Cr22)E2209E2209E2501E2501255(Cr25)E2209E2501E2501E2501超級(jí)雙相鋼E2209E2501E2501E2501304E309LMoE2209E309LMoE2209E309LMoE2209E309LMo316E309LMoE2209E309LMoE2209E309LMoE2209E309LMoE2209低合金高強(qiáng)鋼E309LE309LE309LE309L雙相不銹鋼及異種金屬焊接材料第43頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.1含N量對(duì)焊縫組織與性能的影響
⑴含N量對(duì)焊縫組織的影響Ar+N2混合氣體保護(hù)TIG焊,混合氣體中N2的分壓PN2增加,焊縫N含量開始時(shí)迅速增加,然后變化很??;
焊縫中α相隨含N量的增加呈線性下降。第44頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑵含N量對(duì)焊縫強(qiáng)度和塑性的影響純Ar氣體保護(hù)TIG焊時(shí),焊縫含N量最低[0.122%N],其抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率明顯低于母材[0.1414%N]。
焊縫含N量增加,則焊縫抗拉強(qiáng)度、延伸率逐漸增大,當(dāng)含N量約0.4%時(shí),焊縫抗拉強(qiáng)度和延伸率接近于母材。
原因:含N量增加,焊縫中α相減少,而γ相增加。第45頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
焊縫中α相增加,其抗拉強(qiáng)度、延伸率則逐漸減小,當(dāng)α相達(dá)60%時(shí),焊縫的抗拉強(qiáng)度和延伸率均低于母材。
第46頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月原因:顯微組織不同母材——細(xì)小的軋制組織;焊縫——粗大的鑄態(tài)組織。
母材焊縫鐵素體含量相同的母材和焊縫組織第47頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月拉伸斷口母材:韌窩斷裂焊縫:0.136%N—(準(zhǔn))解理斷裂0.219%N—準(zhǔn)解理斷裂0.395%N—韌窩斷裂第48頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑶含N量對(duì)焊縫沖擊韌性的影響焊縫含N量增加,則焊縫在室溫和高溫下的沖擊功增大,但都低于母材。焊縫金屬的脆性轉(zhuǎn)變溫度都高于母材金屬。
原因:焊縫韌度主要受γ相和CrN2的影響。焊縫含N量增加,γ相增加、CrN2析出減少,使沖擊韌性提高;而焊縫中α相晶粒粗大,故韌性始終低于母材。
第49頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
思考題:從斷裂機(jī)制上解釋焊縫中的γ相和CrN2析出相的含量是決定焊縫沖擊韌性的主要因素。
解理面小且較平坦
解理平面有延性斷裂區(qū),該區(qū)對(duì)應(yīng)γ相板條。
γ相板條阻止解理裂紋擴(kuò)展第50頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.2焊接熱輸入對(duì)熱影響區(qū)沖擊韌度的影響與焊縫不同,熱影響區(qū)含N量不變,主要受熱輸入影響。
熱輸入太低——α相含量增加,Cr2N析出增多,導(dǎo)致沖擊韌度下降;
熱輸入太高——晶粒嚴(yán)重粗大,也使沖擊韌度下降。如:2205雙相不銹鋼:Cr22%,Ni5.5%,Mo3%,N0.15%焊條:Cr22%,Ni9.5%,Mo3%,N0.13%
熱輸入:0.4kJ/mm,0.8kJ/mm,1.1kJ/mm,1.6kJ/mm,沖擊功:41.2J,48J,49J,35.3J除焊接熱輸入外,板厚、層間溫度等影響冷速的因素,都會(huì)影響HAZ韌性。第51頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月如:瑞典SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼,焊條選擇BOEHLERFOXCN25/9Cu(AWSA5.4-06E2595-15),第52頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.3雙相不銹鋼及其焊縫的σ相脆化焊縫和母材再熱過程中,先由δ相形成細(xì)小的γ’,然后析出σ相。
σ相在焊縫中析出要比在母材中快的多;引起的韌性降低也比母材快的多。
母材Cr25Ni5Mo2,
焊條Cr25Ni9Mo3(DP3),Cr22Ni9Mo3(DP8)
第53頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
斷口分析表明:脆性開裂發(fā)生在σ相及其與基體的界面上。
母材斷口:在σ相周圍的區(qū)域呈韌窩狀。由于δ區(qū)較寬,只有析出大量的σ相才使韌性降低;
焊縫斷口:在焊縫中δ區(qū)是細(xì)條的,斷口為帶有清晰撕裂嶺的脆性斷裂,只要少量的σ相就足以引起焊縫韌性降低。
因此,焊縫σ相脆化傾向比母材大得多,引起脆化的再熱時(shí)間也比母材短得多。
第54頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第55頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.4焊接接頭的氫脆和氫致裂紋⑴熱影響區(qū)氫脆及氫致裂紋敏感性
焊接HAZ峰值溫度升高,氫脆敏感性增加。
原因:隨著峰值溫度升高,γ相減少,δ相增加,在δ相邊界和內(nèi)部析出Cr2N增加。
在Ar+H2中進(jìn)行低熱輸入MIG焊
含N量較高(0.4)的675鋼:即使低熱輸入也不會(huì)在HAZ產(chǎn)生冷裂紋;
含N量較低(0.13)的UR45N鋼:HAZ中δ相高達(dá)82%,產(chǎn)生冷裂紋;通過調(diào)整熱輸入將HAZ中δ相降到75%可避免冷裂。第56頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑵焊縫金屬氫脆及氫致裂紋敏感性焊縫不出現(xiàn)冷裂紋臨界擴(kuò)散氫質(zhì)量分?jǐn)?shù):直Y形坡口裂紋試驗(yàn)——34×10-4%G-Bop焊縫裂紋試驗(yàn)——25×10-4%
一般地,焊縫中δ相低于50%,焊縫金屬對(duì)氫致裂紋不敏感;當(dāng)δ相超過50%,隨著δ相的增加,氫致裂紋敏感性顯著增加。第57頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.5焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂氫脆型應(yīng)力腐蝕裂紋(HESCC):
母材(BM)—臨界應(yīng)力達(dá)到破壞應(yīng)力的90%,HESCC敏感性低;
焊縫(WM)—臨界應(yīng)力達(dá)到破壞應(yīng)力的70%,相當(dāng)于σ0.2的95%,而焊縫周圍的殘余應(yīng)力可以超過σ0.2,因此HESCC敏感性提高?!锪鸭y萌生于δ
/γ界面的δ相一側(cè),并在δ相中擴(kuò)展。γ相在母材中呈層狀分布,有效阻擋裂紋擴(kuò)展;而在焊縫中呈魏氏組織形態(tài),對(duì)裂紋的阻擋作用受到抑制。第58頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
熱影響區(qū)(HAZ)—
敏化處理前,反映應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性的斷裂應(yīng)變?nèi)Q于γ相含量;
敏化處理后,斷裂應(yīng)變與γ相含量無關(guān),斷口呈現(xiàn)與σ相有關(guān)的二次裂紋。第59頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.4.6焊接接頭的點(diǎn)蝕問題⑴成分對(duì)點(diǎn)蝕的影響
Fe>60%時(shí),δ+γ雙相的點(diǎn)蝕電位處于純?chǔ)料嗯c純?chǔ)孟嘀g;
Fe<60%時(shí),δ+γ雙相的點(diǎn)蝕電位與純?chǔ)南嗪图儲(chǔ)孟嗷鞠嗤Wⅲ篎e增加時(shí),對(duì)應(yīng)的Cr、Ni相應(yīng)減少。第60頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
⑵組織對(duì)點(diǎn)蝕的影響
隨著δ相含量的增加,點(diǎn)蝕電位開始時(shí)增加較快,當(dāng)δ相達(dá)到40%后則基本不變。注:Fe含量降低時(shí),即合金含量提高時(shí),點(diǎn)蝕電位降低。A:低鐵系列合金(Fe≤50%)B:高鐵系列合金(Fe=68-70%)第61頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
⑶冷卻速度對(duì)點(diǎn)蝕的影響
隨著含N量增加,點(diǎn)蝕電位提高,但與冷速有關(guān)。
N=0.13%時(shí),冷速對(duì)SCE影響顯著。冷卻快:析出大量Cr2N,SCE低;冷卻慢:基本沒有析出Cr2N,SCE高。
N=0.25%時(shí),冷速快慢Cr2N基本沒有析出,故對(duì)SCE沒有影響。結(jié)論:含N量較低的雙相鋼,其點(diǎn)蝕電位(SCE)對(duì)冷卻速度很敏感,因此焊接含N量較低的雙相不銹鋼時(shí),要嚴(yán)格控制冷卻速度。第62頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
思考題:分析在不同的冷卻速度條件下,雙相不銹鋼的含N量對(duì)δ相和Cr2N析出相體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律。第63頁(yè),課件共72頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
為了獲得滿意的α/γ比,以及最佳的力學(xué)性能與耐腐蝕性能的組合,通常需要控制兩個(gè)因素:
因素1:焊縫化學(xué)成分—填充金屬,保護(hù)氣體,母材稀釋率等
因素2:接頭冷卻速度—熱輸入量,層間溫度,材料厚度等
2.5.1焊接方法的選擇
⑴無填充金屬的TIG焊
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