第18讲 不锈钢、耐热钢焊接.ppt

1、31,1,第 18 讲不锈钢、耐热钢焊接,31,2,一、不锈钢、耐热钢的类型 按用途分类 不锈钢 包括大气环境下及有侵蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过500，要求耐腐蚀，对强度要求不高。 应用最广泛的有高Cr钢（如1Cr13、2Cr13）和低碳Cr-Ni钢（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti）或超低碳钢（如00Cr25Ni22Mo3N）。,7.1 不锈钢、耐热钢的类型和特性,31,3,抗氧化钢 在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。工作温度可高达9001100。 常用的钢有高Cr钢（1Cr17、1Cr25Si2）和Cr-Ni钢（2Cr25Ni20、2Cr25Ni20

2、Si2）。 热强钢 在高温下即要有抗氧化能力，又要有一定的高温强度，工作温度可高达600800。 广泛应用的是Cr-Ni钢（1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34）。 常将抗氧化钢和热强钢统称耐热钢。,31,4,按组织分类 奥氏体钢：以高Cr-Ni钢为典型。 铁素体钢：含Cr为17-30%的高Cr钢属此。 马氏体钢：Cr13钢 沉淀硬化钢：经过时效强化处理形成析出硬化相的高强钢。 铁素体奥氏体双相钢,31,5,二、不锈钢及耐热钢特性 不锈钢的耐蚀性能 金属受介质的化学及电化学作用而破坏的现象称腐蚀。不锈钢在一定条件下也可能产生腐蚀。其腐蚀形式可归

3、纳为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类，对焊接接头危害较大的是局部腐蚀。,31,6,1)均匀腐蚀 是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。 硝酸等氧化性酸：不锈钢表面能形成富铬氧化膜，它阻止金属的离子化而产生钝化作用，不易产生均匀腐蚀。 硫酸等还原酸：只含Cr的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀；含有Ni的奥氏体不锈钢则有良好的耐蚀性。 在含Cl的介质中，铬镍奥氏体钢也容易发生钝化膜破坏，而被腐蚀。,31,7,2)点蚀和缝隙腐蚀 点蚀是指金属表面产生小孔状或小坑状的腐蚀，其直径一般等于或小于深度； 缝隙腐蚀是在金属结构的各种缝隙处产生的腐蚀。 两者形成的条件不同，但产生腐蚀的机理是一样的。 点蚀主要是不锈

4、钢在含有Cl等卤素离子的溶液中，其表面钝化膜由于某种原因发生局部破坏，在破坏点形成了腐蚀电池而发生的腐蚀。 缝隙腐蚀：在氯离子环境中由于有缝隙存在，在该处溶液流动发生迟滞，介质扩散受到限制，出现介质成分和浓度与整体有很大差别，形成了闭塞电池而产生腐蚀。,31,8,3)晶间腐蚀 是指介质从金属表面沿晶界向内部扩展，造成沿晶的腐蚀破坏。 具有隐蔽性，危害极大，根源在于金属受热后晶界的物理化学状态发生变化，晶粒晶界之间构成了腐蚀电池。 常见于奥氏体不锈钢。,31,9,对于18-8奥氏体钢，固溶处理再经450-850加热（敏化加热）会延晶界沉淀出Cr23C6或（Cr，Fe）23C6（常写成M23C6）

5、，以致使晶界边界层含Cr量低于12%，即所谓“贫Cr”。这种状态的不锈钢放入化学介质中，将会沿晶界发生腐蚀。 若钢中含C量低于其溶解度，就不会产生贫Cr现象。 如果钢中含有能形成稳定碳化物的元素Nb或Ti，经稳定化处理（加热8502h空冷），使之优先形成NbC或TiC，则不会形成Cr23C6，也不会产生贫Cr现象。,31,10,高Cr铁素体钢的晶间腐蚀倾向与Cr-Ni奥氏体钢相反，从高温（Cr17约为1100-1200， Cr25约为1000-1200）急冷下来时就产生了晶间腐蚀倾向；再经650-850加热缓冷以后反而消除了晶间腐蚀倾向。这是由于C在F中的溶解度比在A中小得多，易于沉淀，而且C

6、在F中的扩散速度也比较大，在从高温急冷过程中实际已等于“敏化”而形成了Cr23C6 ，因而在晶界发生贫Cr现象。再次在650-850加热，相当于稳定化处理，由于促使Cr的扩散均匀化，于是贫Cr层消失。,31,11,固溶处理可以改善耐晶间腐蚀性能。为改善晶间腐蚀性能，应适当提高钢中F化元素（Cr、Mo、Nb、Ti、Si等），同时降低A化元素（Ni、C、N）。 如果A钢中能存在一定数量的F相，晶间腐蚀倾向可显著减小。,31,12,4)应力腐蚀 是在拉应力与腐蚀介质共同作用下引起的破裂。 这种破裂往往是在远低于材料屈服点的低应力下和在即使很微弱的腐蚀环境中以裂纹形式出现。这种裂纹一旦形成，常以很快速

7、度向前发展，事先无明显征兆，故危险性很大。 纯金属一般不产生应力腐蚀，应力腐蚀发生在合金中。 在晶界上的合金元素偏析是引起晶间型开裂的应力腐蚀重要原因。 不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起，高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。,31,13,耐热钢的高温性能 高温性能 在常温下，Cr钢或Cr-Ni钢因热处理不同具有不同的性能； 奥氏体钢具有优异的热强性；Ni量提高，热强性随之提高。,31,14,合金化问题 耐热钢的热强性主要表现在高温长期工作下抗断裂的能力(即持久强度)和抗塑性变形的能力(即蠕变强度)。 提高钢材热强性的主要措施有固溶强化、晶界强化、沉淀强化、热处理强化和变形强化等。 要取

8、得这些强化效果仍然是合金化，即向钢中加入合金元素。,31,15,为提高热强性，其措施主要是： 提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W固熔强化，提高原子间结合力； 形成稳定的第二相，主要是碳化物（MC、M6C或M23C6）。因此，为提热强性希望适当提高C量。如能同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等更有效。 减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量B和稀土等。,31,16,高温脆化问题 除高Cr铁素体钢的晶粒长大脆化及Cr-Ni奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成脆化之外，还有如下两种脆化： 1)475脆性 w(Cr)15的铁素体钢加热至475附近就变脆，使钢的耐蚀性能下降。 含Cr量越高，脆化就越严

9、重。w(Cr)15的钢还伴有明显硬化现象。 产生原因：在475高铬相的沉淀析出。这种脆性可通过重新加热到540以上保温一定时间，然后快速冷却到室温来消除。,31,17,2)相脆化 w(Cr)20的钢在500800长时间加热或使用，会因相析出而变脆。 相可通过重新加热至800以上保温而溶解。 不锈钢、耐热钢的物理性能 合金元素含量越多，导热系数越小，而膨胀系数和电阻率越大。 非A钢均显现强磁性；A钢中只有25-20型A钢确实不呈现磁性；18-8型A钢在退火状态虽无磁性，在冷作条件下还能显示出强磁性。,31,18,一、奥氏体钢焊接接头耐蚀性 晶间腐蚀的形成条件及机理 典型的188不锈钢(Crl8N

10、i9Ti，Cr18Ni12MoTi等)一般是在固溶处理状态下使用，在常温下于腐蚀介质中工作，通常是看不到晶间腐蚀观象。但经再次加热到450-850后或在此温度区间工作，并且钢中含碳量超过0.02-0.03，同时又缺少Ti、Nb等能控制碳的元素，处于腐蚀介质中时往往就可以见到晶间腐蚀现象。 这说明，晶间腐蚀和钢的成分(碳和碳化物形成元素)有关，同时还与加热条件有关。,7.2 奥氏体钢、双相钢焊接,31,19,“贫Cr理论”： 铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有效含量应超过12。以普通18-8钢为例，由于室温时的碳的溶解度只有0.02-0.03，固溶处理后A必为C过饱和，而呈不稳定状态。若经再次中

11、温加热(一般在450-850之间)，超过溶解度的C将向晶界扩散，并可与Cr结合而形成Cr23C6或（Cr，Fe）23C6沉淀于晶界。这时，由于晶粒内部Cr的扩散速度较慢，在形戊Cr的碳化物时可能发生Cr的“供不应求”观象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺Cr。有腐蚀介质作用时，缺Cr区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。,31,20,Ti、Nb可优先与C结合而防止C与Cr结合，从而避免缺Cr现象发生。 越低碳显然有利于防止晶间腐蚀。 加热条件的影响： 加热温度低(低于450)或加热时间短，不利于扩散而难以形成Cr的碳化物，不致产生缺Cr现象。 加热温度较高(如超过850)，Cr的扩散速度增大，“

12、供Cr”条件得到改善，晶粒表层缺Cr现象可以逐步消失。加热时间充分长时，也有利于Cr的扩散均匀化而不致形成贫Cr层。,31,21,焊接接头的晶间腐蚀区及其控制 焊接奥氏体不锈钢在接头上有三个部位可能发生晶间腐蚀，如图7.1所示。将在那一个部位发生晶问腐蚀，则取决于母材和焊缝的成分。,图7.1 18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位 a-焊缝区 b-HAZ敏化区 c-熔合区,31,22,焊接区晶间腐蚀 防止焊缝区晶间腐蚀的方法是： a. 通过焊接材料使焊缝金属成为超低碳的奥氏体。 注意：若母材不是超低碳的会因熔合比作用使焊缝增碳； b. 选用含有稳定化元素Nb的奥氏体焊接材料 c. 调整焊

13、缝化学成分，使奥氏体焊缝获得少量相。 相作用：利用相散布在奥氏体晶粒边界上，不致形以连续的贫铬层，况且相富Cr，有良好供应Cr的条件，可以减少奥氏体晶粒形成贫铬层。,31,23,为获得相，焊缝成分必然不会与母材完全相同，一般须适当提高F化元素的含量，或者说提高Creq/Nieq的比值。 Nieq是指把每一A化元素按其A化作用的强烈程度折合成相当于若干Ni之后的总和。 Creq是指把每一F化元素按其F化作用的强烈程度折合成相当于若干Cr之后的总和。 舍夫勒图是以Nieq 及Creq 为纵、横坐标。,31,24,热影响区敏化区的晶间腐蚀 焊接热影响区敏化区产生晶间腐蚀的原因仍然是该区内奥氏体晶粒边

14、界析出铬碳化物造成贫铬层所造成。 敏化区腐蚀只发生在不含Ti或Nb等的普通18-8钢。超低碳时也不会有敏化区腐蚀。 防止热影响区晶间腐蚀的关键在于母材的选择。在焊接工艺上应采取较低的焊接热输入，快速冷却以减少处于敏化加热的时间。,31,25,熔合区的晶间腐蚀(刀蚀) 沿焊接熔合线走向似刀削切口状向内腐蚀，称刀状腐蚀。 预防含Ti、Nb奥氏体不锈钢刀蚀的方法是降低含碳量，超低碳不锈钢不仅不发生敏化区腐蚀，也不发生刀蚀。 在工艺方面，焊接时尽量减少过热，采用小焊接热输入，避免交叉焊缝，增大焊后冷却速度。 双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应最后施焊。如果不能实现时，应调整焊缝形状、尺寸和焊接工艺参数，

15、使第二面焊缝所产生的敏化温度区(6001000)不落在第一面焊缝表面的过热区上。,31,26,应力腐蚀开裂 奥氏体不锈钢的热导率小，线胀系数大，焊后存在较大的焊接残余应力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件； 此外，由于焊接热过程导致接头碳化物析出敏化，促进了应力腐蚀的发生。 预防应力腐蚀开裂的措施： (1)减小或消除残余应力 消除焊接残余应力最有效的办法是退火热处理。 对18-8钢退火温度为850-900，对含钼奥氏体不锈钢为950-1000。 没有退火热处理条件下，通过合理设计焊接结构、焊接中尽量减小接头拘束度和合理安排施焊顺序等，都可不同程度上减少焊接残余应力。,31,27,选用抗应力腐蚀性能

16、好的母材或焊接材料 可以选择含Ni量高的母材及其焊接材料。 也可以选择铁素体含量高的奥氏体不锈钢和焊接材料。 因为铁素体作用在奥氏体中能对应力腐蚀裂纹扩展起到机械屏障作用，阻止裂纹向前扩展或改变扩展方向延缓扩展期，而且两相成分不同，其电化学行为也不同。 在含氯离子介质条件下，铁素体为阳极，对奥氏体起到电化学保护作用。,31,28,点蚀 奥氏体不锈钢焊接接头有点蚀倾向；含Mo钢耐点蚀性能比不含Mo的要好； 最容易产生点蚀的部位是焊缝中的不完全混合区，其化学成分与母材相同，但经历了熔化和凝固过程； 焊接材料选择不当时，焊缝中心部位也会产生点蚀，原因是耐点蚀成分Cr和Mo的偏析。 提高耐点蚀的方法：

17、 1、减少Cr和Mo的偏析； 2、采用较母材更高Cr、Mo含量的焊接材料。,31,29,二、奥氏体不锈钢焊接接头热裂纹 奥氏体不锈钢较一般结构钢易产生焊接热裂纹，其中以焊缝的结晶裂纹为主，个别钢种在近缝区或多层焊层间也可能产生液化裂纹。 焊缝的金相组织、化学成分和焊接应力是导致奥氏体不锈钢焊接接头产生热裂纹的主要因素。 1)焊缝组织的影响 对热裂的敏感性主要取决于焊缝的金相组织。 与奥氏体内有少量铁素体的焊缝组织相比，单相奥氏体焊缝组织对热裂纹更为敏感。,31,30,奥氏体钢热导率小，线膨胀系数大，在焊接过程中易形成较大的焊接拉应力； 单相奥氏体焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质和元素的偏析，从而形成连续的晶间液态夹层； 在熔池凝固过程中，奥氏体钢中开始产生拉伸应变的温度高于一般结构钢，且该温度随焊件厚度和焊接线能量的增大而提高，因而金属在脆性温度区积