（材料学专业论文）cr15mn9ni1n奥氏体不锈钢的焊接及接头性能.pdf

摘要 c r l 5 m n 9 n i l n 奥氏体不锈钢属于2 0 0 系列不锈钢。与常规的n i c r 系奥氏体不锈钢 相比，这类钢有较高的强度，良好的耐磨损性能及耐点蚀性能。这些不锈钢具有较高的 含m n 量，并加入氮进行强化，通过以氮代镍稳定奥氏体组织，又能大大降低原材料成 本。然而，由于化学成分体系的差异，这类钢在焊接过程中的凝固及冶金特性与n i c r 系不锈钢有所不同。其凝固热裂纹倾向与常规的3 0 0 系列奥氏体不锈钢不同。本文通过 对c r l 5 m n 9 n i l n 奥氏体钢的焊接特性进行研究，分析和探讨了低镍奥氏体不锈钢的焊 接接头的凝固模式、组织特性及热裂纹的倾向。 采用钨极氩弧焊及手工电弧焊两种焊接方法，并调整焊接工艺参数，分析这种钢不 同线能量下的焊缝组织特性。由于此新钢种特殊的化学成分，目前没有相应匹配的焊接 材料，本文中初步选定e 3 0 9 l 1 6 作为手工电弧焊的焊接材料。同时制定合理的焊接工艺， 以解决在焊接过程中可能出现的热裂纹等问题。并通过焊接接头的拉伸、弯曲、硬度等 力学性能试验以及金相观察、电子探针等试验手段，检测其焊接性能，为今后此钢种的 工业应用提供直接的加工依据。 分析残留6 铁素体形态和所处的位置，可以判断焊逢金属的凝固模式。通过观察焊 接接头金相组织看出，从熔合线到焊缝中心，奥氏体基体分布的残留6 铁素体形态，依 次为侧板条、蠕虫状和骨架形。由此可以确定，这种钢焊缝金属的凝固模式为f a 模式。 大量工程实践和实验研究已经证实，如果焊逢金属以先析出6 铁素体的f a 模式凝固，可 以有效地防止焊接热裂纹。 通过简便的施加应变的横向可调拘束度试验装置，采用钨极氩弧焊的焊接方法，研 究了c r l 5 m n 9 n i l n 奥氏体不锈钢的热裂纹倾向。分析实验结果并与其他不锈钢材料相比 较后可以看出，此种氮强化的奥氏体不锈钢热裂纹敏感性较低。 关键词：奥氏体不锈钢：接头组织；凝固模式；横向可调拘束度试验；热裂纹 c r l 5 m n 9 n i l n 奥氏体不锈钢焊接及接头组织特性 a b s t r a c t 7 n l ec r l5 m _ n 9 n i l na u s t e l l i t i cs t a i n l e s ss 钯e lb e l o n g st 02 0 0s e r i e ss t a i | 1 l e s s s t e e l s c o m p a r e d 、i t l lc o n v e n t i o n a ln i c rs e r i e sa u s t e i l i t i cs t a i l 】i e s ss t e e l s ，l i sk i 扣l do fs t e e l p o s s s m es p e c i a lp r o p e r t i e s ，吼l c ha sl l i g hs t r e n g ma i l dt o u g h n e s s ，e x c e l l e n tc o r r o s i o n r e s is 咖ea n d 衄豫g m d c 岬r 够t h e s es t a i 血e s ss t e e l 谢廿l1 1 i 曲m nc o n t e m ，锄da d d 证g i l i t r o g e nt 0s t r e n g t l l e n f u h e 珊o r e ，c o s to fm a t e r i a j sc 姐b eg r e a t l yr e d l l c e db y 蛐g n i 仃0 9 e nt 0r e p l a c en i c k e lf o rs t a b i l i z a t i o no ft 1 1 ea u s t e i l i t i cs 协j c t u r e h o w e w i r 也i sl 【i i l do f s t e e li sd i 任l e r s 丘o mw e l d i n gp r o c e s ss o l i d i f i c a t i o na i l dm em e t a l l ? 星yc h 锄佻t e r i s t i co fn i - c r s e r i e sa u s t e i l i t es t a i l li e s ss t e e l sa sar e s l 小o fs p e c i a jc h e i l l i c a lc o 埘l p o s i t i o n 1 t st e n d e n c yt o s o l i d i f i c a t i o nh o tc r a c k i n gl 孤壕et l l a i lc o i e n t i o n a l3 0 0 s e r i e sa u s t e l l i t i cs t a i l d e s ss t e e l i n “s d i s s e r t a d o n ，t l l ew e l d i n gc h 扣硼e r i s t i c so f “s 鲥1 1 l e s ss t e e lw e r es y 咖m a t i c a l l ya n dd e e p l y i n v e s t i g a t e d ，a n dt l l es o l i d i f i c a t i o n l o d eo f 、e l dm 砌、面c r o s 眦t i l r l cc h a r a c t e r i s t i c 、 h o t c 瑚i c k i i l gt e r l d e n c yi nt i l es t e e l sw ，a 呛a n a l y z e da n dd i s c u s s e d s e l e c t 距a p p r o p r i a t ew e l d i i l gm a l e r i a l sa se 3 0 9 l 1 6s t a i l l i e s ss t e e lw e l d i n gr o d a c c o r d i n gt os p e c i a lc h e i i l i c a lc o m p o s i t i o n ，a d i u s 屯e dt h j ss t e e l sw e l d e d o 缸c h e i i l i c a l c o m p o s i t i o n ，h 硒丹搬锄t e e di l lt l l ed e p o s i t e dm e t a lm e1 1 i 们g e n 锄do t l l e ra l l o y i i l ge l e i n e n t c o n t e n ti sr e a s o m i b l e ，t op r o m o t i o ny + 6l n i c r o s t n l c t u r ef o m a t i o n s i m u l t a 】o u s l yf o n n u l a t e s t h e 陀a s o n a b l ew e l d i n gp r o c e s st 0s o l v e sp r o b l e i i l sl i k eh o t c m c l 【i n gw l l i c hp o s s i b l ya p p e a r si i l t l l e 、e l d i i l gp r o c e s s e x a r i l i n e si t sw e l d i n gp l e d o n n a n c et 1 1 r 0 i l 曲t e n s i l e ，b e n d i n g 强dk 玳h l e s s t e s t 嬲w e ua sm e t a l l o g r a p m c 肌a l y s i sa n de p m a ，e t c w i l lp r o v i d et l 地d i r e c tp r o c e s s i n gb 嬲i s f o rt h e l t l l r eo ft h i si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t w od i f r e r e m 、e l d i i l gm e t h o dt i ga i l dm a n u a jw e l d i n g 、e r eu s e dt 0a n a l y s i so ft m s s t e e l sw e l dc h a 联岭t e r i s t i c su n d e rd i f i e r e n th e a ti r r p u tm r o u 霉血、v e l d i n gp r o c e s sv a r i a b l e s a d j u s t n l e n t j u d g em a tw e l d e dj o i 鹏鹤t h em o d eo fs o l i d i f y i n gt h r o u 曲j u d g em es h a p ea i l d l o c a t e sp o s i t i o no f6 一f e r r i t e u s i n gm e t a l l o g r a p h j ca n a l y s i st i l a tt h e6 f e r r i t e sw 嬲d i s t r i b u t e d o nt h eb a s eo fa u t e l l i t i c s ，a sl a m vf e 玎i t e ，v e r 而c u l a rf e 玎i t ea n ds k e l e t a lf e r r i t ef 如mm s i o nl i i l c t 0w e l d e dj o i n tc e n t e r t h er e s u l t so fm es t u d ys h o w e dt 1 1 a tt l l es o l i d i f i c a t i o nm o d eo ft h i s a u s l ：e 1 1 i t i cs t a i n l e s ss t e e l sw a sf am o d e a n dm a s s i v ep r o i e c tp r a c t i c ea l r e a i yc o n f i n n e dt b a t i tc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tw e l d i n gh o tc r a c k i n gi ft 1 1 ew e l d i n gm e t a lf i r s tp r e c i p i t a t i o no f 6 f i e r r i t es o l i d 讯c a t i o n ( f a ) m o d e t l l es o l i d i f i c a t i o nc r a c kt e n d e n c vo fw e l dm e t a i so fc r l5 m n 9 n i l na u s t e n i t i cs t a i l l l e s s s t e e l s 、v e r e o v e r a l lq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e db yu s i n gt h et e s t e rt f a n s v a r e s t r a i mt e s t d e v i c e o b s e r v em e 、v e l d e di o i n t sc r a c kc a s eu n d e rd i 日e r e n tr e s t r a i n ts i t l l a t i o n sa n d q u a n t i 句i n g 、) l ，e l ds o l i d i f i c a t i o nc r a c k i l l g a n a l y s i so fr e s u l t sa n dc o m p a r e dt oo t h e rs t a i m e s s s t e e lm a t e r i a l sc a nb es e e ni th a sl o wc 畿屺k i n gs u s c e p t i b i l i t yo ft h j sn i t r o g e ns t r e n g t h e n e d a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s k e y w o r d s ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；】v i i c r o s t r u c t l l r e so fw e i d m e n t ；s o l i d i n c a t i o nm o d e o fw e mm e t a l ；t r a n s v a r e s t r a i n tt e s t ；h o t c 翰c “n g i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1中国不锈钢产量和表观消费量统计图”l 图1 2 中国镍供需状况统计图2 图1 3奥氏体不锈钢的固溶强化效应6 图1 4n i 及m n 含量对钢中氮溶解度的影响6 图1 5c r 含量与钢中氮溶解度关系图7 图1 6 焊接接头的晶间腐蚀一9 图1 7 高氮奥氏体不锈钢熔焊时可能出现的缺陷1 0 图1 8 凝固模式对热裂纹的影响1 4 图1 9 成分和凝固速度对奥氏体不锈钢微观组织的影响1 4 图2 1焊后热处理曲线图2 2 图2 2 焊接接头力学性能取样部位2 2 图2 3 焊接接头拉伸试样尺寸2 3 图2 4 焊接接头弯曲试样尺寸2 4 图2 5 三点弯曲试验装置示意图2 4 图2 6电解浸蚀装置示意图2 5 图3 1t i g 焊焊接接头应力应变曲线2 7 图3 2 手工电弧焊焊接接头应力应变曲线一2 7 图3 3 焊接接头常温拉伸试样2 8 图3 4 拉伸试样焊缝处断口2 9 图3 5 焊接接头试样弯曲试验后照片( 面弯) 2 9 图3 6t i g 焊焊接接头硬度分布3 0 图3 7 手工电弧焊高线能量焊接接头硬度分布3 0 图3 8 手工电弧焊低线能量焊接接头硬度分布3 0 图4 1凝固模式和伪二元相图的关系3 3 图4 2t i g 焊高线能量焊接接头金相组织3 5 图4 3t i g 焊低线能量焊接接头金相组织3 6 图4 4 手工焊高线能量焊接接头金相组织3 7 图4 5 手工焊低线能量焊接接头金相组织3 8 图4 61 1 g 焊焊接接头熔合线处成分变化3 9 图4 71 1 g 焊焊接接头焊缝中心成分变化3 9 图4 8 手工电弧焊焊接接头熔合线处成分变化4 0 图4 9 手工电弧焊焊缝处成分变化4 0 图5 1 不同类型的可调拘束度试验4 3 图5 2 评定焊缝凝固裂纹敏感性的横向可调拘束度试验装置示意图4 5 i c r i5 m n 9 n il n 奥氏体不锈钢焊接及接头组织特性 图5 3 横向可调拘束度试验施加2 以下应变量时没有出现裂纹“4 6 图5 4 起裂应变阈值2 时焊缝裂纹情况一4 6 图5 5 未饱和应变量5 时焊缝裂纹情况4 6 图5 6 焊缝最大裂纹距离和外加应变的关系4 7 图5 7 横向可调拘束度试验施加7 应变量后出现的裂纹( 平面图) ”4 7 图5 8 应变量7 时焊缝表面下裂纹细节4 8 图5 9 用在凝固温度范围内的冷却速度和在饱和应变时的最长裂纹 距离( m c d ) 来确定凝固裂纹温度区间( s c t r ) 的方法4 8 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 高氮奥氏体不锈钢的分类3 表1 2 焊接用参数、保护气成分及焊缝氮含量1 1 表1 3d e 4 0 奥氏体钢的机械性能1 2 表1 4d e 4 0 钢焊接试样的机械性能1 2 表1 5 历来提出的铁素体对防止焊接凝固裂纹的有利作用1 5 表1 6 用于不锈钢和镍基合金横向可调拘束度试验的参量及变化范围1 8 表2 1 母材化学成分( ) 1 9 表2 2 氮强化奥氏体不锈钢手工焊焊条成分1 9 表2 3e 3 0 9 l 1 6 焊条主要化学成分”2 0 表2 41 1 g 熔焊工艺参数”2 0 表2 5 手工电弧焊焊接工艺参数- 2 1 表2 6 不同焊接方法的q 值2 1 表2 7 焊接接头力学性能试验试样编号2 3 表2 8 金相试样电解浸蚀工艺2 6 表3 1各焊接接头拉伸试验结果( 常温) 2 8 表3 2 各焊接接头硬度分布值( h v ) ”3l 表4 1凝固模式、反应和得到的微观组织”3 2 表5 1 不同应变量下对应模块曲率半径：4 5 表5 2 横向可调拘束度试验中的焊接参数4 5 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名癸数窜醐：) 下6 月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：肼 6 月归日 日期：五鸪年占月少日 参& 级牛刁 苍 一 名名签签者师作导 第1 章绪论 不锈钢是2 0 世纪初材料领域最伟大的发明之一。不锈钢工业化生产自1 9 1 2 年由克虏伯公司开始至今已有近百年的历史，是一种重要的工程材料，已经被广 泛用于各种工业和环境的结构中。当今世界不锈钢产量已经占总钢产量的2 以 上。近年来，中国不锈钢的生产和消费迅猛发展。不锈钢的表观消费量由1 9 9 0 年的2 6 万吨增长到2 0 0 6 年的5 3 0 万吨，成为世界上备受关注的不锈钢第一消费 大国。不锈钢的需求拉动了不锈钢生产的快速发展。2 0 0 5 年，我国不锈钢表观 消费量已达到6 0 0 万吨，约占世界不锈钢消费总量的2 4 ，连续五年高居全球 首位。而2 0 0 6 年，我国不锈钢表观消费量达到6 15 万吨，再度成为世界不锈钢 消费的第一大国。图1 1 给出了1 9 9 9 2 0 0 6 年中国不锈钢产量和消费量的统计图。 2 0 0 8 年年初的统计数据表明，2 0 0 7 年中国不锈钢总产量世界第一，首次超过6 0 0 万吨( 其中太钢的总产量达到2 0 2 万吨，约占全国总产量的三分之一1 表观消费 量也有进一步增长。 7 0 0 6 0 0 一 口川q 小锈铡产城 - r m 小锈俐我删淌赀j l 鹾 2 0 0 一 l 。：j 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 1 2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 年份 圈l _ l 中国不锈铜产量和裹现消费量统计田 自2 0 世纪3 0 年代起，由于战争导致镍的缺乏，激发人们研究使用氮来取代 部分镍稳定奥氏体。美国、德国等便开始了以m n 、n 代n i 的m n c r 奥氏体不 锈钢的研究，2 0 世纪4 0 年代便取得成效，开发出了铬锰氮系奥氏体不锈钢。随 后的研究表明氮在提高不锈钢强度的同时并不损害延性，而且能够提高耐腐蚀性 能( 特别是局部腐蚀性能) 。在5 0 6 0 年代，用氯作为钢中合金元素的研究曾经 有过一个熟潮出现了很多代表性的奥氏体不锈钢种。 ：譬：2 ：墨昼竺j ：箜塑生兰苎誓兰篁i 在我国由于受不锈钢巨大需求的刺激，使得镍价一路走高，且生产不锈钢所 必需的原材料镍的资源是有限的因此研究开发节镍型不锈钢十分必要。 l 需求盈( 吨) 口供应量( 吨l 供应故口( 吨) 2 5 0 0 0 0 一一 0 0 0 0 0 1 f 一 ”：瀣吐础 1 9 9 92 0 0 02 0 0 l 2 0 0 22 0 0 3z 0 0 42 0 0 52 0 0 6 ( 年) 田1 2 中国镰供露状况统计圈 固12 给出了我国镍供需状况情况。由于受加入高氨量的合金工艺、技术、 装备等问题的影响，我国在低镍不锈钢的研究方面起步较晚，八十年代后期关于 此类结构村料的研制才逐渐引起重视并开展了相关的研究工作。这不仅是国民经 济町持续发展的需要，同时也是节约重要的战略物质。因此在我国进行氮强化低 镍不锈钢的广泛研究和推广生产，火力发展适合我国国情的具有国际竞争力的低 镍或无镍不锈钢以节约镍资源在我国具有特殊重要的意义。 1 1 低镍奥氏体不锈钢的应用 奥氏体不锈钢的用途非常广泛，但由于奥氏体不锈钢的强度普遍偏低且价格 昂贵，因此提高强度、降低成本对于该类材料就显得非常重要。加氮( n ) 是其 巾最有效的途径之一，高氮低镍奥氏体不锈钢即属于此种情况。高氮低镍奥氏体 不锈钢与传统的低氮不锈铡相比具有很多优点，比如它的高强度、高韧性、优良 的耐点蚀和缝隙腐蚀性能以及低成本。这些优点必将导致高氮低镍奥氏体小锈铡 在工业上的广泛应用。 目前的很多研究中都提及”高氨钢”，在讨论”高氯钢”之前先给出明确的定义 是非常重要的。在各种已经存在的定义中，国际知名的高氮钢专家s p e i d e l l l l 给 出的定义认为：对于铁素铁、马氏体不锈钢而言，当钢中的氮含量大于o 0 8 时， 便可被称为高氮钢；对于奥氏体不锈钢而言，根据氨在奥氏体不锈钢中的含量， 可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型( 氮含量00 5 o1 0 w f ) 、中氮型( 氨含量 0 1 0 04 0 w ，) 和高氮型( 氮含量在04 0 w r 以上) 。在过去的十几年里，该定 义得到了广泛的认可。但随着新技术、新钢种的出现，该定义需要重新考虑。比 如著名高氮钢专家o a vr i l i t l l 和b e r n s 【2 肄认为，当抗蠕变钢的氮含量超过0 1 不锈钢中的氮含量超过o9 或工具钢中的氮含量超过2o 时，就可以认为是“高 l 硕士学位论文 氮钢”。 裹1 1 高氮奥氏体不锈钢的分类1 5 i 尽管高氮钢的定义很重要，但目前还没有一个国际上普遍认可的明确定义 【3 1 。1 9 9 5 年提出的高氮钢的定义为【4 】：通过加压方式或其它替代方式生产的钢， 它的固态氮含量高于氮分压为o 1 脚口、钢液温度为1 6 0 0 时溶解的氮含量。该 钢需要采用特殊的加工或焊接方法。可以看出，只要是为了达到特定的性能而人 为向钢中加入氮元素的钢种都可以称为“高氮钢”。而高氮低镍奥氏体不锈钢主要 指通过人为加入一定量的氮合金化元素改善材料的强韧性能和耐蚀性能，并降低 原材料成本的一类新型不锈钢材料。高氮奥氏体不锈钢的分类及典型成分、固溶 态的室温性能如表1 1 所示。 1 2 低镍奥氏体不锈钢的国内外发展过程及现状 1 2 1 国内低镍奥氏体不锈钢的发展过程及现状 国内对含氮钢的研究开始于上世纪5 0 年代，原北京钢铁学院的肖纪美教授 开始研究钢中氮对组织和性能的影响。上世纪7 0 年代，中科院金属所成功地开 发出含氮无镍双相不锈钢( 0 c r l 7 m n l 4 m 0 2 n ) ，并获得了一定应用。对此钢种的 应用研究工作一直都在进行，如组织与性能【6 】、疲劳与磨损性能【7 1 、耐气蚀性能 【8 1 、塑性加工性能【9 】等。此外，中科院金属所以中氮含量的2 2 c r 1 3 n i 5 m n 为基 础研制成功了高强度抗氢钢( h r 3 ) 。从本世纪初开始，中科院金属所在国家8 6 3 项目的支持下，研究开发含氮医用无镍奥氏体不锈钢 ( f e 17 c r 1 4 m n 2 m o 0 4 6 n ) ，较全面地研究了材料的力学性能、耐蚀性能、腐 蚀疲劳性能、磨蚀性能和生物相容性。研究结果证明，新钢种较传统医用3 1 6 l 不锈钢具有更为优良的综合力学性能、耐体液腐蚀能力和生物学相容性。东北大 学从上世纪9 0 年代以来也开展了钢的氮合金化的实验室研究工作【i o q 2 1 ，并在1 0 吨电弧炉和3 0 吨a o d 炉上得到应用。我国不锈钢企业也在近几年成功地开发 出气相渗氮法冶炼含氮不锈钢的工艺【”】。 从上世纪8 0 年代末，国内也开始了低镍不锈钢的初步研究，如原上海钢铁 研究所曾利用保加利亚的反压铸造技术进行了高氮低镍不锈钢的初步研究【l4 1 。 c r l 5 m n 9 n 呵奥氏体不锈钢焊接及接头性能 近几年，东北大学、中科院金属所、太原重机学院、燕山大学、江苏大学、上海 大学和钢铁研究总院等单位在高氮不锈钢冶炼、组织性能和加工工艺方面开展了 一系列研究工作【1 5 。2 2 1 。 我国低镍钢研究的主要成果之一是通过跟踪国外技术，国家组织了一重集 团、二重集团等企业与科研院所联合攻关，研制出m n l8 c r l8 n 护环钢( 相当于 德国v s g 公司的p 9 0 0 ) 【2 3 1 。但由于受国内冶炼技术和设备的限制，国内低镍钢 的研究与开发受到很大限制，所研究的高氮钢中的氮含量一般不高于o 6 5 ，大 多集中在o 4 0 6 之间。另外，高氮的m n l8 c r l8 n 护环钢在热加工中的开裂 等问题一直没有得到很好解决，严重影响了生产的稳定和成本，目前仍然没有彻 底改变此类钢主要依赖进口的局面。 从2 0 0 6 年起，东北大学和中科院金属所联合承担了国家自然科学重点基金 “高氮钢及其作用机理研究”，对高氮钢的冶金制备、热加工、冷加工、组织结 构和性能等方面开展全面和深入的研究。目前已经能制备出氮含量1 0 以上、 固溶态屈服强度达6 0 0 脚口以上、p r e n 值远高于316 l 等传统奥氏体不锈钢的高 氮奥氏体不锈钢【2 4 1 。 1 2 2 国外低镍奥氏体不锈钢的发展过程及现状 19 1 2 年，a n d r e w 首先发现了氮对钢的力学性能的影响以及氮的奥氏体化能 力【2 5 1 。19 2 6 年a d c o d k 研究证明氮的加入能够提高含铬钢的强度【2 6 1 。之后，u h l i g 首先提出氮除了提高强度以外还能提高钢的耐蚀性能。二战期间由于镍供应严重 不足，德国首先研制出以锰、氮代替部分镍的不锈钢【2 7 ，28 1 。2 0 世纪5 0 年代美国 因为同样的原因，开发了含氮的高锰系列奥氏体不锈钢，即a i s l 2 0 0 系列不锈钢 【2 9 ，3 0 1 。与此同时，氮在不锈钢中的作用的研究也不断深入【3 1 ，3 2 1 。2 0 世纪6 0 年代 之后，氮作为合金元素在a i s l 3 0 0 系列奥氏体不锈钢和双相不锈钢中得到广泛应 用，逐渐形成了许多含氮的不锈钢品种系列【3 3 】。 高氮低镍不锈钢研究开始于上世纪6 0 年代初期，在实验室内采用加压感应 炉试验了多种氮含量的高氮低镍奥氏体钢。到6 0 年代后期，开始商业化生产的 努力，但当时并没有得到广泛应用，而且当时由于高氮钢冶炼技术的限制，氮含 量均低于o 6 。到上世纪8 0 9 0 年代，由于高氮钢制备技术，特别是加压冶炼 设备的发展，开发出许多含c r 、m n 和m o 的高氮不锈钢，例如德国v s g 公司 分别于19 7 5 、l9 8 l 和l9 9 6 年研制成功了大型火力发电机护环用钢p 9 0 0 ( 1 8 c r - 1 8 m n o 6 n ) 、p 9 0 0 n ( 1 8 c r 1 8 m n o 9 n ) 和p 2 0 0 0 ( 1 6 c r - 1 4 m n 3 m o 0 9 n ) 【3 4 3 6 1 。目前发电机转子护环用高氮钢已在发达国家得到广泛应用。日本国家材 料研究机构于1 9 9 7 年开始进行日本超钢铁开发计划( s t x 2 1 ) 中的“耐海水腐蚀 不锈钢的开发”工作，其目标是开发节省资源型的高性能耐海水腐蚀高氮不锈钢。 硕士学位论文 目前，日本该机构的k a t a d a 领导的课题组通过自制的增压电渣重熔冶炼炉 ( p e s r ) 已经能够制备出无镍无锰的高氮奥氏体不锈钢，氮含量最高达到1 3 ， 点蚀当量值( p r e n ) 达到7 3 8 。 高氮低镍不锈钢的抗拉强度目前最高已能达到6 0 0 m p a ，不久的将来可能会 超过4 0 0 0 m p a ，并且其仍保持有良好的韧性和高的抗腐蚀性能。随着制造工艺 技术的进步，制造成本将不断降低，性能会进一步提高，高氮低镍不锈钢的应用 范围将不断扩大。因此可以预计，高氮低镍不锈钢在交通运输( 汽车、火车、轮 船) 、建筑( 如超高强度钢筋) 、宇航空间、海洋工程、原子能和军事工业等许多 重要领域将会得到广泛应用【3 7 _ 3 9 1 。 1 3 低镍奥氏体不锈钢中合金元素的作用 1 3 1 氮在奥氏体不锈钢中的作用 由于氮具有强烈的稳定奥氏体结构的能力，因此为了减少钢中镍的用量以降 低原材料成本，常常在降低钢中镍含量的同时，人为地向钢中加入氮元素以获得 单一奥氏体组织。由此发展出含氮节镍型2 0 0 系列不锈钢。但随着对氮在钢中作 用的认识的逐渐深入，氮也日益成为奥氏体不锈钢中的重要合金元素。在不锈钢 中的作用除了部分替代昂贵的镍外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢 的强度，而且并不损害钢的塑性和韧性。 氮是强烈的奥氏体形成和稳定元素，同时也强烈扩大相图中奥氏体相区的范 围。较早的资料认为氮稳定奥氏体的能力与碳相当，都约为镍的3 0 倍。在随后 的研究中，对其进行了修正。根据修正后的s c h a f n e r s 图中的镍当量计算公式 【4 0 1 ： n i e q = n i + c o + o 1 m n 0 o l m n 2 + 1 8 n + 3 0 c ( 1 1 ) 可以看出，氮元素稳定奥氏体的能力为镍的l8 倍，仅次于碳【4 1 1 。向钢中加 入氮元素可以在减少镍用量的同时稳定奥氏体组织，既可显著降低原材料成本， 又能保持奥氏体不锈钢的优异性能。 氮作为合金元素通过固溶强化能显著提高钢的强度【4 2 4 4 1 。例如，s p e i d e l 【1 】 和r a s h e v 【4 】的研究结果表明，通过向无氮奥氏体不锈钢中加入1 2 的氮可以使 钢的屈服强度从2 4 0 m p a 提高到9 0 0 m p a 。a n d r e e v 和r a s h e v 【4 3 】的研究结果表明， 当氮含量提高到2 1 时，材料的强度比无氮奥氏体不锈钢提高了4 0 0 ，同时其 它性能仍然非常优异。可见氮是最有效的固溶强化元素( 见图1 3 ) 。 氮的加入除了提高奥氏体不锈钢的强度以外，还提高了材料的加工硬化能 力、疲劳性能、耐磨性能以及蠕变性能【4 5 4 8 1 。此外，氮的加入还能提高奥氏体 不锈钢的点蚀性能，及材料的缝隙腐蚀性能、应力腐蚀性能、空蚀性能等【5 2 】。 c r l5 m n 9 n il n 奥氏体不锈钢焊接及接头性能 曩 窆 、 口 司 o 圈1 3 奥氏体不锈钢的固溶强化效应 1 3 2 镍在奥氏体不锈钢中的作用 镍是普通奥氏体不锈钢中的主要合金元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体 结构，从而使钢具有良好的强度、塑性和韧性的配合，并具有优良的冷、热加工 性和冷成型以及焊接、低温与无磁等性能；同时还提高奥氏体不锈钢的热力学稳 定性。由于镍对氮的相互作用系数为正值，所以氮在含镍钢中的溶解度随镍含量 的增加而降低。从图1 4 可以看出，在相同氮气压力的条件下，钢中氮的溶解 度随镍含量的降低而增加。 图1 4n i 及m n 含量对钢中氮溶解度的影响1 6 1 3 3 铬在奥氏体不锈钢中的作用 在奥氏体不锈钢中，铬是强烈形成并稳定铁素体组织的元素，并缩小相图中 的奥氏体相区【l ”。随着铬含量的增加，钢中金属间化合物( o 相) 的形成倾向增 大【4 7 1 。在低镍奥氏体不锈钢中的铬还会与氮形成c r n 、c r 2 n 等化合物【4 引。同时， 铬还会与碳形成c r 2 3 c 6 等碳化物【5 3 1 。这类金属间化合物和碳氮化物析出相均破 坏材料的耐蚀性和韧塑性【4 8 ，5 ”，需要通过工艺手段加以消除。 铬作为奥氏体不锈钢的主要合金元素，它的主要作用是提高耐腐蚀性能。当 材料保持单一奥氏体组织时，铬含量的变化对材料力学性能的影响不大。不锈钢 的不锈耐蚀性能主要是由于钢的表面形成的富铬氧化膜。当钢中铬含量大于 硕士学位论文 1 2 后，钢的耐蚀性能比较优异。因此，不锈钢的铬含量均在1 2 以上。 o r 图1 5c r 含量与钢中氮溶解度关系图 在低镍奥氏体不锈钢中，铬的作用还表现在提高氮在钢液中的溶解度。图 1 5 为根据r a s h e v 【3 】的实验结果绘制的钢液中的铬含量与其在平衡条件下溶氮量 的关系曲线。从图中可以看出，钢液的溶氮能力与铬含量基本呈线性关系。因此， 提高铬含量是增加氮在钢中的溶解度的重要手段。 1 3 4 锰在奥氏体不锈钢中的作用 锰是钢中强烈的奥氏体稳定化元素，所以传统的合金钢为了提高其淬透性往 往向钢中加入一定量的锰。虽然锰也是奥氏体形成元素，但从镍当量计算公式( 式 ( 1 1 ) ) 可以看出，锰形成奥氏体的能力不及镍的l lo 。在低镍奥氏体不锈钢中 加入大量锰元素的主要目的是与铬一起提高氮在钢中的溶解度。在低镍奥氏体不 锈钢中加入锰可以显著提高钢的溶氮能力【6 】。 1 4 低镍奥氏体不锈钢的焊接及其发展 1 4 1 奥氏体不锈钢的焊接 奥氏体不锈钢应用领域广泛，不仅是因为它们的耐腐蚀能力强，而且由于它 们易于成形和良好的焊接性以及具有很好的耐久性。通常的奥氏体型不锈钢都具 有非常好的塑性和韧性，这决定了它具有良好的弯折、卷曲和冲压成型性，因而 便于制成各种形状的构件，其焊接工作量也因此比其他不锈钢大得多。其焊接性 比铁素体钢、马氏体钢都要好。奥氏体型不锈钢焊接接头不存在淬火硬化区，所 以，即使受焊接热影响而软化的区域，其抗拉强度仍然不低。但在役的奥氏体不 锈钢焊接结构中，焊接接头出现裂纹和腐蚀破坏等问题案例时有发生，不仅影响 了结构的正常使用和安全性，还造成了经济损失。焊接的质量问题归根结底是与 其焊接性相关。 奥氏体钢焊接时存在的主要问题是：焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头 产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；接头中铁素体含量高时，可能出现脆化。 c r l5 m n 9 n i1 n 奥氏体不锈钢焊接及接头性能 1 4 1 1 热裂纹敏感性 奥氏体钢焊接时，具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能出现 热裂纹。最常见的是焊缝凝固裂纹，有时候会出现热影响区液化裂纹。由于奥氏 体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，焊缝金属凝固期间存在较大的应力；且 焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质的偏析，从而提高了热 裂纹敏感性，是凝固裂纹产生的充分条件。 热裂纹产生的主要影响因素有：( 1 ) 冶金因素。焊缝的化学成分对热裂纹的 产生具有较大的影响。促使热裂倾向的元素( 由强变弱) ：p s s i n i ；能抑制 热裂的元素( 由强变弱) ：c m n c r 。( 2 ) 焊缝凝固模式的影响。初生相为6 铁 素体，并形成6 + 丫组织的结晶模式( f a 模式) ，其抗凝固裂纹能力最强；初生 相为y 相，并形成单相y 组织结晶模式( a 模式) ，其抗凝固裂纹能力最低。( 3 ) 冷却速度。合理的冷却速度是控制热裂纹所必须的。冷却速度偏大时，增大焊缝 的变形速度，不利于热裂纹的防止；冷却速度过小，熔池高温停留时间长，热裂 纹倾向大。 因此防止焊接接头热裂纹的主要措施有：调整焊缝的化学成分，首先控制焊 缝中铬镍当量比c r 。小i 。，以保证获得先6 铁素体的f a 凝固模式；其次要限制 焊缝中的有害杂质，如s 、p 、c 等的含量；铁素体的含量控制在3 以下，因为 铁素体能大量熔解有害杂质；在施焊时尽量减小熔池过热，以防止形成粗大的柱 状晶【3 4 1 。可以采用小的焊接电流和小的焊接速度，降低焊接热输入量；控制成 型系数，成型系数的控制与焊接参数相关，合理的成型系数对控制热裂纹有一定 作用；减小熔合比，在减小母材对焊缝稀释率时，同样要求降低焊接电流。 1 4 1 2 焊接接头的耐蚀性 奥氏体不锈钢的焊接结构常因腐蚀而损坏甚至报废，最常见的腐蚀类型包括 晶间腐蚀、应力腐蚀和孔蚀。 1 晶间腐蚀 晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中沿晶粒边界发生的腐蚀现象。遭受 晶间腐蚀的不锈钢或接头，有时表面上没有痕迹，但在受到应力时，由于晶粒已 经失去联系，几乎完全丧失强度，会发生沿晶界断裂事故。 接头可有三个部位出现晶间腐蚀现象，如图1 6 所示。其中a 为焊缝上的晶 间腐蚀，b 为母材敏化区晶间腐蚀，c 为刀状腐蚀，发生在焊缝熔合线外侧很窄 的范围内，形状窄而深，类似刀切形状。其预防措施主要有：从控制焊缝成分入 手，焊缝中加入一定量的铁素体形成元素，如加入t i 、n b 、m o 、b e 、s i 等，促 使焊缝形成y + 6 的组织。实践证明，在奥氏体中有少量的铁素体存在，就会大 硕士学位论文 大改善材料的抗晶间腐蚀能力。其次，在焊缝中加入稳定碳化物元素，即t i 、 n b 等，优先与c 结合，形成t i c 或n b c ，减少形成碳化铬地可能性，也可避免 晶间腐蚀。还可以减少焊缝中的含碳量，即可减少和避免形成碳化物，从而降低 形成晶间腐蚀的倾向。含碳量低于0 0 4 的不锈钢或焊条，一般称为超低碳不锈 钢，能有效地克服晶间腐蚀。从工艺措施上，为防止焊接熔池过热，选用较小的 焊接电流和较快的焊接速度，加快冷却速度；对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件 进行焊后稳定化退火处理。 图1 6 焊接接头的昌问腐蚀 2 应力腐蚀 应力腐蚀是焊接接头在特定腐蚀环境下受静拉伸应力作用下和在氯化物、氢 氧化物，硫化物等特定介质中产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢的焊接接头在 焊后未经热处理的情况下，接头处存在很大的残余应力，有时可达到屈服极限， 因此常在某些介质中发生应力腐蚀破裂。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂 是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。可以通过指定 合理的成型加工和组装工艺减小冷作变形，合理的选择焊材及采取合适的焊接工 艺、焊后完全退火或退火等焊后热处理等进行预防。 3 孑l 蚀 孔蚀则是因金属表面非金属夹杂物、析出相、晶界露头等处钝化膜较脆弱， 在特定的介质作用下产生。 1 4 1 3 焊接接头的。相脆化 焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性。相，导致整个 接头脆化，塑性和韧性显著下降。o 相的析出温度范围为6 5 0 8 5 0 。在高温加 热过程中，o 相主要由铁素体转变而成。加热时间越长，o 相析出越多