第4章 不锈钢及耐热钢的焊接.ppt

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1、第第4章章 不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢的焊接的焊接 不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（Cr12%）、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊性。不锈钢的定义 不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称，对其含义有以下三种理解：(1)原义型 仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢。(2)习惯型 指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称。(3)广义型 泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢 我国目前所谓不锈钢

2、是指习惯型含义。不锈钢及耐热钢的 主要成分为Cr和Ni。1按主要化学成分分类(1)铬不锈钢 指Cr的质量分数介于12%30%之间的不锈钢，其基本类型为Cr13型。(2)铬镍不锈钢 指Cr的质量分数介于12%30%，Ni的质量分数介于6%12%和含其他少量元素的钢种，基本类型为Cr18Ni9钢。(3)铬锰氮不锈钢 属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量。氮作为固溶强化元素，可提高奥氏体不锈钢的强度而并不显著损害钢的塑性和韧性，同时提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。这类钢种如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。2按

3、用途分类3按组织分类 按空冷后室温来分类，是应用最广泛的分类方法。Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。(4)铁素体奥氏体双相钢 钢中铁素体占6040，奥氏体占4060，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。(5)沉淀硬化钢 经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH；半奥氏体（奥氏体马氏体）沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称1

4、7-7PH。所以，也常称这类钢为PH不锈钢（Precipitation Hardening Stainless Steels）。随着冶金技术的进步，上述五类钢种也得到较大发展，突出表现为陆续诞生超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、超级双相不锈钢以及马氏体时效不锈钢。1不锈钢的物理性能 不锈钢及耐热钢的物理性能与低碳钢有很大差异，如表4-1所示。组织状态同类的钢，其物理性能也基本相同。n 一般地说，合金元素含量越多，热导率 越小，而线膨胀系数 和电阻率 越大。马氏体钢和铁素体钢的 约为低碳钢的1/2，其 与低碳钢大体相当。奥氏体钢的 约为低碳钢的1/3，其 则比低碳钢大50%，

5、并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种金属焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性；奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性；18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件能显示出强磁性。2不锈钢的耐蚀性能 不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。(3)缝隙腐蚀 在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞现象，以至溶液

6、局部Cl浓化，形成浓差电池，从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏的现象称为缝隙腐蚀(4)晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。(5)应力腐蚀 也称应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，简称SCC），是指不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。不锈钢的应力腐蚀大部 分是由氯引起的。高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。3不锈钢及耐热钢的高温性能 耐热性能是指高温下，既有抗氧

7、化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又有足够的强度即热强性。(1)高温性能 不锈钢表面形成的钝化膜不仅具有抗氧化和耐腐蚀的性能，而且还可提高使用温度。例如，当在某种标准评定的条件下，若单独应用铬来提高钢的耐氧化性，介质温度达到800时，则要求铬的质量分数需达到12%；而在950下耐氧化时，则要求铬的质量分数为20%；当铬的质量分数达到28%时，在1100也能抗氧化。(2)合金化问题 耐热钢的高温性能中首先要保证抗氧化性能。为此钢中一般均含有Cr、Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。热强性是指在高温下长时间工作时对断裂的抗力（持久强度），或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能

8、力（蠕变抗力）。为提高钢的热强性，其措施主要是：1)提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力。2)形成稳定的第二相，主要是碳化物相（MC、M6C、或M23C6）。因此，为提高热强性希望适当提高碳含量（这一点恰好同不锈钢的要求相矛盾）。如能同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等就更有效。3)减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等，如奥氏体钢0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加 B 0.003%。(3)高温脆化问题 耐热钢在热加工或长期工作中，可能产生脆化现象。除了Cr13钢在550附近的回火脆性、高铬铁素体钢的晶粒长大脆化，以及奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成

9、的脆化之外，值得注意的还有475脆性和相脆化。475脆性主要出现在Cr的质量分数超过15%的铁素体钢中。在430480之间长期加热并缓冷，就可导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称之为475脆性。相是Cr的质量分数约45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。在纯Fe-Cr合金中，Cr20即可产生相。当存在其他合金元素，特别是存在Mn、Si、Mo、W等时，会促使在较低Cr含量下即形成相，而且可以是三元组成 1Fe-Cr相图 图4-1是Fe-Cr二元合金状态图。铬是缩小奥氏体相区的元素，在其质量分数约大于12%时，奥氏体相区完全消失。这就意味含Cr12%的合金不发生-转变，因

10、而也不会发生晶粒细化和硬化。Cr是强铁素体形成元素，因此在整个的合金范围内，铁素体都可以从液体金属中析出。当含Cr量较高时，脆硬的相在约820从铁素体开始析出。相中Cr含量高，所以会发生脆化。由于相在晶界析出，消耗了基体中的大量铬，使抗蚀性下降。在低于600时，()铁素体偏析形成低Cr的铁素体和高Cr的铁素体，这就是我们所说的不锈钢的475脆化。2Fe-Ni相图 图4-2为Fe-Ni二元合金状态图。与 Cr相反，Ni是强奥氏体形成元素。例如，当含 Ni5%时,金属 熔液就不再凝固为铁素体，而是形成奥氏体。铁素体的形成被限制在一个很小的铁素体相区角上。随后再冷却到14001500时，铁素体又转变

11、成奥氏体。这个转变是包晶反应。凝固形成的奥氏体相当稳定，但这一过程有时易于形成偏析 图4-1 Fe-Cr二元合金状态图 图4-2 Fe-Ni二元合金状态图3合金元素对相图的影响(1)碳的影响 不锈钢中，碳首先和铬形成化合物，其次是铁。碳是强奥氏体化元素，会使相区增大，而相区减小。在723的纯铁中，碳在相中的溶解度是相中的40倍，可以认为不锈钢中的奥氏体晶粒对碳具有良好的溶解性。但是，由于铬元素具有强烈的形成M23C6碳化物倾向，即使是在碳含量很低的情况下也可以生成，使得碳在奥氏体中活性降低，不锈钢中碳的溶解度大大降低。碳还影响相的形成。增加碳含量将使碳化物含量增加，部分铬转变为M23C6高铬碳

12、化物。因而基体中铬的含量减少，相析出减缓。从相图上看，相区缩小。(2)氮的影响 氮是强奥氏体化元素。氮比碳在奥氏体铬镍不锈钢中的溶解度高得多，并随着铬含量的增加而快速增加，因此氮在奥氏体不锈钢中不易形成脆性析出相。(3)钼的影响 同Cr元素一样，Mo也是铁素体形成元素。Mo对相区有强烈的缩小作用，C对相区有强烈的扩大作用，通过调整Cr、Mo、C的相对含量，就完全可以避免或保留一定量的铁素体。Mo的存在还会使相区的边界向高温区迁移。因此，含钼的铬不锈钢比不含钼的铬不锈钢转变成相的温度更高。(4)锰的影响 Mn是奥氏体形成元素，与Ni相似，会扩大相区，使-的转变向低温移动，使得奥氏体组织在室温下也

13、很稳定，但其对奥氏体化的影响比镍弱。锰的影响有两方面：一是可以防止在奥氏体焊缝中的热裂纹；二是提高氮的溶解度。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类：(1)18-8型奥氏体不锈钢 是应用最广泛的一类奥氏体不锈钢，也是奥氏体型不锈钢的基本钢种，其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生出来的。(2)18-12Mo型奥氏体不锈钢 这类钢中钼的质量分数一般为

14、2%4%。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素，为了固溶处理后得到单一的奥氏体相，在钢中Ni的质量分数要提高到10%以上(3)25-20型奥氏体不锈钢 这类钢铬、镍含量很高，具有很好的耐腐蚀性能和耐热性能。1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性(1)晶间腐蚀 18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，如图4-3所示。在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决于钢和焊缝的成分。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要决定于 图4-3 18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象 焊接材料。在正常情况下，现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。1)焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶

15、间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定化元素Nb（因Ti不易过渡到焊缝中而不采用Ti），一般希望Nb8 C或Nb1；二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体（）相。2）热影响区敏化区晶间腐蚀 所谓热影响区（HAZ）敏化区晶间腐蚀是指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀。0Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀如图4-5所示。显然只有18-8钢才会有敏化区存在，含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb，以及超低碳18-8钢不易有敏化区出现。对于C=0.05%和0Cr18Ni9不锈钢来说，Cr23C6的析出温度为60085

16、0，TiC的则高达1100，如图4-6所示。可见，如果冷却速度快，铬碳化物就不会析出。为防止18-8钢敏化区腐蚀，在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊过程，以减少处于敏化加热的时间。3）刀状腐蚀 在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口形式，故称为“刀状腐蚀”（Knife-line Corrosion），简称刀蚀，如图4-7所示。腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。图4-5 0Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀 图4-6 Cr23C6、TiC的析出温度(2)应力腐蚀开裂（SCC）1）腐蚀介质的影响 应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与材料组合上的选择性，在此特定组合之外不会产生应力腐蚀。如在Cl的环境中，18-8不锈钢的应力腐蚀不仅与溶液中Cl离子有关，而且还与其溶液中氧含量有关。Cl离子浓度很高、氧含量较少或Cl离子浓度较低、氧含量较高时，均不会引起应力腐蚀。2）焊接应力的作用 应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介质共同作用的结果。由于低热导率及高热膨胀系数，不锈钢焊后常常产生较大的残余应力。应力腐蚀开裂的拉应力中，来源于焊接残余应力的超过30%，焊接拉应力越大，越易发生应