铁素体—奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能毕业论文.doc

目 录摘要I英文摘要II1 绪论11.1 课题研究的目的及意义11.2 铁素体与奥氏体不锈钢钢简介11.2.1 铁素体不锈钢钢简介11.2.2奥氏体不锈钢简介21.3 铁素体与奥氏体不锈钢的发展现状31.3.1 国外铁素体与奥氏体不锈钢的发展简史31.3.2 国内铁素体与奥氏体不锈钢的发展简史41.3.3 铁素体奥氏体等不锈钢材料今后的发展趋势62 不锈钢的焊接性能与工艺82.1 不锈钢的焊接工艺82.1.1 手工焊（MMA）82.1.2 常见焊接缺陷类型产生原因与防止措施92.2 奥氏体不锈钢的焊接性能分析122.2.1 焊接接头的晶间腐蚀问题122.2.2 焊接接头的刀状腐蚀132.2.3 应力腐蚀开裂问题142.2.4 焊接接头的热裂纹问题142.3 铁素体不锈钢焊接性能分析152.3.1 铁素体不锈钢的焊接性152.3.2 铁素体不锈钢的焊接工艺特点162.4 铁素体与奥氏体异种钢对焊性能分析172.5 焊接接头的组织与性能192.5.1 熔池凝固与焊缝金属的固态相变192.5.2 焊接熔合区的特征212.5.3 焊接热影响区213 实验过程与实验结果分析223.1 焊接材料和焊接方法的选择223.2 实验过程及结果分析243.2.1 金相组织观察试验243.2.2 显微硬度实验274 结论30致 谢32参考文献33铁素体奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能铁素体奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能摘要伴随着现代社会生产的迅速发展，对材料的性能要求越来越高，碳素钢已经不能满足生产的需要。而不锈钢材料具有良好的抗腐蚀性能和耐久性，使产品安全可靠，结实耐久，具有极佳的应用和研究前景。目前，铁素体与奥氏体作为不锈钢材料普遍地被应用于生产制造中，这类钢具有屈服强度高、抗腐蚀性能好、优良的可焊接性能等诸多优点，所以通过分析研究铁素体奥氏体异种钢焊接接头状况，分析接头失效原因，提高接头服役寿命具有十分重要的现实意义。本文研究的是以铁素体与奥氏体不锈钢为母材，在完善的焊接工艺的前提下进行平板对焊。然后分别对截取的焊接试样做金相组织观察、硬度测试、金属力学拉伸等实验。通过观察金相组织情况，对比分析实验数据，得出改善接头组织性能的最佳方案，是本实验研究的主要目的。关键词 铁素体/奥氏体/异种钢焊接/界面组织/力学性能FERRITIC AND AUSTENITIC DISSIMILAR STEEL JOINTS INTERFACE MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTICEABSTRACTWith the rapid development of modern social production, We need the properties of materials more and more increasingly high, carbon steel has been unable to meet the needs of production. While stainless steel has good corrosion resistance and durability, so that the product is safe and reliable, strong and durable, and has excellent application and research prospect. At present, the ferrite and austenite stainless steel material is widely used in manufacturing, this kind of steel has high yield strength, good corrosion resistance, excellent welding performance and many other advantages, so through the analysis and Research on the ferrite and austenitic dissimilar steel welding joint position, joint failure analysis, improve the joint service life has very important practical significance.This study is to take Ferritic and austenitic stainless steel as a base material, to improve the welding process is carried out under the premise of plate butt welding. And then the interception of welding specimen microstructure observation, hardness test, tensile test of metal. Through the observation of microstructure, contrast analysis of the experimental data, the improvement of microstructure and properties of welded joint of the best solution,is the main purpose of this experimental study.KEY WORDS Ferritic,Austenitic,dissimilar steel welding,interface microstructure,mechanical propertiesII1 绪论1.1 课题研究的目的及意义目前碳素钢在工业生产中应用很常见，但是伴随时间的推移我们发现它的缺点也很明显，例如抗腐蚀性差、耐久性不足等。而不锈钢1则能很好的改善这些缺陷，由于其优越的性能目前越来越多应用于现代社会生产中。这类刚的优点很多，如屈服强度较高，抗晶间腐蚀的能力较高，应力腐蚀的敏感性低，焊接时产生热裂纹的倾向小，铸造流动性好等等。它还具有高强度，很高的抗腐蚀性能和能量吸收性能，优良的抗冲刷腐蚀性和耐疲劳性以及优良的可焊接性能。因此，目前普遍应用于热交换器和锅炉，大型储藏罐，海面作业平台的防爆墙，纸浆和造纸工业使用的蒸煮器，化学制品运输船中的货舱，海水淡化设备，烟气净化，海水处理设备等。然而不锈钢在使用中不可避免的出现异种钢焊接情况，本文就着重研究分析的是铁素体奥氏体异种钢焊接接头2问题。铁素体奥氏体异种钢焊接接头的失效问题已成为热动力工程急需解决的问题之一，近年来的研究普遍认为铁素体刚侧熔合区和热影响区是接头的薄弱环节。本实验通过在母材、焊接工艺合理的前提下，对焊缝试样进行金相图分析、测试维氏硬度、金属力学拉伸等实验步骤对比分析材料在焊后组织变化及力学性能情况，探讨分析可能影响接头失效的原因，以此来提高接头的服役寿命。1.2 铁素体与奥氏体不锈钢钢简介1.2.1 铁素体不锈钢钢简介它是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。所谓的铁素体（ferrite，缩写：FN，用F表示）即-Fe和以它为基础的固溶体，具有体心立方点阵。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。 碳溶入-Fe中形成间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，因存在的温度较高，故称高温铁素体或固溶体，用表示，存在的范围小，一般很少见到。 碳溶入-Fe中形成间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，称为铁素体或固溶体，用或F表示，常用在相图标注中，F在行文中常用。室温下的铁素体的机械性能和纯铁相近。它的物理性质如下：抗拉强度180280MN/平方米，屈服强度100170MN/平方米，延伸率3050断面收缩率7080，冲击韧性160200J/平方厘米，硬度HB 5080。由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体不锈钢含铬量在11%30%之间，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（AOD或VOD）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。这类刚的应用领域主要有：电子电器、五金冲压件、弹簧弹片、垫膜片、精密零部件、配件、波纹管、密封件、蚀刻件厨房设备、洗涤槽（SINK）一般拉伸材（表面要求高）煤气灶表面要求高电冰箱（冰柜内胆）电器用具、洗衣机、烘干机、微波炉、装饰管、构造管（工业用）、排管用、建筑材料、MIRROR（镜面材）、再研磨、电梯建筑内外装饰材、窗户、门材、化学设备、热交换器、锅炉、罐、化学工业炉、特殊用途、运输设备、集装箱、铁道、车辆、汽车工业、水工业、建筑业、家电业、环保工业、工业设施等。它常见的牌号主要有Cr17、Cr17Mo2Ti、Cr25、Cr25Mo3Ti、Cr28等，美国牌号有430、439、443、409等。1.2.2 奥氏体不锈钢简介奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。所谓的奥氏体既是碳溶解在铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，无磁性。奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。奥氏体具有一定的特性，例如比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故也可被用来制作要求膨胀灵敏的元件。导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。为避免热应力引起的工件变形，不可采用过大的加热速度加热。它还具有较高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成型等力学性能。奥氏体的硬度一般是170220HBS，延长率为40%50%。1.3 铁素体与奥氏体不锈钢的发展现状1.3.1 国外铁素体与奥氏体不锈钢的发展简史不锈钢作为现代工业中一种重要的材料，已有一百多年的历史。因不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得到广泛而重要的应用。但随着石油化工工业、军事工业及海洋开发的迅速发展。以不锈钢为基体的传动轴、啮合件或动配合件经常会因为不锈钢质软不耐磨、表面强度低、摩擦系数大等因素发生咬合或粘滞现象3。为了提高不锈钢的耐磨性，许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究，如利用化学镀在不锈钢表面沉积耐磨镀层，能提高产品表面硬度，并保证产品的耐腐蚀性能。20世纪初，冶金学家基于对铬在钢中作用的深入认识，发明了不锈钢，结束了钢必然生锈的时代。从不锈钢的发明到工业应用大约经历了十年19041906年法国人Guillet首先对Fe-Cr-Ni合金的冶金和力学性能4进行了开创性的基础研究；19071911年，法国人Portevin和英国人Gissen发现了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的耐蚀性并完成了Guillet的研究工作；19081911年德国人Monnartz 揭示了钢的耐蚀性原理并提出了钝化5的概念，如临界铬含量，碳的作用和钼的影响等。随后，在欧洲和美国，钢的不锈性的实用价值被确认，工业不锈钢牌号相继问世。19121914年，Brearley发明了含1213%Cr的马氏体不锈钢并获得专利；19111914年，美国人Dant-sizen发明了含1416%Cr，0.07%0.15%C的铁素体不锈钢；德国人Maurer和Strauss发明含1.0C，1520%Cr，0.10%）Cr-Ni奥氏体不锈钢的研制工作。试验表明，氮在Cr-Ni奥氏体不锈钢和双相不锈钢中是一种无价且非常有益的合金元素。对氮的强化作用，降低钢的晶间腐蚀敏感性，改善钢的耐蚀性，特别是改善钢的耐点蚀等方面机理，正在进行深入的研究工作。几种控氮和氮合金化的Cr-Ni奥氏体不锈钢已结合工程需要投入了批量生产和应用。1.3.3 铁素体奥氏体等不锈钢材料今后的发展趋势为了挖掘不锈钢的潜能，找出与其他元素之间的最佳配合，研究人员对不锈钢材料的研究也在不断的深入，今后的研究主要可从以下几个方面入手。（1）净化和细晶或超细晶研究 在冶金行业，对材料纯净化的研究不断加深，提出了洁净钢和零夹杂钢的概念。把不锈钢材料的生产与冶炼技术结合起来，纯净、超纯净不锈钢的研究必将得到很好的发展。同时可细化材料晶粒，改变材料的微观特性和结构，使材料获得在正常状态下不具有的特殊性能，拓展材料的使用空间（2）高耐蚀性不锈钢 化工原料的运输和储藏具有较大困难，主要是因为化工原料有很强的腐蚀性，一般的材料不具有高的耐蚀性能。研究适应各种特殊行业（海水净化装置、化工厂、沿海氯化钠腐蚀严重的建筑等）要求，具有良好耐腐蚀性能的不锈钢材料成为当务之急（3）节镍不锈钢 随着不锈钢产量的增加，镍的需求量不断扩大，近期将出现镍供应短缺的局面。在不降低其原有性能的情况下，降低不锈钢中镍的比例或采用其他元素替代镍，是一种切实可行的办法，在今后仍将受到重视和得到发展。如在高锰低镍200系列不锈钢中加入铜的研究就是一种（4）高强度不锈钢 随着某些大型部件的发展和对构件轻量化的要求，对材料强度的要求也不断提高。把合金化，特别是微合金化和高纯度、高均匀性精炼、铸造技术和超细组织控制技术等结合起来发展良好强韧性、耐蚀性和工艺性结合的新材料是高强度不锈钢今后发展的主要方向（5）耐热89和抗氧化不锈钢 对宇宙的探索不断深入，促进了航天和航空业的发展。由于航空和航天行业的特殊要求，需要能经受高温高热的材料。对不锈钢材料进行耐热和抗氧化的研究是一个重要的方向，可拓展材料的应用，促进材料的发展。2 不锈钢的焊接性能与工艺2.1 不锈钢的焊接工艺不锈钢最常用的焊接方法是手工焊（MMA），其次是金属极气体保护焊（MIG/MAG）和钨极惰性气体保护焊（TIG）。（1）通常焊前准备： 4mm以下的厚度不用开破口，直接焊接，单面一次焊透 4到6mm厚度对接焊缝可采用不开破口接头双面焊 6mm以上，一般开V或U，X形坡口其次：对焊件，填充焊丝进行除油和去氧化皮。以保证焊接质量（2）焊接参数1012：包括焊接电流，钨极直径，弧长，电弧电压，焊接速度，保护气流，喷嘴直径等。 焊接电流是决定焊缝成形的关键因素。通常根据焊件材料，厚度，及坡口形状来决定的 焊弧和电弧电压，弧长范围约0.5到3mm，对应的电弧电压为810V 焊极直径根据焊接电流大小决定，电流越大，直径也越大 焊速：选择时要考虑到电流大小，焊件材料敏感度，焊接位置及操作方式等因素决定由于本实验主要采用的是手工焊，所以接下来主要介绍手工焊及焊接要点和注意事项。2.1.1 手工焊（MMA）手工焊是一种非常普遍的、易于使用的焊接方法。电弧的长度靠人的手进行调节，它决定于电焊条和工件之间缝隙的大小。同时，当作为电弧载体时，电焊条也是焊缝填充材料。这种焊接方法很简单，可以用来焊接几乎所有材料。对于室外使用，它有很好的适应性，即使在水下使用也没问题。在电极焊中，电弧长度决定于人的手：当你改变电极与工件的缝隙时，也就改变了电弧的长度，在大多数情况下，焊接采用直流电，电极既作为电弧载体，同时也作为焊缝填充材料。电极由合金或非合金金属芯丝和焊条药皮组成，这层药皮保护焊缝不受空气的侵害，同时稳定电弧，它还引起渣层的形成，保护焊缝使它成型。电焊条既可以是钛型焊条，也可以是碱性的，这决定于药皮的厚度和成分。钛型焊条易于焊接，焊缝扁平美观，且焊渣易于去除。如果焊条贮存时间长，必须重新烘烤，因为来自空气的潮气会很快在焊条中积聚。不锈钢药芯焊丝焊接要点及注意事项： （1）采用平特性焊接电源，直流焊接时采用反极性。使用一般的CO2焊机就可以施焊，但送丝轮的压力请稍调松（2）干伸长度：一般的焊接电流为250A以下时约15mm，250A以上时约2025mm较为合适（3）焊嘴与工件间的距离以1525mm为宜 （4）保护气体一般为二氧化碳气体，气体流量以2025L/min较适宜。2.1.2 常见焊接缺陷类型产生原因与防止措施（1）焊缝尺寸不符合要求角焊缝的K值不等：一般发生在角平焊，也称偏下。偏下或焊缝没有圆滑过渡会引起应力集中，容易产生焊接裂纹。焊条角度问题，应该考虑铁水瘦重力影响问题。许多教授在编写教材注重理论性而忽略实用性。焊条角度适当上抬，48/42度合适。另外，在K值要求较大时，尽量采用斜圆圈型运条方法。焊缝高低不一致：与焊接速度不均匀有关外，与弧长变化有关。所以采用均匀的焊接速度、保持一定的弧长，是防止焊缝高低不一致的有效措施。焊缝宽窄不一致：一是运条速度不均匀，忽快忽慢所致；二是坡口宽度不均匀，焊接时没有进行调整。三是在熔池边缘停留时间不均匀。所以焊接时焊接速度均匀、考虑坡口宽度、熔池边缘停留时间合适。弧坑：息弧时过快。与焊接电流过大、收弧方法不当有关。平焊缝可以采用多种收弧方法，例如回焊法、画圈法、反复息弧法。立对接、立角焊采用反复息弧法，减小焊接电流法。焊缝尺寸不符合要求：在凸起时应力集中，产生裂纹；在焊缝尺寸不足时，降低承载能力；所以在焊接前尽量预防，在焊接中尽量防止，在焊接以后及时修补，保证焊缝尺寸符合施工图纸要求。（2）未焊透与未熔合未焊透一般产生在坡口根部，与埋弧焊偏丝、焊接电流过小、焊接速度快、坡口角度过小、反面清根不彻底。未熔合一般产生在坡口边缘，与电弧在坡口边缘停留时间短、清渣不够、焊接电流过小、焊接速度过快有关。未焊透在X光底片上呈现一道黑直线，未熔合表现为断续的黑直线。未焊透与未熔合都是不能允许的焊接缺陷，这会降低结构力学性能，特别是在冲击载荷、动载荷作用下会产生结构断裂。（3）夹渣夹渣是非金属化合物在焊接熔池冷却没有及时上浮而被封闭在焊缝内，所以与清渣不够、打底层、填充层的成型太差、焊条角度没有进行调整而及时对准坡口两个死角，焊接速度过快、焊接电流过小、非正规的运条方法，没有分清铁水与熔渣，保持熔池的净化氛围。平对接采用合适推渣动作，分清铁水与熔池，焊条角度特别重要。最容易产生夹渣的部位是：平对接各层、填充层与打底层结合部的两个死角，横对接打底层、填充层的最上部的夹角，仰对接的坡口边缘。实际就是焊缝成型没有实现略凹、或平，而特别容易形成过凸的成型所致。夹渣会降低焊缝有效截面使用性能，也容易产生裂纹等其他缺陷，影响焊缝的致密性。（4）咬边与漏边如果焊接电弧在坡口边缘停留时间过少而没有及时进行铁水的补充，留下的缺口就是咬边。所以焊接电弧一定在坡口边缘多做停留，焊接电流适当减少、焊条角度随焊条摆动而正确调整，让焊接电弧轴线始终对准坡口两边的夹角，特别是盖面层非常重要。如果焊接电弧没有到达坡口边缘，焊缝容易产生不是咬边而是漏边。所以防止漏边产生最重要的是焊接电弧一定过坡口边12mm，稍作停留，防止咬边产生。（5）裂纹焊接裂纹是焊缝中不能允许的焊接缺陷。可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹与层状撕裂等。热裂纹与冷裂纹的不同之处：产生的时间与部位不同：热裂纹一般产生在焊接过程中，焊道上，冷裂纹一般产生在焊接以后，乃至数年，焊道到母材延伸。形成形状与颜色不同：热裂纹一般是沿晶间开裂呈锯齿形，有氧化色彩；冷裂纹是沿晶间与晶内开裂，呈曲折形状，没有氧化色彩，呈现金属光泽。裂纹产生12与金属种类有关：一般低碳钢不容易产生裂纹，包括热裂纹与冷裂纹。低合金高强度钢容易产生冷裂纹，对热裂纹敏感性小。不锈钢恰恰相反，特别容易产生热裂纹，而对冷裂纹敏感性小。裂纹产生与金属焊接性有关。金属焊接性越好，越不容易产生裂纹。焊接性越差，容易产生裂纹。例如铸铁、铜合金。防止方法：针对不同的金属焊接采用不同的焊接方法、工艺措施。例如焊接Q345采用合适焊接线能量、预热、保持层间温度、焊后热处理等措施防止冷裂纹产生；而在焊接不锈钢时，则采用限制焊接电流等焊接工艺规范，采用小摆动、控制层间温度，采用退火焊道布置、敲击、防止弧坑裂纹与结晶裂纹。一般来说防止热裂纹的措施是：采用含硫量0.030% 含碳量0.15% 含锰量2.5%的、加入TI 、LV的变质剂、形成双相组织的焊丝与焊条；严格控制焊接工艺参数，选择合适的焊缝成型系数，合理的焊接顺序与方向，采用小电流与多层多道焊等工艺措施，采用预热与缓冷等减少焊接应力的方法。防止冷裂纹的措施是：选用低氢型焊条、防止焊条受潮、清理焊接坡口的杂质，减少氢的来源；采用预热、控制层间温度、后热、焊后热处理、合理的装焊顺序和焊接方向。改善焊接结构的应力状态。防止再热裂纹措施：选用低强度高塑性焊条、适当提高线能量、采用较高预热温度、合理选择消除应力处理温度，避免600敏感温度，减少咬边等焊接缺陷。（6）气孔的种类、产生原因与防止措施定义：气孔是焊接熔池凝固时没有及时析出而残留在焊缝中形成的空穴。类型：一般容易产生氢气孔、氮气孔、CO气孔。单个气孔、密集气孔、链状气孔、缩孔等类型。气孔的判别：H气孔一般产生在焊缝表面，断面为旋涡状，表面为喇叭型，CO气孔沿结晶方向分布。N气孔分布焊缝表面，蜂窝状出现。原因与防止措施：焊条种类不同，产生气孔倾向不同，碱性焊条容易产生气孔，特别是对油、锈、水敏感。在焊接前焊条要进行烘干，保温2小时，一次领用量不超过4小时，采用保温桶。焊缝与坡口要求打磨干净，短弧焊接，引弧与息弧特别注意避免气孔产生。焊接方法不同致使气孔产生类型也不同。CO2焊经常产生的N 、CO 、H 气孔，但是最容易产生的是N气孔。气焊容易产生CO气孔。与气体流量、气体纯度、电弧电压、焊接速度等有关。埋弧焊容易产生气孔与焊接速度有关。缩孔是息弧时产生的一种特殊气孔，与收弧速度过快熔池失去保护形成。特别是海上平台焊接用焊条容易产生。采用清理坡口与焊缝、焊接电流合适、短弧、采用反复息弧法，而且采用较快的频率才能防止。2.2 奥氏体不锈钢的焊接性能分析由于奥氏体不锈钢含有较高的铬，可形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蚀性。当含Cr18，含Ni8时，基本上可获得单一的奥氏体组织，故奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接陛能。但为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量控制及相脆化等。2.2.1 焊接接头的晶间腐蚀问题不锈钢在腐蚀介质的作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐 蚀1314。（1）产生晶间腐蚀的原因奥氏体不锈钢在450850时，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合形成碳化铬（Cr23C6）。由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩散速度，使晶界的铬得不到及时补充，造成奥氏体边界贫铬。当晶界附近的金属含Cr量低于12时，就失去了抗腐蚀能力，在腐蚀介质作用下，即产生晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢，从表面上看来没有痕迹，但在受到应力时即会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。（2）减少和防止晶间腐蚀的措施 控制含碳量碳 碳是造成晶间腐蚀的主要元素，含C量越高，奥氏体晶界处形成的碳化铬越多，贫铬现象越严重，晶间腐蚀越大，所以焊接时采用含碳量小于0.03的焊条，不会产生晶间腐蚀 添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的亲和力比铬强的元素，能与碳结合成稳定的化合物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。如1Crl8NDTi1Crl8Ni2Mo2Ti钢，E34715、H0Crl9Ni9Ti焊丝等 进行固溶处理 焊后将接头加热到10501100，使碳化物重新溶解到奥氏体中，然后迅速冷却，稳定了奥氏体组织。另外，也可以进行850900保温2h的稳定化热处理使奥氏体晶粒内部的铬扩散到晶界，晶界处的含铬量重新恢复到大于12，就不会产生晶间腐蚀 快速冷却 因奥氏体钢不会出现淬硬现象，所以在焊接过程中加快冷却速度，缩短焊接接头在危险温度区的停留时间，以免形成贫铬区 改变焊缝的组织状态 使焊缝由单一的奥氏体相改变为奥氏体加铁素体双相，Cr在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快，因此，铬在铁素体中较快地扩散到晶界，减轻了奥氏体晶界贫铬现象。2.2.2焊接接头的刀状腐蚀（1）刀状腐蚀原因在焊缝和基本金属的熔合线附近，发生如刀刃状的晶间腐蚀，称为刀状腐蚀。只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢（如0Crl8Nil1Ti）的焊接接头上，产生的原因也和Cr23C6析出后形成的贫铬层有关。焊接时，过热区的峰值温度高达1200以上，钢中的TiC溶入奥氏体，分解出的碳在冷却过程中偏聚在晶界形成过饱和状态，而钛则因扩散能力远比碳低而留于晶内，当接头在敏化温度区间再次加热，过饱和的碳在晶间以Cr23C6形式析出，在晶界形成贫铬层，使耐腐蚀能力降低。（2）防止刀状腐蚀的措施 降低含碳量 最好采用超低碳不锈钢，WC0.06 。 减少近缝区过热尽量采用小的热输入，以减少过热区在高温停留时间。 合理安排焊接顺序双面焊时与腐蚀介质接触的焊缝应尽可能最后焊。 焊后稳定化处理 将焊件加热到10501100，使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的碳化物。2.2.3 应力腐蚀开裂问题金属在应力和腐蚀介质共同作用下，所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。（1）应力腐蚀开裂原因在化工设备的破坏事故中，由于不锈钢的应力腐蚀开裂造成事故占50，破坏涉及几乎所有耐蚀材料。开裂时没有任何变形，因而事故往往是突发性的，后果严重。拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂1516的必要条件，应力主要来自于制造过程，因而焊接应力造成事故占到30以上。不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多，包括钢的成分、组织和状态、介质的种类、温度、浓度、应力性质、大小及结构特点等。（2）防止应力腐蚀开裂采取的措施 正确选用材料 根据介质特性，选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施，主要有高纯铬一镍奥氏体不锈钢，高硅铬一镍奥氏体不锈钢，铁素体一奥氏体双相钢等 对材料进行防腐蚀处理 通过电镀、喷镀、物理等方法，用金属或金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离 消除焊件残余应力 采用消除应力热处理及由机械方法降低表面残余应力或造成压应力（如进行喷丸）状态 改进部件及接头设计 由于设计得不合理，往往会形成较大的应力集中或在制造中产生较大的残余应力，这是产生应力腐蚀开裂的重要条件。2.2.4 焊接接头的热裂纹问题（1）焊接热裂纹产生的原因 奥氏体不锈钢导热大约只有钢的一半，而线膨胀系数却大得多，所以焊后在接头中会产生很大的内应力 奥氏体钢中合金元素多，不仅硫、磷等杂质与铁形成低熔点的共晶、合金元素之间或与杂质问作用也可形成低熔点化合物和共晶，如NiS+Ni的熔点为644 奥氏体钢的结晶凝固区间大，结晶时间长，且奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析较严重（2）防止焊接热裂纹的措施 采用双相组织焊缝：当焊缝中有5左右的铁素体时，可打乱奥氏体柱状晶的方向 工艺上的措施：采用碱性焊条、小电流、快速焊，防止产生热裂纹严格 控制有害杂质硫、磷的含量。2.3 铁素体不锈钢焊接性能分析2.3.1 铁素体不锈钢的焊接性铁素体型不锈钢一般都是在室温下具有纯铁素体组织，塑性、韧性良好。由于铁素体的线膨胀系数较奥氏体的小，其焊接热裂纹和冷裂纹的问题并不突出。通常说，铁素体型不锈钢不如奥氏体不锈钢的好焊，主要是指焊接过程中可能导致焊接接头的塑性、韧性降低即发生脆化17的问题。此外，铁素体不锈钢的耐蚀性及高温下长期服役可能出现的脆化也是焊接过程中不可忽视的问题。高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好得多。（1）焊接接头的晶间腐蚀 碳的质量分数为0.05%0.1%的普通铁素体铬钢发生腐蚀的条件和奥氏体铬镍钢稍有不同。从900以上快速冷却，铁素体铬不锈钢对腐蚀很敏感，但经过650800的回火后，又可恢复其耐蚀性。所以，焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨焊缝的高温区。晶间腐蚀是在晶粒边界附近发生的有选择性腐蚀现象，如图2-1、2-2所示： 图2-1 焊缝高温区腐蚀位置 图2-2晶粒边界腐蚀现象原因：贫铬理论A不锈钢加热到450-850（敏化温度）区间发生高铬F不锈钢从高温急冷发生，经650850加热缓冷可消除（2）焊接接头的脆化 铁素体不锈钢的晶粒在900以上极易粗化；加热至475附近或自高温缓冷至475附近；在550820温度区间停留形成的相均使接头的塑性、韧性降低而脆化。 高温脆性 铁素体不锈钢焊接接头加热至9501000以上后急冷至室温，焊接热影响区的塑性和韧性显著降低，称为“高温脆性”。其脆化程度与合金元素碳和氮的含量有关。碳、氮含量越高，焊接热影响区脆化程度就越严重。焊接接头冷却速度越快，其韧性下降值越多；如果空冷或缓冷，则对塑性影响不大 475脆化 WCr15%的普通纯度铁素体不锈钢在400500长期加热后，即可出现475脆性。随着铬含量的增加，脆化的倾向加重。焊接接头在焊接热循环的作用下，不可避免地要经过此温度区间，特别是当焊缝和热影响区在此温度停留时间较长时，均有产生475脆性的可能。475脆化可通过焊后热处理消除 相脆化 普通纯度铁素体不锈钢中WCr21%时，若在520820之间长时间加热，即可析出相。相的形成与焊缝金属中的化学成分、组织、加热温度、保温时间以及预先冷变形等因素有关。钢中促进铁素体形成的元素如铝、硅、钼、钛和铌均能强烈地增大产生相的倾向；锰能使高铬钢形成相所需铬的含量降低；而碳和氮能稳定奥氏体相并能与铬形成化合物，会使形成相所需铬含量增加。镍能使形成相所需温度提高。由于相的形成有赖于Cr、Fe等原子的扩散迁移，故形成速度较慢。WCr=17%的钢只有在550回火1000h后才会开始析出相。当加入2%的Mo时，相析出时间大为缩短，约在600回火200h后即可出现相。因此，对于长期工作于相形成温度区的铁素体型耐热钢的焊接高温构件而言，必须引起足够的重视。2.3.2 铁素体不锈钢的焊接工艺特点普通纯度铁素体钢焊接接头韧性较低，主要是由于单相铁素体钢易于晶粒粗化，热影响区和焊缝容易形成脆性马氏体，还有可能出现475脆性。（1）焊接方法普通纯度铁素体钢的焊接方法通常可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊和埋弧焊。无论采用何种焊接方法，都应以控制热输入为目的，以抑制焊接区的铁素体晶粒过分长大。工艺上可采取多层多道快速焊，强制冷却焊缝的方法，如通氩或冷却水等。超高纯度铁素体钢的焊接方法有氩弧焊、等离子弧焊和真空电子束焊。采用这些方法的目的主要是净化熔池表面，防止沾污。（2）焊接材料的选择在焊接铁素体不锈钢及其与异种钢焊接时填充金属主要有三类：同质铁素体型、奥氏体型和镍基合金。采用同质焊接材料时，焊缝与母材金属有相同的颜色和形貌，相同的线膨胀系数和大体相似的耐蚀性，但焊缝金属呈粗大的铁素体钢组织，韧性较差。为了改善性能，应尽量限制杂质含量，提高其纯度，同时进行合理的合金化。（3）低温预热及焊后热处理铁素体不锈钢在室温的韧性本就很低，且易形成高温脆化，在一定条件下可能产生裂纹。通过预热，使焊接接头处于富有韧性的状态下焊接，能有效地防止裂纹的产生。但是，焊接热循环又会使焊接接头近缝区的晶粒急剧长大粗化，从而引起脆化。因此，预热温度的选择要慎重，一般控制在100200，随着母材金属中铬含量的提高，预热温度可相应提高。但预热温度过高，又会使焊接接头过热而脆硬1820。 此外，铁素体不锈钢的晶粒在900以上极易粗化且难以消除，因为热处理工艺无法细化铁素体晶粒。因此，焊接时应尽量采取小的热输入和较快的冷却速度；多层焊时，还应严格控制层间温度。2.4 铁素体与奥氏体异种钢对焊性能分析奥氏体与铁素体类钢的焊接21，关键是焊接材料与两侧钢材各种性能的匹配问题。要获得可靠的异种金属接头，焊接材料就应满足以下若干条件：（1）物理性能 焊缝金属的物理性能应该与两种母材性能相匹配，其中热膨胀问题是非常重要的。为了使运行的热应力降到最小程度，焊接材料的热膨胀系数应介于两种母材之间（2）防止焊接缺陷 焊接材料必须有能力承受两种母材的稀释而不形成对裂纹敏感的组织或其他缺陷（3）组织稳定性 焊缝金属必须在所有使用温度下保持组织的稳定性，尽量不发生碳扩散以及产生有害碳化物相（4）抗腐蚀性 焊缝金属的抗腐蚀能力应高于其中一侧母材，以防止焊缝被优先腐蚀。奥氏体与铁素体的焊接可采用手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、脉冲氩弧焊等方法进行。选择原则是优先选择能在保证焊接质量的情况下，输入较小的线能量的焊接方法。焊接线能量在保证焊接质量的前提下应尽可能降低，因为奥氏体的柱状晶具有明显的方向性，晶界有利于杂质的偏析和缺陷的聚集，同时奥氏体的线膨胀系数大，冷却缩应力大，易产生热裂纹。另外合金元素Cr、Ti等元素易烧损，所以要求的线能量不能太高。奥氏体与铁素体钢焊接时，线能量输入过大，容易在铁素体钢热影响区的过热区产生粗大的晶粒，降低接头的机械性能，易产生再热裂纹；线能量的输入过大还会增加焊缝的稀释率，可能在靠近铁素体一侧焊缝产生一定量的马氏体组织，增大产生冷裂纹的倾向。焊前是否选择预热是十分重要的。对于铁素体钢来说，预热可以减少热影响区的淬硬倾向，减缓冷却速度，防止冷裂纹的产生，但预热实际上增加了线能量，对奥氏体钢则易产生热裂纹及增大熔合比。综合考虑，对于淬硬性较大的铁素体钢与奥氏体钢焊接时，还是采取预热措施为好，担预热的温度应适当控制，不宜过高。焊后是否进行热处理，也是十分重要的问题。一般来讲奥氏体钢热处理会带来一系列的问题，如475 脆化、相析出、碳化物析出及晶间腐蚀能力降低等，所以奥氏体钢焊后一般不需要进行热处理。异种钢焊接要做热处理是根据铁素体钢的特性提出的，铁素体钢焊后进行热处理的目的是消除焊接应力，降低硬度，改善组织等。对于薄壁管如12Cr2MoWVTiB，壁厚小于6 mm时，采取一定措施（氩弧焊、预热、缓冷） 后，按电力部焊工技术考核规程规定可免做热处理。另外，异种钢焊口在热处理过程中，会发生碳扩散。温度越高，时间越长，碳扩散越严重，结果在铁素体钢一侧熔合线两边形成脱碳2224与增碳层，降低接头的蠕变性能，并在高温下长期使用，该熔合区易产生显微裂纹。因此异种钢焊后是否要做热处理要慎重。2.5 焊接接头的组织与性能焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。熔池金属在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源远离温度而迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝，并在继续冷却中发生固态相变。熔合区和热影响区在焊接热源的作用下，也将发生不同的组织变化。许多焊接缺陷，如气孔、夹杂物、裂纹等都是在上述这些过程中产生，因此，了解接头组织与性能变化规律，对于控制焊接质量、防止焊接缺陷有重要的意义。2.5.1 熔池凝固与焊缝金属的固态相变（1）熔池的凝固焊接熔池的凝固过程服从于金属结晶的基本规律。宏观上，金属结晶的实际温度总是低于理论的结晶温度，即液体金属具有一定的过冷度是凝固的必要条件。微观上，金属的凝固过程是由晶核不断形成和长大这两个基本过程共同构成。此外，这个过程还受到焊接热循环特殊条件的制约。因此，研究焊接熔池的凝固过程，必须结合焊接热循环的特点与具体施焊条件。焊接熔池与铸锭相比，具有如下的优点： 焊接熔池体积小 一般在电弧焊条件下，熔池的体积最大不过几十立方厘米，质量不过100g，与以吨为单位的铸锭相比是微乎其微的 焊接熔池温度极不均匀 熔池中部处于热源中心呈过热状态，一般钢可达2300；而熔池边缘紧邻未溶化的母材处，是过冷的液体金属，因此，从熔池中心到边缘存在了很大的温度梯度 熔池在