（材料加工工程专业论文）443铁素体不锈钢随焊冷却焊接接头的组织和性能研究.pdf

太原理：人学硕士研究生学位论文 4 4 3 铁素体不锈钢随焊冷却焊接接头的组织和性能研究 摘要 4 4 3 铁素体不锈钢是国内近年来新开发出的一种超纯高铬铁素体不锈 钢，由于其具有优异的性能，被作为将来3 0 4 不锈钢的替代品。但是与奥 氏体不锈钢相比，其焊接h a z 晶粒容易长大，组织结构及性能变差成为这 类钢在焊接加工时最为突出的一个问题，特别是冲击性能较差，是焊接接 头的薄弱环节，而且随着板厚的增加更加明显的显现出来，这些不足严重 影响了该类型不锈钢在工程结构领域的推广使用，是目前亟待解决的一项 重要技术难点。 本课题分别利用空冷( a n c ) 、水冷( t w c ) 、液氮冷却( l n c ) 三 种随焊冷却方式对4 m m 厚的4 4 3 铁素体不锈钢进行焊接；分析了a n c 法、 t w c 法和l n c 法三种随焊冷却焊接接头的显微组织、相组成物、常规力 学性能以及耐腐蚀性能，并对不同随焊冷却条件下冲击断口形貌进行s e m 观察。 显微组织分析表明母材显微组织为多边形的铁素体组织，晶粒度为5 级左右；a n c 法、t w c 法和l n c 法焊缝组织均为由奥氏体和铁素体构成 的双相组织；t w c 法和l n c 法得到的焊接h a z 的晶粒尺寸较a n c 明显 细化，晶粒度为3 4 级； 显微硬度测试表明母材的平均硬度为16 7 9 h v o 1 ，a n c 、t w c 、l n c 三种焊接接头从焊缝到母材，硬度总体上呈下降趋势，其中热影响区的硬 度较母材有所提高，其硬度值约为18 5 2 0 0 h v 0 - l ； 拉伸试验表明a n c 、t w c 、l n c 三种焊接接头抗拉强度均可达到母材 的9 5 以上，其伸长率分别为母材的7 7 6 、8 4 5 、8 7 2 ；弯曲测试试 验表明母材及a n c 、t w c 、l n c 三种焊接接头弯曲角度均能达到1 8 0 0 ， 且通过观察均没有发现微裂纹； 缺口冲击试验表明母材及a n c 、t w c 、l n c 三种焊缝冲击功均能达到 3 0 j 以上，a n c 热影响区冲击功仅为4 8 6 7 j ，但t w c 和l n c 焊接接头热 影响区冲击功较a n c 试样有所提高，分别可以达到1 6 5 j 和1 7 3 j ；冲击断 太原理工人学硕士研究生! 学位论文 口s e m 分析表明，a n c 焊接热影响冲击断口呈现解理断裂特征，而t w c 和l n c 两种焊接接头热影响区冲击断口呈现延性和解理的混合断口，而母 材断口上出现大量的韧窝，呈现出明显的延性断裂； 晶间腐蚀试验表明a n c 、t w c 、l n c 三种焊接接头及母材腐蚀试验后 试样表面没有发生明显变化，通过弯曲试验评定表明，其弯曲角度均能达 到18 0 0 ，且在放大镜下观察弯曲部位均没有产生微裂纹； 电化学腐蚀试验表明a n c 、t w c 、l n c 和母材的白腐蚀电位丘。玎分别 为一0 9 9 9 v 、0 9 0 9 v 、o 8 0 3 v 和一0 7 7 0 v ，自腐蚀电流密度芘附分别为 7 0 8 x10 a c m 一、2 51x1 0 a c m 、0 6 3 x10 a c m 2 和o 5 x10 6 a c m ： 盐雾腐蚀试样评级显示母材( m c ) 与l n c 腐蚀程度为d 级，t w c 为e 级，a n c 为f 级，a n c 、t w c 、l n c 三种焊接接头及m c 在经过4 8 0 h 盐 雾腐蚀试验后，腐蚀速率分别为1 4 1 x 1 0 一g m m - 2 h 、0 6 3 5 x1 0 一g m m - 2 h 、 0 5 2x10 一g m m - 2 h - 1 和0 2 7x10 书g m m - 2 h 一； 综合比较可知，使用l n c 法对4 4 3 铁素体不锈钢进行焊接后，其接头 组织性能均明显改善，特别是热影响区冲击性能与a n c 法相比提高了两倍 以上，这是由于液氮做冷却介质使峰值温度减小和高温停留时间缩短，从 而在一定程度上抑制晶粒长大，因此焊接接头性能得到提高。 关键词：铁素体不锈钢，随焊冷却，显微组织，力学性能，腐蚀性能 i i 太原理i i 入学硕十研究生学位论文 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e i u 、i e s0 f w e l d e dj o i n t s0 f4 4 3f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l a l o n gw i t ht r a i l i n gi n t e 】ns ec o o l i n g a bs t r a c t a san e wf e r r i t es t a i n l e s ss t e e l 4 4 3f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lw a sd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r sw h i c hh a v eu l t r a 1 0 wc a r b o nc o n t e n ta n dh i g hc h r o m ec o n t e n t ，d u e t oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i tw a sr e g a r d e da st h es u b s t i t u t eo ft h e30 4s t a i n l e s s s t e e li nf u t u r e b u tc o m p a r e dw i t ht h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l t h eg r a i n so ft h e h e a t a f f e c t e dz o n ew e r eg r o w nu p ，o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e sb e c o m e p o o r , w h i c hb e c o m et h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi nt h ew e l d i n gs t r u c t u r e ，e s p e c i a l l y t h ei m p a c tp r o p e r t yw a sp o o r ，a n dt h e s ed i s a d v a n t a g e sb e c o m em o r eo b v i o u s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s s ，t h e s ed i s a d v a n t a g e ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h e a p p l i c a t i o n so f4 4 3f e r r i t es t a i n l e s ss t e e li ne n g i n e e r i n gs t r u c t u r ef i e l d w h i c h w a sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a ld i f f i c u l t ya tt h ep r e s e n t ； i nt h i s p a p e r ，4 4 3 f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e r ew e l d e d a l o n gw i t ha i r c o l d ( a n c ) 、w a t e rc o o l i n g ( t w c ) a n dl i q u i d n i t r o g e nc o o l i n g ( l n c ) r e s p e c t i v e l y ，t h e t h i c k n e s so ft h e4 4 3f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e li s4 r a m ；t h e m i c r o s t r u c t u r e 、p h a s ec o m p o s i t i o n 、m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f a n c 、t w ca n dl n c w e l d i n gj o i n t sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ei m p a c t f r a c t u r em o r p h o l o g yo ft h ed i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n sw e r eo b s e r v e d ； t h er e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r es h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eb a s em e t a l w a sp o l y g o nf e r r i t e ，t h eg r a i ns i z ew a sa b o u tl e v e l s5 ；t h es e a mo r g a n i z a t i o no f a n c 、t w ca n dl n cw e l d e di o i n t sw e r ec o n s i s t e do ft h e d u p l e x o r g a n i z a t i o n ，c o n t a i n t e da u s t e n i t i ca n df e r r i t e ，a n dt h ea c i c u l a rf e r r i t ew a sf o r m e d i nw e l d i n gs e a m s ，t h eg r a i n si nt h eh e a t a f f e c t e dz o n ew e r er e f i n e da l o n gw i t h t h e t r a i l i n gi n t e n s ec o o l i n g ，t h el e v e lo f t h eg r a i ns i z ew a s 3 - 4 ； m i c r o h a r d n e s sr e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g eh a r d n e s so ft h eb a s em e t a lw a s 16 7 9 h v 0 1 ，t h eh a r d n e s so fa n c 、t w ca n dl n c w e l d i n gjo i n t sh a v ed e c l i n e d f r o mw e l d i n gs e a mt ob a s em e t a l ，t h eh i 曲e s th a r d n e s sa p p e a r sa tt h ew e l dc e n t e r ， t h eh a r d n e s si sa b o v e2 0 0 h v o 】，a n dt h eh a r d n e s so fh e a ta f f e c t e dz o n ei sr o s e n i i i 太原理。1 2 大! 学硕十研究生学位论文 c o m p a r e dw i t hb a s em e t a l ，i t sh a r d n e s si sa b o u t18 5 - 2 0 0 h v 0 1 ； t e n s i l et e s t ss h o wt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ew e l d i n gjo i n tu s i n ga n c m e t h o d 、t w cm e t h o da n dl n cm e t h o du pt oa b o v e9 5 o ft h eb a s em e t a l t h e e l o n g a t i o nr e a c h e d7 7 6 、8 4 5 a n d8 7 2 o ft h eb a s em e t a lr e s p e c t i v e l y ； b e n d i n gt e s ti n d i c a t e dt h a tt h eb e n d i n ga n g l eo ft h ew e l d e djo i n t su s i n ga n c m e t h o d 、t w cm e t h o da n dl n cm e t h o da n dt h eb a s em e t a la 1 1c a nr e a c h18 0 0 w h e r e a st h e r ei sn oc r a c ko nw e l ds u r f a c eo ft h es p e c i m e n s ； t h en o t c h e di m p a c tt e s t ss h o wt h a tt h ei m p a c te n e r g yo ft h eb a s em e t a la n d t h ew e l du s i n ga n cm e t h o d 、t w cm e t h o d 、l n cm e t h o da 1 1c a nr e a c hm o r e t h a n3 0 j ，i m p a c te n e r g yo ft h eh e a ta f f e c t e dz o n eu s i n ga n c m e t h o do n l yr e a c h 4 8 6 7 j ，b u ti m p a c te n e r g yo ft h eh e a ta f f e c t e dz o n ei n c r e a s e dc o m p a r e dw i t ht h e a n cw e l d i n gj o i n tu s i n gt w cm e t h o da n dl n cm e t h o d ，w h i c hr e a c h16 5 j a n d17 3 jr e s p e c t i v e l y ；s e mm o r p h o l o g yo fi m p a c tf r a c t u r es u r f a c es h o w st h a t t h eh e a t a f f e c t e dz o n eu s i n ga n cm e t h o dh a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l e a v a g e f r a c t u r e ，s e mm o r p h o l o g yo ft h ei m p a c tf r a c t u r eo ft h eh e a ta f f e c t e dz o n eu s i n g t w cm e t h o da n dl n cm e t h o ds h o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l e a v a g ef r a c t u r ea n d t h ed u c t i l ef r a c t u r es i m u l t a n e o u s l y ，a n dt h eb a s em e t a ls h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ed u c t i l ef r a c t u r eo b v i o u s l y ； i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nt e s ts h o w st h es u r f a c eo ft h ew e l d i n gjo i n t su s i n g a n cm e t h o d 、t w cm e t h o d 、l n cm e t h o da n dt h eb a s em e t a ld i d n tc h a n g e g r e a t l ya f t e rc o r r o s i o nt e s t ，t h r o u g ht h eb e n d i n gt e s te v a l u a t i o ns h o w e dt h a tt h e b e n d i n ga n g l ea l lc a nr e a c h18 0 0 7 w h e r e a st h e r ew a sn oc r a c ko nw e l ds u r f a c eo f t h es p e c i m e n sw h i c hw a so b s e r v e du n d e rt h em a g n i f y i n gg l a s s ； e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s ts h o w st h et h ec o r r o s i o np o t e n t i a le c o r ro ft h e w e l d i n gjo i n t so f 协ea n cm e t h o d 、t w cm e t h o d 、l n cm e t h o da n dt h eb a s e m e t a li s 0 9 9 9v 、0 9 0 9v 、0 8 0 3va n d0 7 7 0vr e s p e c t i v e l y c o r r o s i o nc u r r e n t d e n s i t y i c 。r r i s7 0 8 x10 6 a c m 、2 51 10 - 6 a c m 、o 6 3 x l0 - 6 a c m - 2 a n d o 5x10 6 a 。c m - 2r e s p e c t i v e l y ； n sst e s ts h o w st h ec o r r o s i o ne x t e n to ft h ew e l d i n gs p e c i m e nu s i n gl n c m e t h o da n dt h eb a s em e t a li sl e v e ld ，t w cw e l d i n gs p e c i m e ni sg r a d ee ，p 州c s p e c i m e ni sl e v e lf ，t h ec o r r o s i o nr a t eo f t h ew e l d i n g o i n t so f t h ea n c m e t h o d 、 t w cm e t h o d 、l n cm e t h o da n dt h eb a s em e t a li s1 4 1 1o 嗡g m m 叫。h 、 o 6 3 5 x 1 0 8 9 i n i n - 2 h 1 、o 5 2 x 1 0 - s g m m - 2 h 1a n d0 2 7 x 1 0 。8 9 。m m 2 h 1r e s p e c t i v e l y a f t e rc o r r o s i o nt e s t4 8 0 h ； i v 太原理工人学硕十研究生学位论文 一 b a s e do nt h eo b o v e ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t i e s o ft h el n c w e l d i n gjo i n tw a sm a r k e d l yi m p r o v e d ，e s p e c i a l l yt h ei m p a c te n e r g yo f t h eh e a t a f f e c t e dz o n ew a su pt ot w i c en e a r l yt h a nt h ea n cm e t h o d ，t h i si s d u et ot h e l i q u i dn i t r o g e na st h ec o o l i n gm e d i u m ，t h ep e a kt e m p e r a t u r ew a s r e d u c e da n d t h eh o l d i n gt i m eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r ew a ss h o r t e n e d ，a n dt h a ti n h i b i tt h e g r a i ng r o w t h a tc e r t a i ne x t e n t ，s ot h ep r o p e r t i e so ft h ew e l d i n gj o i n tw a s i m p r o v e d k e yw o r d s ：f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t r a i l i n gi n t e n s ec o o l i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e v 太原理l ：入学硕十研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前我国的不锈钢消费总量已位居世界第一，但含镍较高的奥氏体不锈钢在现在所 使用的不锈钢产品中占了很高的比例，而且在很长一段时间内对铁素体不锈钢的开发没 有给予重视；n i 作为奥氏体不锈钢中的一种重要元素，在不锈钢中的作用重大，添加 n i 后材料的力学性能和耐腐蚀性能明显可以得到增强，但是随着资源的消耗，镍的储量 越来越少，价格不断上涨，使以镍为主要添加元素的奥氏体不锈钢的生产成本越来越高， 给不锈钢生产企业带来了巨大的压力，于是生产企业开始把目光转向铁素体不锈钢的开 发，增强企业的盈利能力 1 】。因为铁素体不锈钢中没有加入昂贵的n i 元素或者只加入微 量n i ，c r 和f e 是它的主要合金元素，因此铁素体不锈钢成本不太高，价格稳定，而且 具有许多的优势，它不仅拥有昂贵的奥氏体不锈钢大多数力学性能和耐蚀性能，还在一 些性能上比奥氏体要更加出色。据统计，目前铁素体不锈钢生产比例世界平均水平为 3 0 ，而我国作为世界上最大的不锈钢消费国，铁素体不锈钢生产及消费比例与世界平 均水平相比仍然存在较大的差距，因此发展成本更低性能更好的铁素体不锈钢不仅成为 我国不锈钢产业健康发展的推动力，更成为提高国内不锈钢生产企业竞争力的有力砝码 【2 】 o 4 4 3 铁素体不锈钢是近年来国内外不锈钢生产企业针对目前国际市场不锈钢原料波 动大，开发的一种可以用来替代3 0 4 不锈钢的新型钢种，其主要牌号有j f e 4 4 3 、s u s 4 4 3 、 t t s 4 4 3 、b 4 4 3 等，其中t t s 4 4 3 是太原钢铁集团以f e 和c r 为主原料，采用先进的冶 炼工艺和轧制技术，在国内首先开发出来的。4 4 3 铁素体不锈钢可在许多环境中作为3 0 4 不锈钢的替代品，其c r 含量高达2 1 ，耐腐蚀性能更强，尤其是在c l 。环境中，同时在 这类钢中c 和n 的总和不超过1 5 0 p p m ，且加入了微量的t i 和n b ，焊接接头的耐蚀性 能也比较好。但是这种钢不像普通碳钢及奥氏体不锈钢一样，可以通过相变来调节组织， 其铁素体组织无相变，在焊接过程中焊接h a z 的铁素体晶粒严重长大，使焊接接头力 学性能恶化，特别是冲击性能较差，是整个焊接接头的薄弱区域，从而影响了该类型不 锈钢在工程结构领域的推广使用，这也成为我们现在必须去解决的关键性问题【j j 。由于 目前国内外对4 4 3 铁素体不锈钢焊接性进行的研究工作较少，因此深入研究4 4 3 铁素体 太原理一【人学硕士研究生学位论文 不锈钢的焊接性具有重要意义，其中寻求改善焊接过程中热影响区组织粗大的问题成为 铁素体不锈钢焊接结构工程应用中迫切需要解决的关键问题。 根据相关文献晶粒长大动力学公式4 】： n 牡y 萋1 9 1 0 4 h 筲峥( 1 - 1 ， 式中，d 为经过加热后晶粒尺寸，d o 为原始晶粒尺寸，t 为从峰值温度降到9 0 0 时的 时间，t ( t ) 为加热过程的温度是时间t 的函数；由此可知，通过降低加热时的最高温度 或者使材料在9 0 0 。c 以上的的停留时间减小，可以阻止焊接h a z 晶粒的过分长大【5 】，因 此本课题采用自动t i g 焊，并且在焊接过程中分别选用空冷、水冷以及液氮冷却三种随 焊冷却方法对厚度为4 m m 的4 4 3 铁素体不锈钢进行焊接，分析不同随焊冷却焊接接头 的组织性能，特别是焊接接头的冲击性能及耐腐蚀性能，试图通过外加措施焊接来抑制 焊接h a z 晶粒的长大，从而改善接头性能，为4 4 3 铁素体不锈钢在工程结构领域的推 广使用提供重要技术依据。 1 2 铁素体不锈钢概述 1 2 1 铁素体不锈钢发展概况 一般c r 含量为1 2 3 0 ，且在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢被称为铁素 体不锈钢，它具有体心立方晶格结构，由于这种钢本身只含有微量的n i 甚至不含n i ， 也被称为“经济型不锈钢”，钢中的主要元素为f e 和c r ，c r 在q f e 中形成间隙固溶 体，由于c r 是铁素体形成元素，在c 含量较低的情况下，当c r 含量到达1 3 时，f e 和c r 的合金将无y 相变，从高温到低温一直保持铁素体；这种钢具有耐应力腐蚀、耐 点腐蚀、缝隙腐蚀等特点，并且随铬含量提高，耐点腐蚀性能不断提高，特别是耐氯化 物的腐蚀能力f 6 1 。 在铁素体不锈钢发展的初期，由于人们研究的主要精力都集中奥氏体不锈钢，对铁 素体不锈钢不加重视，同时受到炼钢设备及冶炼技术的限制，生产出来的钢的纯净度也 比较低，钢中碳氮等杂质元素的含量较高，使得初期的铁素体不锈钢对晶间腐蚀比较敏 感，同时也存在各种的脆性，特别是受到焊接热循环的作用以后，这些脆性更加明显的 显现出来，初期的这类钢后来也被称为传统铁素体不锈钢；直到1 9 6 8 年世界上第一台 a o d 精炼炉在乔斯林不锈钢公司诞生，美国和日本等发达国家率先开发出纯净度比较 2 太原理j ：人学硕+ 研究生学位论文 高，碳氮含量的总和可以低至o 0 0 0 1 的铁素体不锈钢，这类钢的出现大大弥补了传统铁 素体不锈钢的许多不足，耐局部腐蚀的能力明显提高，特别是耐氯离子腐蚀的能力甚至 超过了奥氏体不锈钢【7 1 ，这类钢人们也称为现代铁素体不锈钢。 我国研制这类纯净度较高的铁素体不锈钢的步伐比较晚，国内第一家开发研究a o d 精炼技术生产不锈钢的企业是太原钢铁集团公司，于1 9 8 3 年9 月建成投产了中国第一 座工业化a o d 炉，为开发新型铁素体不锈钢的研制奠定了基础，随着先进冶炼和轧制 技术的成熟，近年来已经开发出满足市场需求的多种纯净度较高的钢种，如4 4 3 、4 4 4 、 4 0 9 l 等，部分产品已经打破了国外的垄断局面。 1 2 2 铁素体不锈钢的分类 铁素体不锈钢的分类方法有两大类，一类是按c r 含量的多少分类，另一类是按钢 中杂质元素的含量多少分类。 按钢材中c r 含量的多少，可分为以下三种类型： ( 1 ) 低c r 铁素体不锈钢：c r 含量约为11 1 4 ，如0 0 c r l 2 、0 c r l 3 、0 c r l 3 a 1 等， 这类钢一般碳含量都比较低，如果碳含量较高其组织将不是铁素体组织； ( 2 ) 中c r 铁素体不锈钢：c r 含量为1 6 1 8 ，如国外牌号的4 2 9 、4 3 0 、4 3 3 、4 3 4 、 4 3 5 、4 3 6 、4 3 9 和国产牌号的0 c r l 7 t i 、1 c r l 7 m o 等都属于中c r 钢，这类钢中的含碳量 跟一般要求也比较低； ( 3 ) 高c r 铁素体不锈钢：c r 含量为1 9 3 0 。如a i s i 标准中的4 4 2 、4 4 3 、4 4 6 、 4 4 4 等以及国产的0 0 c r 2 7 m o 、0 0 c r 3 0 m 0 2 、1 c r 2 5 t i 等8 1 。 按钢材的纯净度，尤其是c 和n 含量的多少，根据这一标准又可分为： ( 1 ) 普通铁素体不锈钢：这类不锈钢是传统的铁素体不锈钢，由于当时炼钢技术的 限制，钢的纯净度比较低，如0 c r l 3 、1 c r 2 8 等； ( 2 ) 高纯铁素体不锈钢：由于采用a o d 法冶炼技术，这类钢中碳含量较低，般 c o 0 3 ，成分标号前以0 0 代表，如0 0 c r l8 m 0 2 、0 0 c r l8 m 0 2 t i ； ( 3 ) 超纯铁素体不锈钢：由于冶炼技术的进一步发展，出现了v o d 法冶炼技术， 钢的纯净度进一步提高，其c + n _ 1 5 0 p p m ，如4 4 3 、4 4 4 、4 4 6 等【9 】o 1 2 3 铁素体不锈钢的应用 近年来随着n i 价的不断攀升，导致传统奥氏体不锈钢制品生产企业的成本也不断 上升，企业为了寻求更大的利益，同时随着高纯净度铁素体不锈钢的发展，伎得人们把 3 太原理一i ：人学硕+ 研究生学位论文 目光转向价格更低的铁素体不锈钢，这样在不降低产品质量的同时，不锈钢制品的生产 成本大大降低。我国作为一个不锈钢产销大国，要想使不锈钢产业在行业内处于领先地 位，不断加大对新型铁素体不锈钢研发的投入，降低企业生产成本不失为一个很好的选 择。目前铁素体不锈钢已在家电行业、汽车工业、建筑装饰、五金制品等领域广泛应用， 小到我们日常生活中用到的厨房餐桌用品，大到城市建设中的不锈钢建筑外饰，铁素体 不锈钢的应用无处不在，特别是在一些腐蚀性较强的环境中，更能显示出这类不锈钢的 优势：在将来随着对铁素体不锈钢焊接接头脆性问题的解决，也将在结构工程中得到应 用，图1 1 为铁素体不锈钢在生活中的具体应用实例。 图1 一l 铁素体不锈钢应用实例 f i g 1 一lt h ea p p l i c a t i o n so ff e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 2 4 铁素体不锈钢中主要合金元素的作用 对于铁素体不锈钢来说，c r 和c 以及一些铁素体形成元素是其主要合金元素，另 外为了改善铁素体不锈钢的可加工性、增加耐蚀性能以及满足特殊性能要求还会添加少 量n i 、m o 、n b 、t i 、a 1 、c u 、m n 、s i 等合金元素，这些成分对该类不锈钢的影响分 析如下： ( 1 ) 主要添加元素c r 的影响 c r 是铁素体不锈钢中稳定铁素体组织的主要合金元素，随着铬含量的增加会促使铁 素体的形成；c r 也是提高钢材耐蚀性的主要元素，随着c r 含量的增加，钢的耐蚀性也 4 太原理一：人学硕士研究生学位论文 不断提高，特别是在氧化性腐蚀环境中更为有效，这主要是由于c r 的腐蚀电位比f e 更 负，与氧的亲和力也比f e 更高，钝化能力更强，从而提高钢材的耐腐蚀性能；但是随 着铬含量的增加也会使铁素体不锈钢的塑性和韧性变差，因此在高c r 钢中必须把碳和 氮的含量降得很低，防止c r 与c 、n 的结合形成脆化相。 ( 2 ) c 和n 的影响 c 和n 是铁素体不锈钢中最不希望存在的元素，几乎铁素体不锈钢的所有缺点都与 这两种元素的存在息息相关，它们的存在会使钢材的脆性转变温度提高使得韧性大大下 降，使得缺口敏感性也比较高，同时也会使耐蚀性能大大下降，而且这些影响在经历焊 接热过程以后变的更加明显，c 和n 也是强奥氏体形成元素，在铁铬合金中会扩大丫相 区，对铁素体不锈钢的组织产生影响，当碳氮含量较高时甚至可能出现双相组织，这在 铁素体不锈钢中也是不希望出现的，但是在实际中碳和氮在钢中又是不可避免的，因此 在铁素体不锈钢中必须严格控制碳氮的含量，使其保持在较低的水平； ( 3 ) m o 的影响 m o 在铁素体不锈钢中是种起重要作用的微合金元素，加入m o 以后不仅使铁素 体组织的形成更容易，组织更加稳定，而且可以伎铁素体不锈钢在复杂腐蚀环境下的耐 腐蚀性能大大提高，尤其是抵抗局部腐蚀的能力。 ( 4 ) n i 的影响 n i 在铁素体不锈钢中的作用主要不是为了材料在常温及低温下保持奥氏体稳定相， 而是为了改善这类钢的塑性及韧性，特别是在高c r 含量的铁素体不锈钢中，加入微量 的n i 就可以使d b t t 温度显著降低，一般其含量控制在2 一4 。 ( 5 ) t i 和n b 的影响 t i 和n b 对铁素体不锈钢的影响一样，在材料中加入t i 和n b 一方面可促使q f e 相的形成，另方面起稳定化作用，避免了c r 与c 、n 结合形成有害的碳氮化合物， 可以有效降低晶间腐蚀倾向，同时可以通过细化晶粒来提高材料的性能，充分发挥t i 和n b 的固c 强化优势。 ( 6 ) 其他合金元素的影响 为了满足特殊性能或者提高铁素体不锈钢的耐蚀性能以及加工性能，在铁素体不锈 钢中也会加入些微量的其他元素，如c u 、m n 、s i 等；加入c u 既有利于提高材料的 耐腐蚀性也改善了材料的低温加工性能1 0 】；加入m n 主要是为了固定铁素体不锈钢中的 杂质元素s 以及改善其热加工性能；s i 也是铁素体形成元素，在铁素体不锈钢中一般作 s 太原理：l ：人学硕士研究生学位论文 为脱氧剂使用，同时也可提高抗氧化物起皮的能力 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 1 2 5f e c 卜c 三元系相图 一般为了便于观察f e c r - c 三元系随温度的变化，需要把其中一个成分固定建立一 个伪二元相图，由于4 4 3 铁素体不锈钢是一种高c r 含量的不锈钢，这里引用c r 含量为 1 7 的伪二元相图来描述这种钢中发生的相变以及物理冶金过程，如图1 2 所示，由于 4 4 3 铁素体不锈钢碳含量极低，而且这种钢中加入了可以固c 的钛和铌，这些都有效的 遏制了c 形成奥氏体的作用，其相变路径一般按照l l + f _ f 的模式进行，最终的组 织一般由铁素体和t i 、n b 的碳氮化合物构成| 1 4 a 5 1 。 0 0 5 c ，( c ) ( ) 图1 - 2c r 含量为1 7 的f e c r c 三元系伪二元相图【1 6 】 f i g 1 - 2t h ep s e u d o b i n a r yd i a g r a mo ff e c r - c 1 3 铁素体不锈钢的焊接性分析 由于受到焊接热过程的影响，铁素体不锈钢在焊接过程中热影响区晶粒极易粗化， 而且焊缝组织由于铁素体不锈钢在凝固过程中直接由液相变成铁素体相而没有其它中 间相变产物的产生，其形成的铁素体晶粒也较大1 7 】。由于焊接接头晶粒粗化从而导致焊 后接头力学性能变差，可见铁素体不锈钢的焊接性较差，一般来说铁素体不锈钢焊接中 6 太原理。i ：人学硕十研究生学位论文 最大的问题是焊接接头的晶间腐蚀和热影响区脆化，但是近年来随着超纯铁素体不锈钢 的发展，这些钢中碳氮等杂质元素的含量极低，而且这些钢中均加入了钛和铌等稳定化 元素，使得焊接接头晶间腐蚀倾向减小，但是热影响区脆化问题依然存在。铁素体不锈 钢焊接热影响区脆化主要包括粗晶脆化、盯相脆化。 ( 1 ) 粗晶脆化 通常高铬铁素体不锈钢在焊接加热过程中几乎不发生相变，但在加热到高温时晶粒 尺寸有明显变大的倾向，特别是在9 5 0 以上晶粒严重长大，晶粒度可长到0 级，这种 晶粒粗化在焊接热影响区中最为常见，粗化后焊接h a z 的塑性和韧性显著降低，脆性 明显上升，这种脆性称为高温脆性或粗晶脆化；这种脆化的程度还与合金元素碳和氮的 含量有关，随着碳、氮含量的增加，焊接h a z 脆化程度也越来越严重；高温脆性对焊 接接头的性能危害十分严重，不仅韧性下降，而且抗腐蚀性能也随之下降；一般来讲， 铁素体不锈钢热影响区晶粒之所以粗化，这与焊接时的最高加热温度和高温区停留时间 有关，高温停留时间越长，特别是在9 5 0 以上，晶粒粗化越严重，因此在焊接过程中 应降低峰值温度以及缩短高温区停留时长。 ( 2 ) 盯相脆化 盯相的晶体结构比较复杂，是一种由f e 、c r 构成的金属间化合物；焊接过程中析出 盯相一般是由于c r 含量高于2 1 的铁索体不锈钢焊后在5 2 0 8 2 0 的温度区间内冷却速 度缓慢导致的；有时当c r 含量达到2 0 时即可产生盯相，比如高纯铁索体不锈钢，有 时则在c r 含量更低的情况下形成仃相，且这种盯相可由三元组成，比如当钢中存在m n 、 s i 、m o 、w 等其他合金元素时，一般盯相在晶界处析出，硬度在3 8 h r c 以上，从而导 致接头的脆性增加【1 8 1 。 1 4 铁素体不锈钢焊接研究概况 铁素体不锈钢在焊接热循环作用下，焊接接头热影响区晶粒粗大导致其塑性、韧性 降低，因此就限制了这类钢的应用和发展，为此，国内外焊接专家对铁素体不锈钢焊接 技术进行了大量的研究，取得了许多的研究成果。 ( 1 ) 铁素体不锈钢不同焊接方法对比的研究 印度安纳马莱大学材料连接研究中心的a k l a k s h m i n a r a y a n a n 教授等人分别采用恒 流钨极氩弧焊、脉冲钨极氩弧焊和等离子弧焊对4 0 9 m 不锈钢进行焊接，并分析比对三 种焊接方法对焊接接头拉伸和冲击性能的影响，结果表明通过等离子弧焊接的接头较其 7 太原理：】：大学硕+ 研究生学位论文 它两种方法而言，显示出更加好的拉伸和冲击性能【1 9 】；机械科学研究院哈尔滨焊接研究 所的周宝金等人分别选用脉冲m a g 焊与普通m a g 焊对c r l 2 型铁素体不锈钢进行焊接， 并对比分析两种焊接接头h a z 组织性能，研究结果表明，采用脉冲m a g 焊得到的焊接 接头性能优于常规m a g 焊接工艺方，特别是低温冲击性能，这与热输入的影响密切相 关【2 0 】；哈尔滨焊接研究所的王旭友教授等人利用l a s e r m a g 复合焊接和m a g 单一热源分 别对t 4 0 0 3 和t c s 不锈钢进行焊接，分析对比两种焊接方法对组织性能的影响，结果表 明l a s e r m a g 复合热源的焊接效率更高，而且可进行单面焊双面成形焊接，热影响区宽 度明显减小，晶粒也稍显细小，复合热源焊接接头的低温冲击韧性更高，比常规焊接提 高了一半以上【2 。 ( 2 ) 合金成分对铁素体不锈钢焊缝影响的研究 其中国外的土耳其科喀艾里大学机械工程系的e m e lt a b a n 教授等利用等离子弧+ 钨 极氩弧复合热源对1 2 c r 铁素体不锈钢进行焊接，分别添 3 1 3 0 9 l 和3 1 6 l s i 两种填充材料 进行对比，研究其焊接性能【2 2 】；印度国防冶金研究实验室的t m o h a n d a s 教授等人分别 利用焊条电弧焊和钨极氩弧焊对3 m m 厚的a i s l 4 3 0 铁素体不锈钢进行焊接，探讨了添加 t i 和c u 对焊缝区域拉伸性能的影响，结果表明钨极氩弧焊得到的焊接接头性能优于焊条 电弧焊，而添3 1 c u 元素后得到的焊接接头性能较好【2 3 】；东北大学的徐飙等人通过实验表 明加入稀土后4 3 0 铁素体不锈钢冲击性能提高了近5 倍【2 4 】； 国内的南车眉山车辆有限公司技术中心的张志昌高工对德国4 0 0 3 材料和国内t c s 材料机械焊接，通过大量试验结果表明，含有较多t i 元素的德国4 0 0 3 材料焊接接头的性 能优于国产t c s 材料，特别是接头热影响区冲击韧性明显提升，这是由于在焊接过程中 4 0 0 3 焊接接头中形成y t i 的碳氮化合物，这些化合物弥散分布，使焊接接头晶粒细化【2 5 】： 哈尔滨锅炉厂有限责任公司的邱振生高工等人分别使用两种焊接材料对z 8 c 1 2 铁素体不 锈钢进行焊接，一种为e r 3 0 9 m o l ，另一种为e s e n i c r 0 7 1 镍基焊材，通过对比这两种焊接 接头表明高温情况下使用镍基焊材较好( 2 6 】。 ( 3 ) 铁素体不锈钢焊接h a z 组织结构研究 其中国外芬兰l a p p e e n r a n t a l 里i 大学的j p e k k a r i n e n $ 1 v k u j a n p a a 教授研究激光焊接 参数对4 3 0 不锈钢和1 4 0 0 3 低碳铁素体不锈钢微观结构的影响【2 7 】；巴西塞阿拉联邦大学 的c l e