（材料加工工程专业论文）异种金属焊接工艺及接头性能研究.pdf

西华大学硕士学位论文 晃种金属焊接工艺及接头肿f - r _ 厶匕i 北研究 材料加工工程 研究生陈文静指导教师屈金山教授 摘要 采用焊条电弧焊工艺，选用a 31 2 焊条，对板厚为1 2 r a m 的1 6 m n r 和1 0 m m 的1 c r l 8 n i 9 两种金属材料的焊接接头进行了研究。对焊态接头进行了力学性能 试验，模拟实际使用介质环境，对焊接接头在焊态和焊后经过不同热处理、不 同腐蚀液浓度，不同腐蚀时间等条件下进行腐蚀试验，利用s e m 、e d s 和x r d 分析技术，研究异种材料焊接接头不同特征区的耐腐蚀性能。 试验结果表明：焊接接头在室温下的抗拉强度、冲击吸收功均高于1 6 m n r 母材的相应值，显微硬度值在1 6 m n r 侧熔合区出现了峰值。焊接接头在焊后经 过6 5 0 0 c 、7 5 0 0 c 、8 5 0 0 c 分别保温2 小时热处理条件下，随着热处理温度的升 高，异种金属焊接接头的耐腐蚀性能提高，焊后经6 5 0 0 c 保温2 小时热处理以 后焊接接头的平均腐蚀速度最大，硬度值变化最明显，接头的耐腐蚀性能最差。 焊接接头在焊后经6 5 0 0 c 分别经3 0 m i n 、6 0 m i n 、9 0 m i n 、1 2 0 m i n 时间保温热处 理后，随着保温时间的延长，异种金属焊接接头的平均腐蚀速度增加。在浓度 为1 0 、3 0 、5 0 和7 0 的n a o h 溶液中进行了腐蚀试验。焊态试样在腐蚀 液浓度增加到5 0 时，接头的耐腐蚀性急剧降低，而焊后经过6 5 0 0 c 保温2 小 时热处理后，当腐蚀液浓度增加到3 0 以后时，焊接接头的耐腐蚀性能开始下 降。随着腐蚀时间的持续增加，焊接接头的平均腐蚀速度增加，但是焊后经过 热处理以后，接头的平均腐蚀速度增加要明显得多，接头的显微硬度值变化相 对显著。 关键词：异种金属接头，腐蚀试验，组织，性能 西华大学硕士学位论文 _ - _ 一一 r e s e a r c ho nw e l d i n gp r o c e d u r e sa n dp r o p e r t i e so f d i s s i m i l a rm e t a lw e l d e dj o i n t m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e r tw e n j i n gs u p e r v i s o r ：p r o f q uj i n s h a n a b s t r a c t t h es t u d yo fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t sp r e p a r e db ys h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g p r o c e s su s i n ge l e c t r o d ea 3 12i sc o n d u c t e di nd e t a i l t h ew e l d i n go f12 m m t h i c k 1 6 m n rs t e e la n dt h e1 0n 皿t h i c k1 c r l 8 n i 9s t e e li s m a d e t h es t u d yo nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i s s i m i l a rjo i n ta r ec a r r i e do u t ，a n dt h ea s - w e l d e da n dt h e p o s t - w e l dh e a t - t r e a t e dj o i n tc o r r o s i o n t e s t sh a v eb e e np e r f o r m e du n d e rt h ec o n d i t i o n s o ft h ed i f f e r e n tc o r r o s i o nc o n c e n t r a t i o na n dt h ed i f f e r e n tc o r r o s i o nd u r a t i o nw h i c h s i m u l a r e st h ep r a c t i c a le n v i r o n m e n t st h ew e l d i n gc o n s t r u c t i o no p e r a t e s t h er e s e a r c h o nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t yo fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n tm e t a l si nt h ed i f f e r e n t z o n ei sc o n d u c t e db ym e a n so fs e m ，e d sa n dx r da n a l y t i c a lt e c h n i q u e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ei m p a c tw o r ko ft h e d i s s i m i l a rj o i n t sa ta m b i e n tt e m p e r a t u r ea r eh i g h e rt h a nt h o s eo f16 m n r b a s em e t a l ， t h em i c r o h a r d n e s sp e a kv a l u ei sg o ti nf u s i o nz o n ea d ja c e n tt ob a s em e t a l 16 m n r 啪e i lt h ew e l d e dj o i n t sa r eh e l d2h o u r su n d e r6 5 0 0 c ，7 5 0 0 ca n d8 5 0 0 c ，r e s p e c t i v e l y , t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fd i s s i m i l a rj o i n tb e c o m e sb e t t e rw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e t h e r ei sam a x i m u ma v e r a g ec o r r o s i o nr a t e f o rt h ej o i n t t r e a t e du n d e r6 5 0 0 c ，h o l d i n g2h o u r s ，t h eh a r d n e s sv a l u ef l u c t u a t e sg r e a t l y , t h e r e f o r e ， t h ew o r s tc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ed i s s i m i l a rw e l d e dj o i n ti sg o t w h e nt h e p o s t - w e l dh e a t t r e a t e dj o i n t sa r eh e l d3 0 m i n s ，6 0 m i n s ，9 0 m i n s ，1 2 0 m i n sr e s p e c t i v e l y a t6 5 0 0 c ，t h ea v e r a g ec o r r o s i o nr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fh o l d i n gd u r a t i o n t h ec o r r o s i o nt e s t so fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t sa r ec o n d u c t e d i nn a o hc o r r o s i o n l i a u i dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n1 0 ，3 0 ，5 0 a n d7 0 t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e 仪o p e r t yo fa s - w e l d e dj o i n td e c r e a s e sr a p i d l yi nc o n c e n t r a t i o n5 0 c o r r o s i o n l i q u i d ， b u tf o rp o s t - w e l dh e a tt r e a t e dj o i n t sh o l d i n g2h o u r su n d e r6 5 0 。c ，t h e c o r r o s l o n r e s i s t a n c ep r o p e r t yo fd i s s i m i l a rj o i n tb e g i n st od e c r e a s ea f t e rt h ec o n c e n t r a t l o nu pt o 3 0 w i t ht h ei n c r e a s eo fc o r r o s i o nt e s td u r a t i o n , t h ea v e r a g ec o r r o s i o n r a t eo fb o t h a l s w e l d e da n dp o s t - w e l dh e a t t r e a t e dj o i n t si n c r e a s e s ，b u tt h ea v e r a g e c o r r o s i o nr a t e o fp o s t w e l dh e a t t r e a t e dj o i n t si n c r e a s e sm o r eo b v i o u s l y , a n dt h em i c r o h a r d n e s s v a l u ec h a n g e dg r e a t l y k e yw o r d s ：d i s s i m i l a r w e l d e dj o i n t ；c o r r o s i o nt e s t ；m i c r o s t r u c t u r e ；p r o p 哪7 i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 指导教师( 签 研究生( 签 第6 3 页 蛞 帅 舢 寸 月 月 厂 f 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的意义及重要性 随着新材料、新工艺、新设备的不断出现，对各类工程构建的性能如硬度、 耐磨性、耐蚀性、低温性能等提出了更高的要求，但是在工程技术中任何一种材 料都不可能完全满足使用性能的要求，由不同材料组成的结构不仅能充分利用各 组成材料的优异性能，达到工程中的使用上的要求，而且还能节约贵重金属，降 低结构整体成本，提高经济效益，在某些情况下异种材料结构的综合性能甚至超 过单一金属结构。因此异种金属连接技术在机械、石油、化工等行业得到越来越 多的运用和日益受到人们的重视。但由于异种金属在化学成分、显微组织和理化 机械性能等方面存在较大的差异，采用通常的焊接工艺方法进行焊接会遇到相当 大的困难，难以满足工程实际的需型m 。此外，异种金属结构一般在复杂的工况 下工作，如高温、高压、腐蚀环境等。因此，如何保证异种金属焊接接头的可靠 性就成为保证结构安全运行的关键。所以，研究不同材料之间的连接具有现实的 工程实用意义。 近年来，国内外多次发生异种金属焊接结构的早期失效事故。如因腐蚀造成 的生产事故约占全部事故的1 3 以上，而高温腐蚀事故占腐蚀事故总数的7 8 左 右。根据部分国家腐蚀损失的调查统计表明，每年由于腐蚀问题所造成的直接经 济损失相当于国民生产总值( g 心口) 的1 ，全球每年因腐蚀造成的损失约 达7 0 0 0 亿美元，是自然灾害，地震，台风，水灾的6 倍。据中国工程院组织的 中国工业和自然环境腐蚀调查2 0 0 0 年调查结果表明，我国每年腐蚀造成的直接 经济损失约2 2 8 8 亿元人民币，如计入间接损失，腐蚀总损失可达5 0 0 0 亿人民币， 约占我国g n p 的5 ，即我国因腐蚀造成的损失约为4 0 0 元( 人年) 【5 7 】。因此， 为了保证具有异种金属接头的钢结构的安全运行，需要对异种金属焊接接头的各 种性能进行全面的研究。对于腐蚀环境下运行的结构还要对耐腐蚀性能进行研 究。原来已有的关于异种金属焊接接头性能的研究主要基于宏观上的分析与测 定，而关于微观上的研究不多，特别是将显微组织与性能联系起来的综合研究更 显缺少。现有的关于异种金属焊接接头耐腐蚀性能的研究主要集中在不锈钢在不 同环境条件下的应力腐蚀情况，而对异种金属焊接接头性能更全面的综合研究还 很不够。因此，希望通过本课题的研究工作，对异种金属焊接接头的性能有更深 第l 页 西华大学硕士学位论文 入、全面的了解，为工程实际应用提供有价值的参考。 1 2 国内外现状和发展趋势 近年来，异种金属材料焊接研究和生产应用日益受到广大焊接科技工作者的 重视，并已经取得许多丰富的理论知识和实践经验，针对腐蚀环境中使用的各种 类型的异种金属焊接接头的研究，国内外的专家学者都做了大量的研究工作，主 要集中在以下几个方面：熔合区附近的腐蚀性研究。碳迁移规律的研究。 金属材料的腐蚀。应力腐蚀。原来已有的关于异种金属焊接接头耐腐蚀性 能的研究主要基于宏观上的分析与测定，现在关于异种金属焊接接头耐腐蚀性能 的研究主要集中于晶粒度夹杂物，和焊后热处理等方面，关于硫化氢的应力腐蚀 问题国内外学者已经进行了大量的研究。董俊明等人【8 】用插销法评定了 0 c r ls n i 9 t i 钢及其焊接接头在1 4 3 0 c ，4 2 m g c l 2 溶液中的应力腐蚀开裂( s c c ) 敏 感性，测定了接头各区抗s c c 的临界值。呻s c c ，指出奥氏体晶粒度是热影响区 ( h a z ) s c c 抗力的最主要的因素，其中焊接h a z 的晶粒度与s c c 临界值o i m p s c c 成线f 生关系。因此晶粒度越细越能够防止微裂纹的产生，而夹杂物常常作为微裂 纹的起源，要严加控制。徐颖掣弘l l 】还研究了焊后热处理条件对不锈钢堆焊层氢 致剥离的影响。表明在7 8 0 0 c 以下，随着热处理参数的增大，增碳层宽度也增大， 氢剥离敏感性提高。7 8 0 0 c 8 7 0 0 c 之间，随着热处理参数的增大，氢剥离敏感性 逐渐减小。温度高于8 7 0 0 c ，无氢剥离敏感性。褚武扬等人讨论了应力腐蚀的基 本机理。利用特殊的恒位移加载台，在透射电镜( t e m ) 进行了位错组态变化以及 应力腐蚀微裂纹形核、扩展的原位观察。认为对金属材料而言，任何裂纹的形核 均和位错发射、增殖和运动有关，以及介质对微裂纹的钝化作用。还利用高温显 微镜，对碳钢氢腐蚀裂纹的愈合过程进行原位、实时观察，通过录像记录了整个 裂纹愈合实验过程。 概括而论，目前对异种金属的焊接及其在长期高温及腐蚀介质环境服役过程 中的性能变化仍然是研究的热点，特别是工程上非常重视，然而对于更深层次的 基础理论方面还较为欠缺和有限。 1 3 异种金属焊接 第2 页 西华大学硕士学位论文 焊接是两种或两种以上材料通过加热或加压或两者并用来达到原子之间的 结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接的基本原理就是采用施加外部能量的办 法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在这个同时，又能去除掉一 切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头】。几乎 所有的产品，从几十万吨巨轮到重量不足1 克的微电子元件，在生产中都不同程 度地依赖焊接技术。在人类发展史上留下辉煌篇章的三峡水利工程、西气东输工 程以及“嫦娥”探月工程等，都采用了焊接结构。我国2 0 0 4 年的焊接材料生产 总量达到了2 1 0 万吨，比美国、日本、德国三国焊接材料产量的总和还多。焊接 已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产 的成本、效率和市场反应速度。我国2 0 0 6 年的钢产量在3 7 亿吨左右，2 0 0 6 年 中国钢材消耗量大约为3 9 9 亿吨左右，目前我国的钢材消费总量和美国、日本、 前苏联相比还尚低，2 0 世纪美国、日本、前苏联钢材累计消费量分别达到了7 3 亿吨、4 0 亿吨和5 6 亿吨。目前，钢材是我国最主要的结构材料，在今后2 0 年钢 材仍将占有重要的地位。然而，钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。 由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应 速度快等优点，焊接结构的应用日益增多。与世界工业发达国家一样，我国焊接 加工的钢材总量比其他加工方法多。因此，发展我国制造业，尤其是装备制造业， 必须高度重视焊接技术的同步提甜1 2 13 1 。 异种金属焊接接头主要分为母材、焊缝及熔合区三个部分。母材作为基材， 而焊缝金属是指熔化的填充金属与熔化的母材金属相互混合比较均匀的部位，位 于焊接接头中间部位，熔池边缘与焊缝中间相比有很大的不同。熔池边缘靠近母 材处，液态金属的温度较低、流动性差，液态停留时间较短，受到机械力的搅拌 作用比较弱，是一个滞留层。此处熔化的母材与填充金属不能充分的混合，并且 越靠近母材，母材成分所占的比例越大，化学成分梯度在该处有一个明显的变化， 这种变化必然要带来组织的变化，从而形成一个称为熔合区的很窄的过渡区。 关于焊接特征区的划分有很多不同的方法。除了一般的母材、焊缝、热影响 区之外，还将熔合区细分为“不完全混合区”和“部分熔合区”。其中熔合区的组织 变化更复杂，由单相奥氏体区、奥氏体+ 马氏体区、类马氏体区和细小铁素体+ 珠 光体晶粒区组成【。 第3 页 西华大学硕士学位论文 异种金属焊接的连接形式也是多样的。两种不同金属之间焊接，中间不加填 充金属，冶金结合后在中间形成一个过渡层，或称熔合区：两种不同金属之间的 焊接，中间填充第三种金属，形成两个熔合区；两种金属之间焊接，中间填充与 某一侧母材成分相同的金属，形成一个异类金属熔合区和一个同类金属熔合区； 相同金属之间焊接，中间填充另一种金属，形成两个性质相同的熔合区；在某一 种金属上堆焊不同的金属，形成一个熔合区。 1 3 1 异种金属焊接的特点 金属焊接性是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的 焊接接头的特性。从理论上讲，只要在熔化状态下能够互相形成溶液或共晶的任 意两种金属都可以通过熔化焊接形成接头【1 4 1 。可分为同质焊接和异质焊接。如果 两种金属之间能够形成固溶体，则其熔化焊接性较好，如碳钢或低合金钢与奥氏 体不锈钢或n i 基合金之间的焊接等。但是由于两种金属之间在组织类型、化学 成分、机械性能等方面具有较大差异，会带来残余应力集中，碳扩散等问题。如 果两种金属之间能形成机械混合物或复杂组织，则认为熔化焊接性尚可。如果两 种金属之间形成金属间化合物( 脆性相) ，则熔化焊接性不好，需要用固态焊接， 或熔化焊接时中间采用过渡层等【l 】。因此异种金属焊接接头存在以下一些特点。 ( 1 ) 焊接接头熔合区的组织 同种金属的焊接接头由于基本金属的轧制或锻、铸状态与焊缝的快速冷却， 快速结晶铸态组织有较大的差距，加上填充金属的化学成分与基本金属总是有差 异的，所以在基体过渡到焊缝的交界处能够从金相磨片上看到一个界面，宏观上 为“熔合线”，微观上为尺寸很小的“熔合区”。但同种金属焊接接头各部分差 异毕竟不大，特别是它们的晶格常数比较接近，从理论上讲晶格常数的差别不大 于9 时，在结晶过程中伴随发生的结晶物质的晶格扭曲变形层很薄，而且随着 结晶物质的继续增长而很快使晶格扭曲的程度变小了。因此，它的变形层厚度只 相当于单个分子或几十个原子的直径。“熔合线”就显得不那么鲜明，从金相磨 片上看，其界面处不那么截然分明。 在研究异种金属的焊接接头时，了解工件在热加工和使用过程中成分变化的 过渡层即熔合区是非常有必要，异种金属熔合区的构成和性能是特别重要的问 第4 页 西华大学硕士学位论文 题，异种金属焊接结构的破坏多半发生在熔合区，因此研究异种金属熔合区非常 重要，不仅仅是因为基体金属和焊缝合金化方面有差别，而且由于晶格类型有差 别，不可避免地会在分界面上引起过渡层中晶格的畸变，从而造成晶格的各种缺 陷，由于靠近熔合区各段上焊缝结晶特点不同，又易形成性能不好的，成分变化 的过渡层：另外，由于处在高温的时间长，这一区域的扩散层会扩大，会进一步 使金属的不均匀性增加。 决定熔合区的组织和性能主要有两个过程，一是异种金属结晶过程本身，这 一过程决定着熔合区的组织和在近缝区可能出现的成分逐渐变化的过渡层；二是 一些扩散过程，它能够在熔合区引起成分和性能与基体金属不同的过渡层，从微 观组织分析的观点来看，相互接触的两种金属，尽管化学成分差别较大，只要它 们的晶格类型相同，基体金属与焊缝熔合区的结晶就有相容性，如果两种金属的 晶格相差较大，但在晶格中有结合在一起的络合物也会有共同的结晶，这时在熔 合区内就会出现从一种晶格向另一种晶格过渡的单分子层，由于这里发生了晶格 畸变，所以过渡层总是受力的。组织类型不同的异种金属接头中( 主要指珠光体 钢与奥氏体钢) ，仍存在a 与y 的结晶晶格方向相适应的结晶条件，因此，该类 异种金属接头的熔合区内也应有共同的结晶方向。 ( 2 ) 异种金属焊接接头熔合区附近的化学成分 异种金属焊接熔合线的化学成分可分为四个阶段来说明它的变迁。以碳元素 的迁移为例，第一阶段焊缝金属还处于液态熔池的状态，碳在固态金属中的溶解 度远远低于液态金属，所以碳由基本金属的固态向焊缝金属的液态过渡，第二阶 段从熔池结晶开始，由于碳在焊缝固溶体中浓度大，而熔合线靠近基本金属一侧 的浓度小，随着冷却的过程碳又从焊缝向基本金属方向位移这种反向位移有可 能与第一阶段迁移的结果达到平衡；第三阶段是异种金属焊接所特有的，随着焊 接接头继续冷却下来，碳从固溶体中析出并与碳化物生成元素结合生成碳化物， 一直到3 5 0 , - 4 0 0 0 c 为止。当降到这个温度以下时，碳元素的扩散能力就显著下降 了，但是实验证明，这个阶段不是经常必然出现的。 如果采用多层焊，复合结构经焊后热处理或者在高温条件下工作，就会出现 类似于第二阶段的碳迁移，这一种熔合线成分的变化为第四阶段。但总的来说， 如果复合结构焊后不进行热处理，又不是在长时间的高温下工作，异种金属焊接 第5 页 西华大学硕士学位论文 结构还是能够具有一定的工作性能的，熔合线化学成分的变化可不必过多考虑。 ( 3 ) 异种金属焊接接头的裂纹 异种金属结构常选用具有淬火倾向的高合金马氏体钢和一般低、中合金的珠 光体钢，焊接这类异种金属的困难主要是克服热裂纹的产生。对淬火钢来说主要 是近缝区的裂纹。近缝区裂纹，是指平行于熔合线并与熔合线略有一点距离处所 出现的裂纹。对形成这类裂纹的机理有两种观点：一种认为是出于焊接加热后引 起基体金属淬火而产生的，因为淬火钢在焊接时，近缝区产生马氏体，它的比容 增大造成组织应力加大，导致近缝区出现微裂纹，在焊接应力作用下，微裂纹扩 大发展成为宏观裂纹。另一种观点认为是氢致裂纹，淬火钢近缝区的冷裂纹是由 于氢从焊缝金属中扩散到近缝区并使之饱和，增加了近缝区脆性而开裂。观点不 同，采取措施也不同。第一种观点，是在焊接时预热和缓冷，以降低焊接接头淬 火倾向。第二种观点，就是要控制进入焊接熔池中的氢气来源，如采用低氢型焊 条，并保持干燥等等。还有另外一种裂纹，是指焊缝金属本身的热裂纹。这是高 合金钢焊缝金属中易于出现的缺陷，特别是纯奥氏体组织的焊缝最易出现焊缝中 心裂纹。从理论上阐明这个问题的也有几种观点，其中有一种，就认为焊缝中还 存在未结晶低熔点液膜，在相应的应力作用条件下生成了裂纹。防止措施还是与 焊接奥氏体高镍铬钢的措施一样，在焊接材料选择方面采用形成双相或多相( 6 竹 或针碳化物+ 氮化物) 成分，在单相奥氏体的焊缝金属中加入钢、钨、镧和其它 元素使之在略低于固相线的温度区间内能部分或全部阻止位错的活动【卜4 l5 1 。 ( 4 ) 碳迁移现象 异种金属焊接时或焊后经热处理或经高温运行后，经常发现低合金一侧的碳 通过焊缝边界向高合金焊缝中“迁移”的现象，分别在熔合线两侧形成脱碳层和 增碳层，在低合金一侧母材形成脱碳层，在高合金焊缝一侧形成增碳层。碳迁移 现象一直受到工程技术人员和理论研究者的高度重视，因为碳迁移是造成接头高 温机械性能降低，高温下失效断裂增加，影响高温使用寿命的主要原因之一。增 碳层的韧性下降易发生脆性断裂，脱碳层的强度下降也易导致断裂。 碳迁移现象不是由于浓度差引起的，而是由化学势差引起的上坡扩散，潘春 旭等人的最新研究表明n 6 】，在高温运行过程中，碳的迁移主要局限在熔合区的马氏 体层中，很难向奥氏体焊缝作长程扩散，这是由于在所有温度下，碳在( x - f e 中的 第6 页 西华大学硕士学位论文 扩散活动能力比在7 - f e 中大得多，( 在9 1 0 0 c 时大3 9 倍，在7 8 5 0 c 时大1 2 6 倍， 在5 0 0o c 时大8 3 5 倍) 碳很难跨过a m l 边界向焊缝内作长程扩散。此外，碳 迁移现象还与下列现象有关，碳在液态铁中的溶解度大于在固态铁中的溶解 度，碳在y f e 中的溶解度大于在a - f e 中的溶解度，奥氏体焊缝中含有更 多的碳化物形成元素( 主要是铬) 。这都决定着碳在母材或焊缝中的活度。凡是能 提高母材中碳的活度而降低焊缝中活度的因素都应有利于加强碳从母材向焊缝 中迁移。一般来说，碳化物形成元素c r ，m o ，v ，n b ，t i 等都降低碳的活度系 数，而非碳化物形成元素s i ，趾，n i 等都增大碳的活度系数，并且在固态和在液 态中的趋势是一样的，但碳在固态时的活度系数要大于在液态中的活度系数，这 种影响比钢的成分的影响还要显著，所以，碳的迁移不一定都是碳的浓度差造成 的，而是往往具有上坡扩散的性质。 为了减小异种金属焊接中碳迁移现象和碳迁移过渡层宽度，应在焊缝中含有 能增大碳活度系数的元素。实践也表明，焊缝中含有一定量的镍可较显著地减小 增碳层及脱碳层宽度，而且要控制焊后热处理，焊后加热温度与加热时间对碳迁 移的影响非常显著，可以用回火参数p t 来表示( l a r s o n m i l l e 公式) ： p f t ( 1 9 t + 1 0 ) 1 0 3 ，回火参数p t 越大，脱碳层及增碳层的宽度也越大，因此异种 金属接头焊后热处理对碳迁移的影响是极为不利的。 对于碳钢，铬钢等f 系列钢和铬镍奥氏体不锈钢接头，在进行焊后热处理并 保持温度( 2 0 0 - 5 0 0o c ) 一定时间，或在上述温度下长期运行，发生强烈的碳迁移现 象，形成脱碳层和增碳层，这种碳迁移现象称为第二类碳迁移，对于这类碳迁移， 可以归纳如下【1 7 j ： 经焊接后，一般不出现明显的脱碳层和增碳层。 第二类碳迁移一般发生在含铬钢的接头中。 一般随着温度和时间的增加，脱碳层和增碳层加宽。 在f 系列钢和a 系列钢组成的接头中，当温度超过a 1 点，使f 系列钢转 变成为奥氏体，则碳迁移速度有很大的降低。 第二类碳迁移的方向是由低碳钢到铬钢，在低合金钢一侧产生脱碳层， 在高合金钢一侧产生增碳层。 在低合金钢一侧增加含铬量，或添加铌，钛，钒等强烈形成碳化物的元 第7 页 西华大学硕士学位论文 素使碳迁移减弱。 在高合金钢一侧增加含铬量，脱碳层加宽，增强碳迁移，如再添加钒这 类强碳化物形成元素，促进碳迁移。 在碳钢一侧，少量添加铬( 如2 5 c r ) ，对降低脱碳层起很大作用。 整个第二类碳迁移过程包括：接头一侧碳化物的溶解，固溶碳通过界面的扩散 以及合金碳化物在接头另一侧的析出三个过程。碳迁移的结果会使材料的蠕变强 度降低热疲劳性能也下降，常常在脱碳层处发生断裂，并且由于在发生碳迁移的 接头界面处，由于具有显著的硬度梯度和脱碳层易于变形及在表面生成的氧化膜 容易剥离，使得腐蚀容易继续进行，脱碳层容易氧化，成为开裂的原因。同时， 碳迁移造成的含碳量和组织结构在界面处的突变，也可能成为应力腐蚀开裂的诱 导因素。因此，这类碳迁移对焊缝的性能和使用可靠性有很大的影响，必须采取 有效措施来防止或减小碳迁移。 温度和时间是对碳迁移影响最大的因素。在焊接的过程中，由于接头在高温 下停留的时间很短，并且采用热量很集中，热影响区很小的钨极氩弧焊进行焊接， 因此在焊态下的焊接接头几乎不发生碳的扩散，即使采用大线能量的焊接规范， 扩散层也不明显。但是若对焊接接头进行热处理或在高温下长期运行时，就会产 生明显的碳迁移。随着加热温度和时间的延长，脱碳层厚度增加，铁素体晶粒长 大，增碳层中的碳化物也变得更大【1 8 】。 影响碳迁移的因素除了温度和时间外，主要是化学成分。 镍是一种非碳化物形成元素，可以增加碳的活度，降低碳化物的稳定性，并 削弱碳化物形成元素对碳的结合能力。镍本身对碳又有较大的溶解度，因此，提 高焊缝中的含镍量，可以减少碳的迁移。文献1 1 8 1 等通过对比采用镍基焊丝与奥 氏体焊条焊接珠光体与奥氏体钢的焊缝的碳迁移现象，表明采用镍基焊丝可以大 大地阻止熔合区的碳迁移，减小碳迁移造成的脱碳层与增碳层的宽度，大大的增 加火电厂电站锅炉珠光体奥氏体异种钢焊接接头的高温服役寿命。然而镍是一种 稀贵的金属，且对焊接接头的高温持久强度也会产生不利的影响，故镍基焊丝中 镍的含量要适当。 碳化物形成元素按其对碳的亲和力的大小由弱到强排列顺序如下：f e ，m n ， c r ，m o ，w ，v ，n b ，t i 。一般来说焊缝金属中的这些元素的含量要高于母材， 第8 页 西华大学硕士学位论文 i 因此碳迁移总是存在的。为了减缓碳迁移延长接头的使用寿命，近年在工程上多 采用含有微量强碳化物形成元素v 、m o 等的低合金耐热钢做母材，增加母材组 织的高温稳定性。 母材和焊缝，尤其是母材中的碳含量对碳迁移的影响很大，一般母材多采用 低碳钢或低碳耐热合金钢。 影响碳迁移的因素很多，最后要看各种因素的综合结果。除碳迁移扩散层深 度不同以外，还要视扩散层中的碳的扩散量的多少，即还要考虑碳化物的析出密 度等。 1 3 2 异种金属焊接的应用并口存在的问题 早期的焊接主要是同种材料的焊接，随着科学技术的不断发展，新结构、新 设备层出不穷；新材料、新工艺的应用日益广泛，对各类工程构件的性能提出了 更高的要求，如硬度、耐磨性、耐蚀性、低温韧性、高温持久强度等等，在有些 情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足使用要求，或者即使是某种金属材 料比较理想，但往往由于十分稀贵，不能在工业中普遍应用，因此，采用焊接方 法制造异种金属复合零部件日益受到了人们的广泛重视，出现了一门新的科学技 术一异种金属的焊接 2 1 。 如在大型电站锅炉对流管束中，高温段一般采用耐热性和耐蚀性更强的铬镍 奥氏体不锈钢，而从经济角度出发。低温段一般采用价格低，耐热性和耐蚀性稍 差的珠光体耐热钢。这样，由于在机组中的各部位的工作温度的不同，相应地需 要使用各种不同化学成分和组织性能的钢材，因此必然会遇到异种金属的焊接问 题。异种金属焊接构件可以最大限度地利用材料各自的优点，达到物尽其用的效 果。异种金属的焊接是- i 1 新的学科技术，它除了要研究焊接的一般规律以外， 还要研究许多特殊的规律，如异种金属的物理、化学性能和组织结构变化、金属 间化合物的形成机理，冶金扩散过程，接头性能的检测等等，涉及面很广。近年 来，异种金属焊接的试验研究和生产应用日益受到广大焊接科技工作者的重视， 并已取得了许多丰富的理论知识和实践经验，相信在不久的将来异种金属焊接构 件会在工程上得到越来越广泛的应用 7 1 。异种金属焊接由于不同金属的化学成分、 组织结构、机械性能及物理性能的差异，因此要比同种金属复杂得多，焊接的可 第9 页 西华大学硕士学位论文 靠性问题也显得更加突出。 异种金属焊接的必要性主要体现在以下几方面。 ( 1 ) 在不同运行温度、腐蚀和氧化环境可以采用不同的材料。 ( 2 ) 为提高化工压力容器使用寿命，在低合金耐热钢容器内侧，熔敷一层耐 强腐蚀和高温的高合金奥氏体不锈钢。 ( 3 ) 为提高表面强度和耐磨性，在普通钢表面堆焊一层高强耐磨合金。 ( 4 ) 为免除焊后热处理工艺，选择高合金的奥氏体不锈钢作焊接填充金属。 ( 5 ) 许多低合金钢、碳钢和铸铁，用同种材料补焊，会产生开裂，一般选用 高合金的奥氏体钢焊条进行补焊。 ( 6 ) 为减轻机械承载结构的重量，在局部受力较大部位采用高合金钢【l 5 ，1 9 1 但是异种金属焊接所存在的一些固有问题也阻碍了它的发展，如异种金属熔 合区的构成和性能，异种金属焊接结构的破坏多半发生在熔合区，由于靠近熔合 区各段上焊缝结晶特点不同，又易形成性能不好的，成分变化的过渡层。另外，。 由于处在高温的时间长，这一区域的扩散层会扩大，会进一步使金属的不均匀性 增加。而且异种金属焊接时或焊后经热处理或经高温运行后，经常发现低合金一 侧的碳通过焊缝边界向高合金焊缝中“迁移 的现象，分别在熔合线两侧形成脱 碳层和增碳层，在低合金一侧母材形成脱碳层，在高合金焊缝一侧形成增碳层。 防碍和阻止异种金属结构的使用和发展主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在室温下，异种金属焊接接头区的机械性能( 如拉伸、冲击、弯曲等) 一般 优于被焊母材的性能，但高温下或高温长期运行后，接头区的性能劣于母材。 ( 2 ) 在奥氏体焊缝与珠光体母材之间存在一个马氏体过渡区，该区韧性较低， 是一个高硬度脆性层，也是导致构件失效破坏的薄弱区，它会降低焊接结构的使 用可靠性。 ( 3 ) 焊后热处理或高温运行过程中碳迁移会导致在熔合线两侧分别形成增碳 层和脱碳层。一般认为脱碳层由于碳的减少而导致该区域组织、性能发生较大变 化( 一般是劣化) ，从而使得该区域容易在服役过程中发生早期失效。很多服役 中的高温管线或者试验中的高温管线的失效部位都集中在脱碳层。 ( 4 ) 失效与时间，温度和交变应力等条件有关。 ( 5 ) 焊后热处理不能消除接头区的残余应力分布。 第1 0 页 西华大学硕士学位论文 ( 6 ) 化学成分的不均匀性。 异种金属焊接的时候，由于焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分有着明显的差 别，焊接过程中，母材和焊材都会熔化并相互混合，混合的均匀程度随着焊接工 艺的改变而改变，而且焊接接头不同的位置，混合均匀程度也有很大差异，这就 造成了焊接接头化学成分的不均匀性。 ( 7 ) 金相组织的不均匀性。 由于焊接接头化学成分的不连续，经历了焊接热循环后，焊接接头各个区域 出现不同的组织，往往在某些区域出现极其复杂的组织结构。 ( 8 ) 性能的不连续性。 焊接接头的化学成分和金相组织的差异，带来了焊接接头力学性能的不同。 沿焊接接头的各个区域强度、硬度、塑性、韧性、冲击性能、高温蠕变、持久性 能都有很大差别。这种显著的不均匀性使得焊接接头不同区域在相同的条件下， 表现出来的行为有很大的差异，出现弱化区域和强化区域，尤其是在高温的条件 下，异种金属焊接接头在服役过程中经常出现早期失效1 4 , 2 0 - 2 3 。 1 4 材料的腐蚀 金属和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起金属的变 质和破坏，称为金属腐蚀。随着非金属材料越来越多地用作工程材料，非金属材 料失效现象也越来越引起人们的重视。因此，腐蚀科学家们主张把腐蚀的定义扩 展到所有材料( 金属和非金属材料) 。较确切的定义为：腐蚀是材料由于环境的 作用而引起的破坏和变质。一般腐蚀现象是十分普遍的。从热力学的观点出发， 除了极少数贵金属( a u ，p t 等) 外，一般材料发生腐蚀都是一个自发过程。人们 已经认识到，人类使用的金属和非金属材料很少是由于单纯机械因素( 如拉、压、 冲击、疲劳、断裂和磨损等) 或其他物理因素( 如热能、光能等) 引起破坏的， 绝大多数金属和非金属材料的破坏都与其周围环境的腐蚀因素有关。因此，材料 的腐蚀问题已成为当今材料科学与工程领域不可忽略的课题【7 】。 金属材料的腐蚀主要是由于化学和电化学作用引起的损耗或破坏。非金属材 料在环境的化学、机械和物理因素作用下，出现的龟裂、氧化、溶胀、溶解、强 度下降或丧失强度以及重量增减变化等叫做非金属材料的腐蚀。各种材料的机械 第1 1 页 西华大学硕士学位论文 损耗称为磨蚀、擦伤或磨损。金属材料在化学、电化学和机械的因素作用下产生 的损耗一般称为腐蚀性腐蚀或磨损腐蚀或磨擦腐蚀。 各种材料的耐腐蚀性是相对的，绝对耐腐蚀的材料是不存在的，一定的材料 只适用于一定的环境条件，例如材料所按触的介质种类、浓度、温度、作用时间、 压力和材料在该介质条件下的受力状态等。金属材料的耐腐蚀性，对于全面腐蚀 而通常用腐蚀速度( 珊 n a ) 来表示，而局部腐蚀因其破坏形式很多，不能简单地用 外形尺寸变化来表示，而要根据具体的腐蚀形式，采用相应的、能真实反映物理 机械性能变化的指标来表示。例如，对于小孔腐蚀可用蚀孔密度和最大蚀孔深度 等方法来表示：对于晶间腐蚀和应力腐蚀，可用测试金属腐蚀前后的机械强度变 化来表示。非金属材料的腐蚀性，通常采用视觉观察、重量( 或体积) 变化、物 理力学性能变化来评定。 1 4 1 材料腐蚀分类 材料的腐蚀环境复杂，影响因素很多，因此从不同的角度出发，可以有不同 的腐蚀分类方法。 目前主要的腐蚀分类方法有依据腐蚀环境分类法、依据腐蚀机理分类法、依 据腐蚀形态分类法、依据材料的特性分类法、依据应用范围或工业部门分类法和 依据影响因素分类法等。在这几种分类法中，前三种分类方法应用较广。依据腐 蚀环境分类，较为直观和使用，具体可分为干燥气体腐蚀、潮湿环境腐蚀和非电 解液中的腐蚀等。依据腐蚀机理分类，则利于研究腐蚀的微观机制，具体分为化 学腐蚀和电化学腐蚀。依据腐蚀形态分类，利于辨别和诊断腐蚀应力失效，一般 分为全面腐蚀、局部腐蚀和应力作用下的腐蚀等。依据腐蚀材料下的特征和种类， 主要是从使用角度，如编写材料和材料的腐蚀数据手册或数据库时常常采用，具 体可以分为金属材料的腐蚀、无机非金属材料的腐蚀、有机材料的腐蚀和复合材 料的腐蚀等。针对每种材料还可以进行进一步细分。依据应用范围和工业部门分 类，实际是按环境分类的一种，具体有自然环境腐蚀和工业环境腐蚀。前者又可 再分为大气、土壤、海水、微生物腐蚀等；后者也可依据工业环境介质的特性再 分为酸、碱、盐介质腐蚀及化工、石油、电力、核工业、航空、航天、煤炭、纺 织等工业环境腐蚀。此外，还有其他因素腐蚀的腐蚀，这些因素主要有外部电流 第1 2 页 西华大学硕士学位论文 腐蚀、接触腐蚀等。 1 4 1 1 依据腐蚀环境分类 根据腐蚀环境不同，可将腐蚀分为以下几类：干燥气体腐蚀( 干腐蚀) 具体 包括露点以上的常温干燥气体腐蚀和高温气体中的氧化。前者属于化学腐蚀范 畴；而从过去的观点看，后者属于纯化学腐蚀，目前普遍认为是化学腐蚀和电化 学腐蚀的联合作用。电解液中的腐蚀包括自然环境中的腐蚀，其中有大气腐蚀、 土壤腐蚀、海水腐蚀、微生物腐蚀，还包括了工业介质中的腐蚀。非电解液中的 腐蚀包括卤代羟和各种有机液体物质的腐蚀，这类腐蚀为化学腐蚀。熔融金属 的腐蚀通常为物理作用引起的破坏，故有人也称之为物理腐蚀。 1 4 1 2 依据腐蚀机理分类 根据腐蚀的机理、腐蚀环境和腐蚀的破坏形式等从腐蚀机理的角度来考虑， 腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀。 化学腐蚀：是指材料与周围非电解质之间作用而引起的腐蚀损伤，如铝在纯 乙醇中的腐蚀，镁在纯甲醇中的腐蚀和金属在干燥的高温气体中的腐蚀。其反应 历程的特点是材料表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，腐 蚀产物生成于发生腐蚀反应的表面，当它比较牢固地覆盖在材料表面时会减缓进 一步的腐蚀。腐蚀反应过程不伴随电流的产生。 电化学腐蚀：金属和电解质发生接触时，由于腐蚀电池作用而引起的金属腐 蚀现象称为电化学腐蚀。其特点是：在腐蚀过程中同时存在两个相对独立的并同 时进行的反应过程阳极反应( 发生氧化反应) 和阴极反应( 发生还原反应) 并伴 随有电流产生。特征为受腐蚀区域是金属表面的阳极，腐蚀产物常常在阳极与阴 极之间，不能覆盖被腐蚀区域，通常起不到保护作用。例如金属在酸、碱、盐溶 液中的腐蚀就是电化学腐蚀。一般说来，电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多，金属 的电化学腐蚀是普遍的腐蚀现象，造成的危害和损失也是极为严重的。 1 4 1 3 按腐蚀形式分类 根据腐蚀形式分类分为全面腐蚀、局部腐蚀和应力作用下的腐蚀断裂。 第1 3 页 西华大学硕士学位论文 全面腐蚀：金属在腐蚀介质的作用下，腐蚀分布在整个表面上。全面腐蚀可 以是均匀的和不均匀的，这类腐蚀的危害性很小，也较容易控制，并且依据腐蚀 速率可以进行结构腐蚀控制设计和使用寿命的预测。 局部腐蚀既可以是部位的也可以是成分的：前者包括脓疮、斑点、坑、焊缝 区、缝隙区、金属