第二章(双相不锈钢的焊接)ppt课件

.,第二章双相不锈钢的焊接,材料科学与工程学院朱平,.,30年代：法国最先研制出双相不锈钢，呈铁素体和奥氏体双相组织状态，具有独特的耐腐蚀性和较好的力学性能。但双相不锈钢的相组成比例难以控制及焊接困难，工业应用受到限制。40年代：美国开发出第一代双相不锈钢329钢，耐腐蚀性能好，但含碳量较高（0.1%），含钼和铬都较高，焊接性不好；50年代：苏联开发含稳定元素钛的双相不锈钢，德、法、英、日等国也相继开发出双相不锈钢；60年代：瑞典开发出最具代表性的第一代双相不锈钢超低碳（0.03%）双相不锈钢，3RE60钢，使焊接接头塑性、韧性和耐腐蚀性显著改善。,2.1双相不锈钢的发展概况,.,70年代：开发出第二代双相不锈钢，即在超低碳的基础上含氮双相不锈钢，并含有钼、铜、硅等耐蚀性元素。包括18Cr型、22Cr型及25Cr型，如瑞典开发的SAF2205等。80年代：研发的超级双相不锈钢（SuperDSS）为第三代双相不锈钢，含碳量低（c0.010.02%）、高钼（Mo4%）、高氮（N0.3%），钢中铁素体含量4045%，耐点蚀系数大于40。成功解决了Cr-Ni奥氏不锈钢容易出现的孔蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等问题。,.,双相不锈钢的发展历程可概括为“产量低、增速快”。2002年全球双相不锈钢年产量约占不锈钢总产量的1%，但到了2009年这一比例上升到了15%，这种高增长的原因在于：一是质量具备可靠性；二是成本具备经济性。目前双相不锈钢被广泛应用于工业设备制造和工程项目建设。如：炼油行业中的催化裂化装置、加氢处理装置、油气输送管线；化工行业中的氯乙烯生产装置；运输行业中的海上化学品船；造纸行业中的漂白设备、建筑行业中的结构件；核电行业等。,.,双相不锈钢的主要应用领域(1)中性氯化物环境双相不锈钢在中性氯化物环境中应用广泛，在加工制造过程中，通常使用少量的含有氯离子的溶液作为冷却水，从而导致普通的奥氏体不锈钢(例如AISI304/316)有产生应力腐蚀的倾向，而双相不锈钢可以很好的解决这一问题，尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀开裂的环境。衡量耐腐蚀性的好坏通常用孔蚀当量指数PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%表示，其中双相不锈钢PRE值大于24，而奥氏体PRE小于20。(2)石油和天然气工业20世纪80年代以来，双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多，主要用作生产管衬里、热交换器以及岸上和近海的管道系统等。尤其在石油和天然气的生产中，双相不锈钢多数面临的主要是酸性环境，即含有大量Cl,CO2和一些H2S的环境。在含Cl的湿CO恶性环境中，双相不锈钢是一种理想材料的首选，可耐高流速的磨损腐蚀，比加缓蚀剂的碳素钢及不锈钢更能抵抗高流速的磨损腐蚀，并用于井上管道系统，可以减少大量的材料重量。,.,(3)海水环境海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质，尤其在金属表面粘附着微生物薄膜时将产生腐蚀电位增加，同时也增加了孔蚀和缝隙腐蚀的倾向。就热海水而言，目前大多使用超级双相不锈钢，例如，用SAF2507超级双相不锈钢制造的海水交换器，使用3年未发现腐蚀，而钛管由于不耐F腐蚀，只能用3个月。(4)纸浆和造纸工业双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的发展应用中已经有40多年的历史了，3RE60双向不锈钢最早就是在这一领域起步应用的。除3RE60钢外，其它双相不锈钢如UR45N(SAF2205)、UR47N(00Cr25Ni6.5Mo3N)、UR52N+(00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN)等都应用在各工业领域。由于双相不锈钢具有优秀的力学性能，以及耐磨损腐蚀、耐应力腐蚀以及耐疲劳腐蚀性能好等特长，所以在制造纸浆和工业用的造纸木屑预蒸器、造纸压力滚筒、连续式和间歇式纸浆蒸煮器和回收设备中都取得了良好的应用效果。,.,(5)化肥工业尿素工业也是最早使用双相不锈钢的部门之一，其装置中含氯离子水的热交换设备使用得较多，例如尿素装置中CO2压缩机三段冷却器原先使用304L奥氏体不锈钢管束，l个月后即因应力腐蚀破裂而导致泄漏，而双相不锈钢可用5年以上，随后一、二段冷却器也都换用了185Mo或SAF2205双相不锈钢。由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能，很适合用于制造尿素生产的关键设备甲按泵泵体。国产的00Cr25Ni6Mo2N双向不锈钢能够通过Huey法的晶间腐蚀倾向的检验，已用于洞庭氮肥厂（五柱塞式）、黑龙江化肥厂等大型化肥厂。国内中一些小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用185Mo钢制造，也有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢。此外这种钢的泵阀锻件通过了日本JISG0573、G0591硝酸法和硫酸法的检验，批量出口日本，价格要比日本当地生产的优惠。此外，采用国产0Cr25Ni6Mo3CuN时效强化双相不锈钢，利用其优异的耐磨损腐蚀性能，用于加工多种规格的尿素装置主工艺管路高压截止阀的内件等，能起到不错的效果。,.,(6)运输业最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户，消费量约占热轧板的50。化学品船装载的液体货物多种多样，包括化学和石化产品，要求船舱材料既能耐腐蚀，又有较高的强度和优良的塑性。目前，SAF2205双相不锈钢已取代316L和317L等奥氏体不锈钢，成为海上化学品船的首选材料。我国在这方面起步较晚，中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口的SAF2205钢板，自行制造成功第一艘18500t化学品船，钢板消耗量大约1200t，已出口比利时。实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破，该厂已形成规模生产能力。,.,2.2.1主要成分：Cr、Ni、Mo、N。其中，Cr、Mo铁素体形成元素Ni、N奥氏体形成元素N主要固溶强化元素Cr、Mo、N提高耐氯化物点蚀性能耐点蚀当量：PREN=(Cr)+3.3(Mo)+16(N)正常含Mo双相不锈钢：PREN=3036超级双相不锈钢：PREN40,2.2双相不锈钢的成分、组织和性能,.,根据成分和PREN值分类：低合金型，23%Cr无Mo双相不锈钢：Cr:23%Ni:4%N:0.1-0.2%PREN=2425中合金型，22%Cr标准双相不锈钢：Cr:22%Ni:5-5.5%Mo:3%N:0.14-0.17%PREN=3036高合金型，25%Cr+(0-2.5%)Cu双相不锈钢：Cr:25-27%Ni:4-7%Mo:1.5-3.3%N:0.15-0.25%PREN=324025%Cr超级双相不锈钢：Cr:25-26%Ni:6-7%Mo:3.5-4%N:0.25-0.28%PREN40,.,不锈钢的PREN值的比较,.,2.2.2组织相（铁素体）+相（奥氏体）双相组织，其中相与相的体积分数之比（/）约各占50%。其中：铁素体提供高的屈服强度、耐氯化物应力腐蚀性能；奥氏体提供好的韧性和耐全腐蚀性能。相含量过高引起脆化；相含量过高降低耐应力腐蚀性能。2.2.3性能1)具有良好的耐氯化物应力腐蚀的能力；2)具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，优于奥氏体不锈钢；3)有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能；,.,4)综合力学性能好。有较高的强度（包括疲劳强度），屈服强度是普通Cr-Ni奥氏体不锈钢的2倍；5)焊接性好，热裂倾向小。一般不需要焊前预热和焊后热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接；6)低铬（Cr18%）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，高铬（Cr25%）的双相不锈钢热加工比18-8型奥氏体不锈钢困难；7)双相不锈钢比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大；8)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的热导率大，线胀系数小；9)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向，不宜在高于300C的温度下使用。若含铬量较低，脆性相析出危害性较小。,.,.,.,奥氏体-铁素体双相不锈钢的性能主要受铁素体和奥氏体比例的影响，奥氏体和铁素体各占50%时，具有良好的耐腐蚀性和焊接性。在平衡状态下，两相的比例主要由钢中的合金元素，即铬当量和镍当量来决定。Creq=Cr+Mo+1.5SiNieq=Ni+30C+N+0.5Mn,.,2.3.1焊缝凝固与奥氏体形成母材组织：(50%)V相+(50%)V相，其中相呈长条状分布在相基体中。焊缝组织：焊接熔化后形成铸态组织。,2.3双相不锈钢的焊接冶金,.,Fe-Cr-Ni伪二元相图：液态下凝固：L冷却到1300：在固态下在晶粒边界形核和生长。冷却到室温：+其中，相的形态和数量：化学成分冷却速度基于TTT图：冷却速度增加相含量减少。在焊缝快速冷却条件下形成的相，一般呈魏氏组织形态。,.,.,.,.,合金元素的作用：合金元素直接影响焊缝金属的组成，Creq越大，Nieq越小，焊缝中奥氏体含量越少。合金元素在铁素体和奥氏体所占的比例也不一样。焊接参数的作用：由于焊接参数影响到冷却速度，即影响到合金元素的扩散，所以，也影响到合金元素在两相中的分配，焊接线能量越大，冷却速度越慢，由于扩散比较充分，铁素体向奥氏体转变进行的就比较充分，奥氏体含量增加，合金元素在两相中的含量差别也会拉大。析出相的问题：析出相会影响到焊缝金属中的力学性能及耐腐蚀性。,.,A.当焊缝成分与母材相同时：降低焊缝的冷却速度。冷却速度过快时，焊缝中相含量不足，而相含量可超过80%，导致焊缝韧性下降，氢脆敏感性增加。B.当焊缝的冷却速度难以降低时，提高焊缝中Ni、Mn、N等奥氏体形成元素含量，其中N的作用最为显著。通过焊缝过合金化，促使相增加，使焊缝获得与母材同样的组织。N对转变的作用：（由TTT图）例如：焊缝和母材为获得60%+40%的双相组织：要求焊缝0.219%N，而母材只需0.141%N。注：焊缝中相体积分数一般推荐为22-70%。为获得足够的耐腐蚀性并避免氢致裂纹，相最大含量应限制在60%。,.,焊缝室温组织预测：Schaeffler图：铁素体含量的精度4%DeLong图：铁素体含量的精度2%WRC1992组织图美国焊接研究委员会推荐,.,Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%舍夫勒组织图,.,Creq=Cr%+Mo%+1.5Si%+0.5Nb%Nieq=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%德龙图,.,2.3.2热影响区的组织转变早期双相不锈钢：焊后HAZ中相含量过高，甚至接近单相组织（60%时，+双相的点蚀电位处于纯相与纯相之间；Fe60%时，+双相的点蚀电位与纯相和纯相基本相同。注：Fe增加时，对应的Cr、Ni相应减少。,.,组织对点蚀的影响随着相含量的增加，点蚀电位开始时增加较快，当相达到40%后则基本不变。注：Fe含量降低时，即合金含量提高时，点蚀电位降低。,A：低铁系列合金（Fe50%）B：高铁系列合金（Fe=68-70%）,.,冷却速度对点蚀的影响随着含N量增加，点蚀电位提高，但与冷速有关。N=0.13%时，冷速对SCE影响显著。冷却快：析出大量Cr2N，SCE低；冷却慢：基本没有析出Cr2N，SCE高。N=0.25%时，冷速快慢Cr2N基本没有析出，故对SCE没有影响。,结论：含N量较低的双相钢，其点蚀电位（SCE）对冷却速度很敏感，因此焊接含N量较低的双相不锈钢时，要严格控制冷却速度。,.,思考题：分析在不同的冷却速度条件下，双相不锈钢的含N量对相和Cr2N析出相体积分数的影响规律。,.,为了获得满意的/比，以及最佳的力学性能与耐腐蚀性能的组合，通常需要控制两个因素：因素1：焊缝化学成分填充金属，保护气体，母材稀释率等因素2：接头冷却速度热输入量，层间温度，材料厚度等2.5.1焊接方法的选择无填充金属的TIG焊A.纯Ar气体保护时：含N量较低(0.130%N)：相90%含N量较高(0.396%N)：相43%注：合适的体积分数为20-60%。,2.5双相不锈钢焊接工艺特点,.,B.Ar+N2混合气体保护时：可通过保护气体使焊缝增N，以获得合适的含量。焊接含N量0.16%的一般双相钢：应在Ar中加1.0-1.2%N；焊接含N量0.25%的超级双相钢：应在Ar中加2.0-2.5%N。注：焊接单面焊的根部焊道时，建议采用Ar+N2混合气体TIG焊。,.,无填充金属的电子束焊不能通过气体向焊缝增N，只能焊接含N量高(0.4%N)的双相钢。,.,2.5.2填充材料的选择在不加填充材料的TIG、电子束焊接过程中，N元素的损失无法通过填充金属进行补充，引起焊缝中相严重不足而使组织和性能恶化，因此，通常采用有填充材料的焊接方法。A.填充材料选择原则：为保证焊态下焊缝组织具有合适的/比，应选择比母材具有更高奥氏体形成元素含量的填充材料，即称为“过合金化”填充材料。标准填充材料(Cr22%,Ni9%,Mo3%,N0.15%)：用于焊接23%Cr无Mo双相钢、22%Cr标准双相钢；超级双相钢填充材料(Cr25%,Ni9%,Mo4%,N0.25%)：用于焊接22%Cr以及合金元素较高的双相钢。,.,2.5.3焊接热过程的控制焊接热输入、层间温度、预热、材料厚度等，都影响焊接时的冷却速度，从而影响焊缝(WM)、热影响区(H