（材料加工工程专业论文）321不锈钢tig焊工艺对接头组织及应力腐蚀性能的影响.pdf

摘要 i 摘 要 321 奥氏体不锈钢作为一种 ti 稳定化不锈钢具有良好的高温力学性能；在不同浓 度、不同温度的有机酸和无机酸中，尤其是在氧化性介质中具有良好的耐腐蚀性能。 本文设计了 321 奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊的焊接工艺，采用不同的焊接参数进行焊 接。焊后对 321 奥氏体不锈钢焊接接头进行拉伸、弯曲等力学性能试验，并利用光学 显微镜，扫描电镜等分析手段对 321 奥氏体不锈钢的焊缝、熔合区的微观组织及断口 进行分析；同时通过晶间腐蚀实验和慢应变速率应力腐蚀试验，对焊接接头的耐蚀性 能进行研究。本文的主要工作及研究结果如下： 1、通过tig焊对 321 奥氏体不锈钢进行焊接，结果表明：tig焊后试样在大线能 量下焊后熔深较大，并且随着焊接速度的增加，焊缝的熔宽变窄；所有试样的余高较 小，无明显变形，成形性良好。tig 焊后所有试样的余高较小，无明显变形，成形性 良好。焊缝组织中相组成均相似，由奥氏体基体和铁素体组成；由于热输入及焊接速 度的改变，组织中铁素体形态由骨架状转变为板条状，并且随着焊接速度的增加，铁 素体的百分含量明显增加，板条状铁素体变的更为细小狭长。奥氏体不锈钢焊缝中的 铁素体形态及数量对材料的力学性能有显著影响， 铁素体含量增加时强度增加的同时， 塑性减低。焊接电流为 170a 条件下焊后接头抗拉强度最高可达到 623mpa。 2、晶间腐蚀试验结果表明：321 奥氏体不锈钢在 tig 焊电流范围为 130a190a 时未产生贫铬现象，同时未产生刀口腐蚀。tig 焊后所有试样均未出现晶间腐蚀裂纹， 具有优良的抗晶间腐蚀性能。 3、对焊接接头进行系统的慢应变速率应力腐蚀试验，结果表明：常温纯水溶液中 在相同的焊接工艺参数条件下，应变速率在 1 10- 5s- 11 10- 6s- 1范围内变化对材料的最 大拉伸强度影响不大；试样断裂时间随着应变速率的降低而延长，在 1 10- 6s- 1时最为 明显。在染色助剂溶液中焊接电流为 130a和 150a，应变速率为 1 10- 6s- 1条件下的最 大拉伸强度相对常温纯水条件出现明显下降，呈现出较大的应力腐蚀敏感性；通过对 染色助剂条件下应变速率为 1 10- 6s- 1的接头断口形貌分析，焊接电流为 130a 时已经 显现出脆性断裂的倾向， 随着 321 不锈钢焊接接头焊缝组织中铁素体百分含量的减小， 逐步向脆性断裂过渡，呈现出较高的应力腐蚀敏感性；而电流为 170a 条件下的焊接 接头具有优良的抗应力腐蚀性能。 关键词：奥氏体不锈钢，钨极氩弧焊，晶间腐蚀试验，慢应变速率试验 abstract ii abstract as a ti stabilized stainless steel, 321 austenitic stainless steel is characterized by excellent mechanical properties in high temperature; it has good corrosion resistance in organic acids and inorganic acids at different concentrations and temperatures, particularly in the oxidizing medium. tig- wires h0cr20ni10ti were selected as consumed material according to equality ingredients principal. 321 stainless steel were welded in different welding parameters by tig welding. mechanical tests (tensile test and bending test) were carried out to study on its weld ability, microstructures and fractography of weld line. fusionarea and haz were investigated by means of optical microscope and sem. meanwhile, intergranular corrosion and slow strain rate tests were conducted to evaluate corrosion resistance of the welding joint which has better mechanical property. the main research contents and conclusions are summarized as follows: 1、tig welding of 321 stainless steel shows that the remainder of all samples after tig welding has no distortion and has good formability. the phase composition of weld metal are similar, which are made of the austenitic and ferritic matrix composition; with the heat input and welding speed changes, the form of ferrite in the organization changes from the skeleton- like form into lath, and with the welding speed increases, the percentage of ferrite content increased significantly and lath ferrite become a little more small strip. the amount of ferrite in austenitic stainless steel weld has significant impact on the mechanical properties of materials. with content ferrite increases, strength increases and ductility reduction. the tensile strength of welded joints under w elding current of 170a can reach 623mpa. 2、after the intergranular corrosion test, 321 stainless steel obtained the phenomenon did not result in chromium poverty in the range of tig welding current 130a190a, at the same time it did not result in knife- edge corrosion. the four welded joints of tig did not occurred intergranular corrosion cracks, which was with excellent resistance to intergranular corrosion. 3、the welding of the joint after the slow strain rate tests were obtained in pure water at room temperature, in the same welding conditions, the tensile strength of the material has little effect in the strain rate 1 10- 5 s- 11 10- 6 s- 1 range; the fracture time of specimen decreased as the strain rate, it was the most obvious in the 1 10- 6 s- 1. the maximum tensile abstract iii strength of the material has significant relative decline which were in the dyeing solution to the room temperature water conditions. the resistance to stress corrosion shows weakest. therefore, it was the important factors of stress corrosion resistance when the strain rate was 1 10- 6s- 1. through the analysis of the fracture surface of joints, it was already showing a tendency to brittle fracture when the welding current was 130a. the content of weld metal ferrite decreases, and it was gradually transition to brittle fracture. the results of slow strain rate test shows that conditions can be determined current of 170a under the welding joints with excellent resistance to stress corrosion. key words：321 stainless steel；tig；igc；ssrt 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 不锈钢概述 1.1.1 不锈钢的历史与发展 人们在使用钢铁材料的过程中，逐步认识了导致材料综合性能好坏的内部与外部 原因，并选择了一些相对可行的方法来提高钢铁材料的各种性能，其中最主要也是最 常用的方法是加入各种合金元素，改变钢的组织结构，从而提高钢的各种性能。在此 基础上发展了各种不锈钢、耐酸钢、耐热钢及海水用钢1。 在 1913 年， 英国人 brearley浇铸了第一块商业铸锭， 成分分析为 0.24%c、 0.2%si、 0.44%mn、12.86%cr，因此被认定为不锈钢的发明者2。紧随着 c 钢和 c- mn 钢，不 锈钢是最广泛应用的钢种。 不锈钢从诞生到现在仅仅有 90 余年的历史，仍然是一种“年轻的合金” ，需要开 拓的领域还很广泛。由于不锈钢具有良好的耐蚀性、力学性能和工艺性能，因此广泛 应用于各个工业部门，成为这些领域建设和发展不可缺少的重要材料。随着原材料的 紧缺，20 世纪 50 年代，不锈钢的发展由 300 系列奥氏体不锈钢转向含镍更少的 200 系列。特别是后来在 70 年代早期新型冶炼工艺氩氧脱碳技术(aod)的出现，极好地控 制了碳、硫、氧等元素的含量，进而引起了不锈钢工业的飞速发展，出现了多个新型 钢种。 1.1.2 不锈钢分类 和其他材料以成分来分类有所不同，不锈钢的分类是基于其冶金学上起主导作用 的相成分。在不锈钢中三种可能的相组成是马氏体、铁素体和奥氏体。双相不锈钢中 含有近似 50%的奥氏体和 50%的铁素体，从而得益于兼有这两种相所期望的性能。而 析出硬化类因形成强化析出相并由时效热处理硬化得名。下面分别介绍各类不锈钢的 特性2： 1、奥氏体不锈钢：这类钢含有较多扩大 ? 区和稳定奥氏体的元素，在高温时为均 为 ? 相，冷却时由于 ms点在室温以下，所以在常温下具有奥氏体组织。18- 8，18- 12、 25- 20、20- 25mo 等铬镍不锈钢；以锰代替部分镍，并加氮的低镍不锈钢。奥氏体不锈 钢虽然机械性能也比较低，和铁素体不锈钢样不能热处理强化，但可以通过冷加工 变形的方法，利用加工硬化作用提高它们的强度。这类钢的缺点是对晶间腐蚀及应力 腐蚀比较敏感，需通过适当地合金添加剂及工艺消除；奥氏体不锈钢可分为铬- 镍系合 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 金和铬- 锰系合金。前者是指 300 系列 18- 8 型奥氏体不锈钢，而后者是指 200 系列奥 氏体不锈钢。在 200 系列不锈钢中，含有少量的镍和较多的奥氏体形成元素氮。为了 提高氮元素在奥氏体中的饱和度，需要添加 520%的锰元素，因此称为铬- 锰系合金。 2、铁素体不锈钢：含铬大于 14%的低碳铬不锈钢，含铬大于 27%的任何含碳量 的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加钼、钛、铌、硅、铝、钨、钒等元素的不 锈钢， 化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势， 基体组织为铁素体。 这类钢在淬火(固 溶)状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化 合物。属于这一类的有 crl7、cr17mo2ti、cr25，cr25mo3ti、cr28 等。铁素体不锈 钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差， 多用于受力不大的耐酸结构以及作为抗氧化钢使用。 3、马氏体不锈钢：这类钢在正常淬火温度下处在 ? 相区，但它们的 ? 相仅在高温 时稳定，ms点一般在 300左右，故冷却时转变为马氏体。这类钢包括 2cr13, 3cr13 以及部分改型 12%铬热强钢。马氏体不锈钢的机械性能、耐腐蚀性能、工艺性能与物 理性能，均和含铬 1214%的铁素体- 马氏体不锈钢相近。由于组织中没有游离的铁素 体，机械性能比上述钢要高，但热处理时的过热敏感性较低。 4、奥氏体铁素体钢：这类钢因扩大 ? 区和稳定奥氏体元素的作用程度，不足以 使钢在常温或很高的温度下具有纯奥氏体组织，因此为奥氏体- 铁素体复相状态，其铁 素体量也因成分及加热温度不同而可在较大的范围内变化。 属于这一类的不锈钢很多， 如低碳的 18- 8 铬镍钢，加钛、铌、钼的 18- 8 铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见 到铁素体，此外含铬大于 1415%而碳低于 0.2%的铬锰不锈钢(如 cr17mnn) ，以及目 前研究的和已获得应用的大多数铬、锰、氮不锈钢。与纯奥氏体不锈钢比较，这类钢 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。缺点是压力加工性能较差，点腐蚀倾向 较大，易产生 s 相脆性，在强磁场作用下表现出弱磁性等。所有这些优点和缺点均来 源于组织中的铁素体。 5、奥氏体马氏体钢：这类钢的 ms点低于室温，固溶处理以后为奥氏体组织， 易于成形和焊接。通常可用两种工艺方法使之发生马氏体转变。一是固溶处理以后经 700800加热，奥氏体因析出碳化铬而转变为亚稳定状态，ms点升高至室温以上， 冷却时转变为马氏体；二是固溶处理以后直接冷却至 ms与 mf点之间，使奥氏体转变 为马氏体。这类钢的典型钢号有 17cr- 7ni- a1、15cr- 9ni- a1, 17cr- 5ni- mo 等。 6、沉淀硬化不锈钢：这类钢是 50 年代后期发展和应用的新型不锈钢，它们总的 特点是强度高(可达 100- 150hrb)及热强性好，但由于含铬量较低并在热处理时有碳化 铬析出，因此耐腐蚀性能比标准的奥氏体不锈钢要低一些。也可以说这类钢的高强度 是在牺牲一部分耐腐蚀性能与其他性能(如非磁性)的情况下获得的，目前这类钢主要 第 1 章 绪 论 3 用于航空工业及火箭导弹生产方面，一般机械制造中应用尚不普遍，并且在分类上也 有把它们纳为超高强度钢的一个系列。 1.1.3 不锈钢的耐腐蚀性能 不锈钢的腐蚀从化学角度看有两种，一种是化学腐蚀，一种是电化学腐蚀。化学 腐蚀是不锈钢直接与周围介质发生纯化学作用；电化学腐蚀是不锈钢在酸、碱、盐等 电介质中由于本身各部分电极电位的差异，在不同区域产生电位差，从而形成了腐蚀 原电池而发生了氧化还原反应产生的腐蚀。常见的不锈钢腐蚀可以分为两大类2,3，均 匀腐蚀与局部腐蚀。均匀腐蚀是比较常见的一种腐蚀形式。均匀腐蚀的程度取决于钢 种和介质条件。由于腐蚀的均匀性和可预测性，这种腐蚀的危害性最小。而在不锈钢 中可能发生的四种局部腐蚀是点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀，晶间腐蚀。 1、点腐蚀 点蚀又称为孔蚀，是不锈钢常见的局部腐蚀形式之一。点蚀是不锈钢腐蚀中破坏 性和隐患最大的腐蚀形态之一。不锈钢在腐蚀介质中，表面上微小区域内出现腐蚀小 孔，且随着时间的推移，蚀孔不断向纵深发展，形成小孔状腐蚀坑，其腐蚀深度一般 远远大于蚀孔直径。点蚀是一种外观隐蔽而破坏性较大的一种局部腐蚀形式，虽然因 点蚀而损失的金属重量很小，但所形成的活性钝性腐蚀电池结构为大阴极小阳极， 阳极电流密度很大，致使蚀孔的阳极溶解速度相当大，并且点蚀发展过程中具有自动 加速的特点，随着时间的推移，蚀孔连续地发展并不断向纵深方向发展，能很快导致 腐蚀穿孔破坏，最终导致构件的破坏4。 2、缝隙腐蚀 不锈钢表面若存在金属和非金属夹杂物、灰尘等，或者是由于结构上的原因，设 备的凹处、螺栓联接、垫片(圈)等处，均可形成缝隙。当这种缝隙结构暴露在腐蚀介 质中时，在缝隙的局部范围内常发生严重的腐蚀，这种由于预先存在缝隙引起的腐蚀 称为缝隙腐蚀。根据缝隙形状的不同缝隙腐蚀具有一定的腐蚀形态，轻微时可以是缝 隙内的全面腐蚀，严重时多为成片的点蚀状或溃疡状。几乎所有的金属材料都可能发 生局部腐蚀，而像不锈钢这样样依靠钝性来提高耐蚀性的金属材料最容易产生缝隙腐 蚀。许多腐蚀介质均可以引起不锈钢的缝隙腐蚀，含氯离子的溶液通常是缝隙腐蚀最 敏感的介质之一。缝隙腐蚀的缝隙尺寸有一定的条件，既要使缝隙内和缝隙外溶液之 间的物质迁移发生困难，还要能允许溶液进入缝隙内形成缝隙内外介质的氧浓度差而 形成浓差电池。不锈钢缝隙内表面与缝隙外钝性表面的电位差，是缝隙腐蚀发展的推 动力。缝隙腐蚀是在电解液中由于不锈钢与金属或非金属间存在极狭窄的缝隙，使有 关物质的迁移受到阻抑形成浓差电池而在缝隙内或其近旁产生的局部腐蚀。 3、应力腐蚀 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 应力腐蚀破裂(scc)是不锈钢材料的一种低应力的早期破坏形式。就应力而言，它 可发生在不该破裂的低应力水平；就腐蚀而言，它发生在不应产生明显腐蚀破坏的较 短期间。材料发生应力腐蚀破裂时，腐蚀与应力是相互促进的。在特定的介质中，若 不存在应力时，不锈钢材料的腐蚀非常轻微，但当应力超过某一临界值后，不锈钢有 可能会在全面腐蚀并不严重的情况下发生脆断；对于奥氏体不锈钢，这种特定的可能 造成 scc 的介质包括5：氯化物溶液、naoh、硫化物水溶液、海水、海洋大气、高 温水、浓缩锅炉水、热浓碱等。其中以氯化物溶液最为普遍。有氯化物溶液导致的奥 氏体不锈钢 scc，常称为氯化物 scc。形变对应力腐蚀有较大的影响，cigada等认 为形变马氏体是奥氏体不锈钢在含氯离子介质中 scc 的主要原因之一6。 应力腐蚀破裂的危险性在于：对于无裂纹材料，其发生开裂时所承受的应力往往 远低于临界应力；而对于已有裂纹的材料，使裂纹扩展的应力场强度因子远小于使材 料快速破裂的破裂韧性；这种破坏的速度是始料不及的，危害性极大。 4、晶间腐蚀 晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质作用下沿晶界发生的一种局部选择性腐 蚀。这种腐蚀从金属表面开始，沿晶界向内部发展，严重时整个金属强度几乎完全丧 失。因此，它是一种危害性很大的局部腐蚀。晶间腐蚀的机理主要是贫铬理论，c 在 奥氏体中的饱和溶解度小于 0.02%，一般不锈钢的含 c 量都高于这个数值。当不锈钢 从固溶温度冷却下来时，c 处于过饱和状态，受到敏化处理时，c 和 cr 形成碳化物(主 要为(cr、fe)23c6型)在晶界析出，由于(cr、fe)23c6含cr 量很高，而 cr 在奥氏体中扩 散速率很低，这样就在晶界两侧形成了贫 cr 区，其含 cr 量低于 12%，因而钝化性能 与晶粒不同，即晶界区和晶粒本体有了明显的差异，晶粒与晶界构成活态钝态的微 电偶结构，造成晶间腐蚀。 1.1.4 3 2 1 型不锈钢及其在纺织企业中的应用 奥氏体不锈钢的生产量和使用量都占到不锈钢总产量和总用量的 70%左右。奥氏 体不锈钢是通过加入扩大和稳定奥氏体区的合金元素，使之在室温维持完全的奥氏体 相组织。 奥氏体不锈钢中最常见的就是 18- 8 型不锈钢， 钢中含 cr 约 18%、 ni 8%- 10%、 c 约 0.1%时，具有稳定的奥氏体组织，许多钢种都是在它的基础上发展起来。 由于常规的 18 8 型奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀能力较弱， 因此在不锈钢工业早期发 展了稳定化的奥氏体不锈钢。稳定化奥氏体不锈钢是为了提高抗晶间腐蚀性能而加入 钛和铌的不锈钢，其组织奥氏体百分含量高，具有较高的塑性和韧性，组织稳定。目 前最常见的是含有钛和铌的不锈钢，牌号为 321 和 347 型的稳定化不锈钢，由于钛和 铌在高温下能形成稳定的 mc 型的碳化物，使得富铬碳化物的生成受到限制。钛和铌 在不锈钢中的含量达到 1.0%（质量分数）时可以有效地减少基体中的碳含量使得富铬 第 1 章 绪 论 5 碳化物的析出很困难，这就降低了敏化的可能性。我国目前对于含有钛的奥氏体不锈 钢的化学成分标号为 0cr18ni10ti，在美国称作 aisi321。 321 不锈钢广泛应用于纺织企业，包括本论文中涉及的印染设备制造企业中的高 温高压染色机筒体，图 1.1 为 gr20a 25kg高温高压电加热蒸汽加热染色机，由江阴 市兴达染整设备制造公司生产，主要用于棉、毛化纤呈松散或成条状，以及纱线筒子 纱的染色与煮漂水后处理用，工作设计温度 140，设计压力 0.4mpa。为确保染色机 在上述高温高压条件下正常运行，采用 321 奥氏体不锈钢作为筒体主体及与染料接触 的构件材料。 图 1.1 gr20a 高温高压染色机 fig.1.1 gr20a high temperature and pressure dyeing machine 1.2 奥氏体不锈钢焊接性 奥氏体不锈钢应用的广泛领域包括支撑结构和密封容器、建筑、厨房设备和医疗 产品。但在不锈钢产品的制造过程中，有很大部分工序都需要焊接，因此焊接质量的 好坏直接影响产品的安全运行。奥氏体不锈钢的焊接时易出现接头晶间腐蚀、接头凝 固裂纹和接头的脆化等问题，所以在制造过程中应对不锈钢的焊接工艺性能有一定的 要求并采取相应对策7。 1.2.1 奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀 1、简介 尽管不锈钢经常会因为其耐蚀性而被选用，而当被用于焊接时，仍需要注意其接 头的耐蚀性能。在奥氏体不锈钢中铬的主要作用是阻碍阳极反应所产生的腐蚀8。不 锈钢中镍的主要作用是降低钢 ms点(降低至室温以下)，扩大奥氏体区域，使钢在室温 时就具有单相奥氏体组织，从而消除钢的晶间腐蚀倾向9。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢 一种极其危险的破坏形式。它的特点是沿晶界开始腐蚀，表面上一般不容易发觉，但 江苏科技大学工学硕士学位论文 6 它使承压管道焊接接头的力学性能显著下降了，因而易发生早期破坏。根据“碳化物 析出造成晶间贫铬”理论，在 450850范围内，c 和 cr 易在奥氏体晶粒边界处形成 碳化铬，使得晶粒边界处局部贫铬。当晶界处的含 cr 量降低到小于 12%时，钢材会丧 失耐腐蚀性能。晶间腐蚀包括焊缝晶间腐蚀、热影响区(haz)敏化区腐蚀和焊趾处刀 蚀10。晶间腐蚀均是由于在奥氏体晶粒周界首先发生 c 的集聚，而后 c 与cr 相结合， 使晶间发生贫 cr 造成的11。此外，单相奥氏体焊缝金属呈发达的柱状晶，经敏化温 度(6001000)后，出现的贫 cr 层可以贯穿晶粒之间而构成腐蚀介质集中的腐蚀通道 12。 2、防止晶间腐蚀措施： (1) 通过选择合适的焊接材料来控制焊缝成分，如选用超低碳c=0.03%、添加钛或 铌等稳定元素的不锈钢焊条。 (2) 焊后进行固溶处理，将工件加热至10501150后淬火，使晶界上的cr23c6溶 入晶粒内部，形成均匀的奥氏体组织。 (3) 采用小规范，即小的焊接电流，可以减少敏化温度范围内的停留时间，焊缝 可采用强制冷却( 如铜垫板、水冷) 方法加快焊接接头的冷却速度，减少热影响区。多 层焊时，接触介质的那面焊缝最后焊接；并且应控制层间温度，前一焊道冷却至 60 后再焊。 1.2.2 奥氏体不锈钢焊接接头凝固裂纹 1、简介 对于奥氏体不锈钢来说，焊接时容易出现凝固裂纹，裂纹的敏感性取决于母材和 填充材料成分及杂质的含量，特别是硫和磷的含量。焊缝金属凝固模式是全奥氏体时， 对凝固裂纹最为敏感。其主要原因是液相线和固相线距离大，凝固过程温度范围大， 使低熔点杂质偏析严重，而且集中在晶界处；此外膨胀系数大，所以冷却收缩时的应 力也大。单相奥氏体焊缝在凝固过程中形成低熔点液态薄膜，冷却收缩时，在焊缝中 形成微裂纹。这些微裂纹在继续冷却过程中会扩展至焊缝表面，形成宏观裂纹，这种 裂纹是在高温状态下形成的。 有人认为，奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，导热系数小，焊缝金属凝固时存在着 较大的拉应力，是产生凝固裂纹的必要条件；而容易形成方向性强的柱状晶焊缝组织， 有利于有害杂质的偏析及晶间液态薄膜的形成，是凝固裂纹产生的充分条件13。 2、防止凝固裂纹措施14,15 (1) 可以通过控制母材和填充金属的成分从而减少焊缝金属中的镍、碳、硫、磷 含量，增加铬、钼、硅及锰等元素，可以简单有效地避免或者减少凝固裂纹。 (2) 如果能够保证凝固成的初始相为铁素体，则裂纹的可能性实际是为0，因为铁 第 1 章 绪 论 7 素体能大量溶解有害的s、p杂质。尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在 3%- 5%以下。 (3) 选用低氢型药皮焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性。 (4) 采用小规范，即小电流、快焊速来减少焊接熔池过热、快速冷却，以减少偏 析，使抗裂性提高。进行多层焊时，必须控制好层间温度，一般要求待前一焊道冷却 至 60后再施焊。 1.2.3 奥氏体不锈钢焊接接头脆化 1、简介 由于焊接时产生的焊接残余应力较大16，奥氏体焊缝屈强比很低，冷作硬化倾向 极大，在收缩应力作用下，奥氏体焊缝产生所谓“自生硬化”现象，使其强度提高而 塑性下降；另一方面，带有粗大奥氏体柱状晶的焊缝显微组织是不均匀的，有时为防 止热裂纹，采用含有少量 d 相的 ?d 双相组织焊缝，导致焊缝低温韧性下降。关于奥 氏体不锈钢焊缝低温脆化倾向，与焊缝中产生 s 相有关。在一定的合金系统，一定的 温度范围(如 600- 850)条件下，单相奥氏体焊缝也会发生 ? s 转变，而且 s 相主要 沿晶界沉淀析出，导致接头严重脆化17- 19。 2、防止接头脆化措施 (1) 获得单相?组织焊缝，控制或减少d相，对改善接头低温韧性有重要作用。某些 稀土元素加入奥氏体焊缝可以抑制? s转变，凡是抑制该项转变的元素(含稀土)均可 抑制接头的高温脆化。 (2) 采用小的焊接规范。采用不预热，限制热输入量，尽可能快速冷却的工艺， 能有效控制接头脆化20- 21。 1.3 奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂研究现状 1.3.1 应力腐蚀破裂 有色金属产生应力腐蚀破裂的最早事例是 1886 年 au- cu- ag 合金在 fecl3溶液中 的破坏。随后，黄铜弹壳的应力腐蚀成为最引人注目的实例22。研究结果表明：在制 造弹壳的过程中，弹壳具有残余应力；在储存过程中，这种弹壳在含有氨离子的潮湿 空气中开裂，人们将上述开裂称之为“应力腐蚀开裂”(stress corrosion cracking)。 应力腐蚀破裂是不锈钢材料在环境破裂中最普遍最严重的破坏形态之一。它仅在 同时满足特定的合金成分和结构、特定环境、足够大的应力三者的条件下才发生。应 力腐蚀破裂具有一定的选择性，对奥氏体不锈钢来说，即在特定的腐蚀性介质及拉应 力共同作用下才会引起应力腐蚀破裂，而且腐蚀和应力的作用是相互促进的，不是简 江苏科技大学工学硕士学位论文 8 单的叠加。一般认为应力条件是拉伸的，拉应力越大，则断裂时间越短，压应力反而 能阻止或延缓应力腐蚀，但是姚京23等人的研究表明，压应力在特定的条件下也可以 产生应力腐蚀破裂。产生应力腐蚀破裂的不锈钢表面往往都产生有钝化膜或保护膜， 厚度一般由一个或几个原子层直至较厚的可见膜，腐蚀局限在微小的局部。发生破裂 时金属腐蚀量通常很微小。应力腐蚀裂纹扩展速率一般为 10- 610- 3mm/min，比均匀腐 蚀快 106倍。 1.3.2 奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂 通过对各种不锈钢应力腐蚀体系的应力腐蚀破裂现象的研究，总结出产生应力腐 蚀破裂需具备三个基本条件：金属破裂金属学因素，应力力学因素，腐蚀电化 学因素，即拉伸应力，特定环境，敏感材料。 1、拉伸应力 应力腐蚀一般只出现在拉应力部位。拉应力主要是通过导致金属中应力场及应变 场发生局部变形来破坏金属的表面膜，从而可以加速腐蚀。关于引起不锈钢应力腐蚀 破裂的拉应力来源，可以是外加工作应力，加工或热处理过程引入的残余应力，设备 部件安装和装配引起的结构应力，温差引起的热应力，甚至是腐蚀产物引起的拉应力。 腐蚀产物的楔入作用而引起的扩张应力。在不锈钢的腐蚀开裂中应力的存在会阻止钝 化膜的再形成。其次会加速 cl-和 oh-的吸附，小若正伦等通过应力、cl-吸附量与不锈 钢应力腐蚀敏感性的关系研究，表明：随着应力的增加，cl-吸附速度加快且数量提高， 因而应力腐蚀敏感性提高24；另一方面会直接影响裂纹的宏观、微观形貌及其结晶学 位向等断裂特征。 2、特定环境 溶液的浓度、温度、ph 值等因素都会影响到具体的腐蚀过程。敏感材料只有在特 定的腐蚀介质中才会发生 scc，当然介质中的杂质对应力腐蚀的发生影响也很大。易 于发生应力腐蚀的材料与腐蚀介质的组合称为应力腐蚀体系， 如奥氏体不锈钢的氯脆、 黄铜的氨脆、锅炉钢的碱脆、低碳钢的硝脆等体系。通过对这些体系应力腐蚀破裂现 象的研究，还发现它们具有一些共同特征:除了每种合金的应力腐蚀破裂只对某些待定 的介质敏感，以及发生应力腐蚀破裂必须具有拉应力的存在外，应力腐蚀破裂是一种 典型的滞后破坏，腐蚀裂纹要在拉伸应力和介质共同作用下，并经过一定时间才能形 成、发展和断裂。 另外，介质的浓度、温度、ph 值等对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂都会产生影响 25- 31。奥氏体不锈钢常常在只含微量cl- 或 naoh 的环境内，即可发生开裂，不过浓度 越大，越容易发生开裂32- 33；并且裂纹通常优先发生在温度最高的部位，特别是在热 传递速度最大的部位以及干湿交替的部位，也就是说温度越高，越容易发生开裂34。 第 1 章 绪 论 9 这些部位上的有害的敏感介质的浓度都被浓缩得很高24。a j brophy、barton等34- 36 学者通过研究 304 不锈钢在不同浓度下沸腾 naoh 溶液中的开裂情况，证实了上述观 点。大量的试验研究表明，ph 值越低，腐蚀过程越易进行，应力腐蚀断裂时间越短。 由于闭塞电池作用，裂纹尖端的 ph 值和电位都远远低于整体表面，所以腐蚀很严重。 奥氏体不锈钢 cl-系统的研究结果表明，在 1.82 和 3.0 之间有一个临界 ph 值，并且这 个值随应力而增加23。 3、敏感材料 不同材料对 scc 的敏感程度不同，较为敏感的材料有不锈钢，高强钢，cu，al， ti 合金等。材料的强度水平和热处理水平等与敏感性相关联。一般来说，材料的强度 水平越高，越易发生应力腐蚀破裂。同时材料的晶粒尺寸、变形结构(位错亚结构、马 氏体)、敏化、偏析、铁素体和辐照损伤等均是影响奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的重要 显微结构。 在奥氏体不锈钢产品的制造过程中，避免不了对其进行焊接或者焊后热处理，可 能会使奥氏体不锈钢发生敏化。对于敏化易产生晶间腐蚀倾向，同时也会增加应力腐 蚀开裂敏感性37，这时产生的腐蚀开裂是沿晶的。另外，不同的热处理方法也影响着 奥氏体不锈钢在碱性环境下的应力腐蚀开裂敏感性，但是文献38研究表明在 50%naoh 溶液中，奥氏体不锈钢开裂形态与热处理无关，都是穿晶开裂。 另外，材料中的合金元素对应力腐蚀开裂也具有显著的影响，通过试验研究得到 了一些结论：ni 和 cr 含量在含氧的 naoh 溶液中有助于提高抗碱裂性能；采用磷酸 盐添加剂可以减轻合金的碱裂； 氯化物和铬酸盐可以抑制奥氏体不锈钢的碱裂等39- 41。 1.3.3 应力腐蚀破裂研究方法 应力腐蚀破裂是由于材料、环境和应力的交互作用产生的结果，因此研究应力腐 蚀破裂的方法共有力学方法、电化学方法和物理方法三大类。 1、力学方法 近 20 余年来，应力腐蚀力学方面的研究取得了显著进展。从力学方面研究应力腐 蚀方法可分为三类：恒应变加载、恒载荷加载以及慢应变速率实验方法。 恒载荷法和恒位移法都是研究应力腐蚀的传统力学方法。用以确定裂纹扩展速率 以及确定裂纹不扩展的临界力学参数，如应力腐蚀破裂门槛值 kiscc和 kih，而氢致开 裂和应力腐蚀门槛值的对比研究是区分应力腐蚀机理的重要方法之一。 慢应变速率实验机的出现在评价材料应力腐蚀破裂敏感性方面具有重要的意义。 相比之下，慢应变速率法具有较大的优越性42,43。作为一种实验室加速试验，与其它 经典应力腐蚀试验方法相比较，慢应变速率试验法具有自己的独特性43。用慢应变速 率方法评定材料应力腐蚀破裂敏感性的要点是确定判据。最经常为人们接受的是金相 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 和断口检查，由试样剖面金相检验和断口扫描电镜分析检测应力腐蚀裂纹和断口中的 应力腐蚀开裂区域，但上述检查只是定性判定。一旦应力腐蚀得到证实，慢应变拉伸 的许多参数(如断裂时间、断面收缩率、平均裂纹扩展速度等)都可以加以利用。 2、电化学方法 应力腐蚀裂纹尖端中溶液的 ph 值的早期研究结果说明，裂纹尖端的酸化活化作 用有利于裂纹的扩展；电极技术用于裂纹尖端电位的研究结果为高强度钢应力腐蚀破 裂的氢脆机理提供了实验证据；动电位扫描技术在确定应力腐蚀破裂的敏感电位区时 起到了重要作用44,45；擦伤电极技术、交流阻抗技术及电化学噪声技术也为研究应力 腐蚀提供了微裂纹形核和扩展的电化学信息；此外，研究外加极化电位对裂纹扩展速 率或试样断裂寿命的影响，是判断应力腐蚀机理是阳极溶解型还是氢致开裂型的重要 手段之一。 3、近代物理方法 最常用的大型仪器是扫描电子显微镜和透射电子显微镜都可以应用于研究应力腐 蚀破裂，其次还有电子探针、离子探针、俄歇电子能谱等。 扫描电子显微镜在应力腐蚀研究方面用于确定应力腐蚀的晶体学特征、裂纹扩展 中的局部塑性变形过程、穿晶应力腐蚀裂纹停止的痕迹和凸台的形成机理46；早期曾 用透射电子显微镜复型技术进行应力腐蚀断口形貌观察，现主要用于位错组态和微裂 纹的观察46；电子探针主要用于腐蚀产物或介质的成分分析。离子探针不仅可以用来 分析腐蚀产物成分，而且还可以测定试样中的氢含量。俄歇电子能谱仪在研究沿晶应 力腐蚀开裂机理中用于检测晶界偏析47。 1.4 课题的目的、意义和内容 1.4.1 课题的目的及意义 在纺织印染企业中，由于高温高压染色机的高效、染色质量高等优点，已经被广 泛采用，目前海外的生产企业主要有意大利的 calvanins.r.l、台湾立信染整机械 有限公司等；国内公司有江阴双球化工设备有限公司、无锡前洲印染设备有限公司等。 在国内在役高温高压染色机的定期检测中发现， 约有 5%的设备在焊缝及热影响区存在 一定数量的裂纹，裂纹的产生使得这些高温高压染色机存在巨大的事故隐患，而在进 口染色机上裂纹的发生概率较小。 本课题为企业委托项目。该企业采用 321 奥氏体不锈钢进行 tig焊接生产染色机 中与染色剂直接接触的筒体部分。进行该课题研究的目的是分析出国产高温高压染色 机产生裂纹的可能原因，并从焊接工艺方面提出预防和改进措施。主要研究 tig焊接 工艺与接头组织性能点的关系，重点分析接头应力腐蚀特性，在此基础上得到合理的 第 1 章 绪 论 11 焊接工艺参数。研究成果可为生产实践提供理论和实验指导，从而提高设备的安全使 用性能。 1.4.2 课题研究内容 课题研究的内容为系统研究分析染色机生产过程中采用钨极氩弧焊(tig)时焊接 工艺参数的选择对321奥氏体不锈钢焊缝及热影响区组织和性能的影响， 并且对不同焊 接工艺参数下焊接接头微观组织结构对抗应力腐蚀性能的影响做出对比分析。 本论文的主要研究内容如下： 1、通过制定不同的焊接工艺参数，采用钨极氩弧焊(tig)对321奥氏体不锈钢进行 焊接试验； 2、对不同焊接工艺参数下的焊接试件通过光学显微镜，扫描电镜进行金相及拉伸 断口分析，了解焊接接头不同区域（焊缝、热影响区等）的显微组织特点及其对接头 力学性能的影响。 3、通过拉伸、弯曲等力学性能测试、分析力学性能和焊接工艺参数之间的关系； 4、通过晶间腐蚀试验和应力腐蚀试验方法分析tig焊接工艺下焊接接头的抗晶间 腐蚀能力和抗应力腐蚀敏感性。 江苏科技大学工学硕士学位论文 12 第 2 章 实验设备材料及研究方法 2.1 tig 焊实验设备 本文采用松下 wx300 tig 焊机进行焊接，该设备的特点有如下几点： (1) 可采用直流脉冲 tig 焊/直流 tig 焊/直流手工焊三种作业方式； (2) 独特的恒流控制使外部条件变化时，焊接电流也能保持稳定； (3) 采用松下独特的 ic 及晶闸管技术，瞬时引弧率接近 100%； (4) 高速焊接时，电弧也保持柔和、稳定； (5) 根据不同用途，可进行“有/无/反复”3种收弧控制。 2.2 实验材料 本实验选用的主要材料为： (1) 试验母材：太原不锈钢股份有限公司生产的 321 奥氏体热轧不锈钢带，供货 状态为固溶酸洗，试板厚度为 4mm，其化学成分及机械性能见表 2.1： 表 2.1 321 不锈钢化学成分(wt %)和机械性能 table 2.1 chemical compositions (wt %) and mechanical properties of 321 stainless steel c si mn p s cr ni ti cu sb/mpa d5/% 0.067 0.5385 1.1398 0.0258 0.0015 17.265 9.1077 0.0982 0.2270 580 57.0 (2) 试验焊材：焊接奥氏体不锈钢时，为了满足奥氏体不锈钢的特殊使用性能， 要求所选的焊接材料应确保熔覆金属有与母材相近的成分，即按“等成分原则”选焊 材，但完全等成分是难以做到的。研究和实践已经证明，超合金化焊接材料的选用往 往是很有必要的，有时甚至采用 ni基合金作为焊接材料来焊接奥氏体不锈钢。 稳定化奥氏体不锈钢是为了提高抗晶间腐蚀性能而加入钛和铌的不锈钢，其组织 奥氏体百分含量高，具有较高的塑性和韧性，组织稳定。3 2 1奥氏体不锈钢属于钛稳 定性不锈钢，焊接时可以用匹配填充材料并且得到含有铁素体的奥氏体焊缝。在焊条 电弧焊时钛的烧损严重而且难以控制，而采用钨极氩弧焊由于焊接过程中采用惰性气 体的保护，钛的烧损相当少。本实验选择钨极氩弧焊接方法，因此根据“等成分原则” 选择焊材，焊接材料选用 h08cr19ni10ti 焊丝，规格直径为 2.5mm，焊丝的化学成分 第 2 章 实验内容与方法 13 及力学性能见表 2.2： 表 2.2 h08cr19ni10ti 焊丝的化学成份 (wt %)和机械性能 table 2.2 chemical compositions(wt %) and mechanical properties of h08cr19ni10ti c mn si cr ni mo s cu p ti sb/mpa d5/% 0.026 1.81 0.40 19.01 9.28 0.01 0.001 0.01 0.022 0.30 630 38.5 2.3 tig 焊焊接试验 2.3.1 焊前准备 实验采用直径为 2.5mm 的 h0cr20ni10ti 焊丝，并在预先实验的基础上选用了四 种不同的工艺参数对 321 不锈钢进行了焊接，其焊接接头坡口形式如图 2.1 所示： 图 2.1 接头结构 fig 2.1 structure of welded joint 1、用线切割的方法将试样加工为 500mm65mm4mm 的样板，采用机械加工方 法开单边坡口 30 , 焊接前应将坡口及其两侧 20mm 范围内油污清除干净, 使其呈现金 属光泽。焊前不需预热。 2、焊前必需清除可能使焊缝金属增碳的各种污染。焊接坡口和焊接区焊前应用丙 酮或酒精除油和去水。不得用碳钢钢丝刷清理坡口和焊缝表面，而应使用砂轮、不锈 钢刷等清渣和除锈。 3、避免强制组装, 防止组装过程中造成各种伤痕，因为各种组装伤痕及电弧灼痕, 都会成为 scc 的裂源, 易造成腐蚀坑。 4、控制层间温度，一般不超过 150，本实验取 60。 2.3.2 焊接工艺参数设定 合理的焊接工艺参数是获得优质焊接接头的重要保证。tig 焊的工艺参数有：焊 接电流、电弧电压(电弧长度)、焊接速度、填丝速度、保护气流量与喷嘴孔径、钨极 直径与形状等。 1、焊接电流。焊接电流是 tig 焊的主要工艺参数。在其它条件不变的情况下， 江苏科技大学工学硕士学位论文 14 电弧能量与焊接电流成正比；焊接电流越大，可焊接的材料厚度越大。因此，焊接电 流是根据工件的材料性质与厚度来确定的。焊接电流的选择决定于奥氏体不锈钢的