材料焊接性第4章不锈钢及耐热钢更新版

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1、第4章 不锈钢及耐热钢的焊接,不 锈 钢,不锈钢是耐蚀和耐 热高合金钢的统称。,不锈钢通常含有 Cr（wCr12%） 、Ni、Mn、Mo等元素，,具有良好的耐腐蚀性、 耐热性和较好的力学 性能，,适于制造要求耐腐蚀、 抗氧化、耐高温和超 低温的零部件和设备,不锈钢焊接接头的宏观照片,YAG-MAG激光电弧复合焊,4.1 不锈钢及耐热钢的分类及特性,4.1.1 不锈钢的基本定义,不 锈 钢 的 定 义,原义 型,习惯 型,广义 型,仅指在无污染的大气 环境中能够不生锈的钢,指原义型含义不锈钢与能耐 酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称,泛指耐蚀钢和耐热钢，统称 为不锈钢Stainless Steels,4.

2、1.2 不锈钢及耐热钢的分类,按主要 化学成 分分类,铬锰氮 不锈钢,铬镍 不锈钢,铬 不锈钢,指Cr的质量分数介于 12%30%之间的不锈 钢，其基本类型为Cr13型,Cr的质量分数介于12%30%， Ni的质量分数介于6%12%和 含其他少量元素的钢种，基 本类型为Cr18Ni9钢,属于节镍型奥氏体不锈钢，化学 成分中部分镍被锰、氮替代，可 减少镍的含量 如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N,按 用 途 分 类,超低碳Cr-Ni钢(如00Cr25Ni22Mo2、 00Cr22Ni5Mo3N)等,低碳Cr-Ni钢（如0Cr19Ni9、 1Cr18Ni9Ti）,高Cr钢（如1C

3、r13、2Cr13）,不 锈钢,抗氧 化钢,热 强钢,高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）,如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、 4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等,Cr-Ni钢 （如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）,以Cr12为基的多元合金化 高Cr钢（如1Cr12MoWV）,按组织 分类,奥氏体钢,铁素体钢,马氏体钢,铁素体奥 氏体双相钢,0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti) 2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20 0Cr21Ni32、4Cr25Ni35,沉淀 硬化钢,1Cr17、1Cr25Si2 000Cr30Mo2,Cr1

4、3、2Cr13、3Cr13、4Cr13 及1Cr17Ni12 、 1Cr12MoWV,00Cr18Ni5Mo3Si2、 0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N,0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH 0Cr17Ni7Al，简称17-7PH,4.1.3 不锈钢及耐热钢的特性,表4-1 不锈钢及耐热钢的物理性能,不锈钢的 耐蚀性能,应力腐蚀（SCC):不锈钢在特定的腐蚀介质和 拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。,晶间腐蚀：在晶粒边界附近发生的有选择性 的腐蚀现象。,缝隙腐蚀：在电解液中，如在氯离子环境中， 不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中 不锈钢钝化膜

5、吸附Cl而被局部破坏的现象。,点腐蚀（孔蚀或坑蚀）：金属材料表面大部分 不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀,均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属 表面全部产生腐蚀的现象,相脆化：是Cr的质量分数约45%的典型FeCr 金属间化合物，无磁性，硬而脆。,475脆性：主要出现在Cr15%的铁素体钢 中。430480之间长期加热并缓冷，导致在 常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。,热强性：在高温下长时间工作时对断裂的抗力 （持久强度），或在高温下长时间工作时抗 塑性变形的能力（蠕变抗力）。 数据：刘会杰书186表7-3,耐热性能：耐热性能是指高温下，既有抗氧化 或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同

6、时又 有足够的强度即热强性。,不锈钢及 耐热钢的 高温性能,4.1.4 Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影 响,图4-1 Fe-Cr二元合金状态图,图4-2 Fe-Ni二元合金状态图,合金 元素 对相 图的 影响,碳的 影响,氮的 影响,锰的 影响,钼的 影响,碳是强奥氏体化元素，会使 相区增大，而相区减小,氮是强奥氏体化元素,Mo也是铁素体形成元素 Mo对相区有强烈的缩小作用,Mn是奥氏体形成元素， 与Ni相似，会扩大相区， 使-的转变向低温移动,4.2 奥氏体不锈钢的焊接,4.2.1 奥氏体不锈钢的类型,类型,18-8型奥 氏体不锈钢,18-12Mo型 奥氏体不锈钢,为克服晶间腐蚀倾

7、开发了 1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb等,主要牌号有1Cr18Ni9 和0Cr18Ni9,25-20型奥 氏体不锈钢,超低碳18-8型不锈钢， 如00Cr19Ni10等,0Cr17Ni12Mo2、 0Cr18Ni12Mo2Ti等,牌号有0Cr25Ni20等,4.2.2 奥氏体不锈钢焊接性分析,奥氏体 不锈钢 焊接性 分析,奥氏体不锈钢 焊接接头的耐蚀性,热裂纹,析出现象,低温脆化,晶间 腐蚀,应力腐 蚀开裂 （SCC）,热影响区敏化区晶间腐蚀,焊缝区晶间腐蚀,点 蚀,刀状腐蚀,腐蚀介质的影响,焊接应力的作用,合金元素的作用,奥氏体钢焊接接头有点蚀 倾向，双相钢有时也会有 点蚀产生

8、。,焊接接头的耐蚀性,焊缝区晶间腐蚀,防止途径,选择超低碳焊接材料,调整焊缝成分获得一定相,图4-5 0Cr18Ni9不锈钢HAZ晶间腐蚀,图4-3 18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位 1HAZ敏化区 2焊缝区 3熔合区,图4-4 舍夫勒焊缝组织图 铬当量 镍当量,奥氏体不锈钢焊接热影响区可划分为过热区、相脆化区 和敏化区三个区。铁素体不锈钢的热影响区可分为过热区、 相脆化区、475脆性区。图29为不锈钢热影响区的划分示意图。 (一)过热区 加热温度在TksTm。 (二) 相脆化区 加热温度在650850。 (三)敏化区 加热温度在450850。 (四)475脆性区 加热温度在400

9、600,HAZ晶间腐蚀,晶间腐蚀的机理是什么呢？ 贫铬区：不锈钢表面或内部局部铬含量低于 平均含量的区域。贫铬区的出现，通常是 碳化铬析出的结果。由于铬是保证不锈钢 耐腐蚀性的元素，贫铬区往往优先发生腐蚀。 例如不锈钢中沿晶界析出碳化铬后导致晶界 附近贫铬，从而容易发生晶间腐蚀。,什么是敏化区？ 18-8钢型奥氏体不锈钢在450-850温度 范围内加热后对晶间腐蚀最为敏感，通常 把这一温度区间成为敏化温度区间，在此 区间内加热的过程称为敏化过程。超低碳 以及含Ti或Nb的奥氏体不锈钢不易有 敏化区出现。,图4-6 Cr23C6、TiC的析出温度,Cr23C6的析出 温度：600-850； Ti

10、C的析出 温度：1100 ,刀状腐蚀,定义：在熔合区产生的晶间腐蚀，如刀削切口形式， 故称为刀状腐蚀。,发生部位：只发生在含或的18-8和18-8钢的熔合区。,实质：与M23C6沉淀形成贫铬层有关。,必要条件：高温过热和中温敏化的相继作用。,图4-8 18-8Ti钢热影响区中碳化物的分布特征 WM焊缝 WI焊缝边界,图4-7 不锈钢刀状腐蚀形貌 500,图4-10 0Cr17Ni12Mo2不锈钢 焊趾处的应力腐蚀裂纹 10,应力腐蚀开裂,1）腐蚀介质的影响 腐蚀介质与材料组合上的选择性，在此特定组合之外不会产生应力腐蚀。 2）焊接应力的作用 应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介质共同作用的结果。由于低热

11、导率及高热膨胀系数，不锈钢焊后常常产生较大的残余应力。 合金元素的作用 在晶界上的合金元素偏析引起合金晶间开裂是应力腐蚀的主要因素之一。,三个条件： 环境 选择性的腐蚀介质 拉应力,点蚀,奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，点蚀指数PI越小的钢，点蚀倾向越大。 易产生部位：焊缝中的不完全混合区,焊接材料选择不当时，焊缝中心部位也会有点蚀产生，主要原因：耐点蚀成分Cr与Mo的偏析。 TIG自熔焊易形成点蚀，甚至填送同质焊丝时也是如此，仍不如母材。,为提高耐点蚀性能： 一方面须减少Cr、Mo的偏析； 一方面采用较母材更高Cr、Mo含量的所谓“超合金化”焊接材料（Overalloyed Filler Met

12、al）。 提高Ni含量，晶轴中Cr、Mo的负偏析显著减少。,凝固模式对热裂纹的影响 凝固裂纹最易产生于单相奥氏体（）组织的焊缝中，如果为双相组织，则不易于产生凝固裂纹。 所谓凝固模式，首先是指以何种初生相（或）开始结晶进行凝固过程，其次是指以何种相完成凝固过程。可有四种凝固模式：F AF FA A,奥氏体钢焊接热裂纹的原因： 1.奥氏体钢的热导率小和线膨胀系数大，较大拉应力 2.奥氏体钢易于联生结晶形成方向性强的柱状晶的焊缝组织，有利于有害杂质偏析 3.奥氏体钢合金组成较复杂，易溶共晶多,热裂纹,化学成分对热裂纹的影响 任何钢种都是一个复杂的合金系统，某一元素单独作用和其他元素共存时发生的作用

13、，往往不尽相同，甚至可能相反。 Mn S P Si Nb Ti C B,焊接工艺对热裂纹的影响 有一定影响,图4-13 凝固模式对热裂纹的影响,图4-14 Fe-Cr-Ni三元合金一个70%Fe的伪二元相图,图4-17 热裂倾向,关键是Creq/Nieq比值，而并非室温相数量。 18-8系列奥氏体钢，因Creq/Nieq处于1.52.0之间，一般不会轻易发生热裂。 而25-20系列奥氏体钢，因Creq/Nieq1.5，Ni含量越高，其比值越小，所以具有明显的热裂敏感性。,析出现象,低温脆化,相通常只有在铬的质量分数大于16%时才会析出，由于铬有很高的扩散性，相在铁素体中的析出比奥氏体中的快。

14、相的析出使材料的韧性降低，硬度增加。有时还增加了材料的腐蚀敏感性。相的产生，是或是。,为了满足低温韧性要求，有时采用18-8钢，焊缝组织希望是单一相，成为完全面心立方结构，尽量避免出现相。 相的存在，总是恶化低温韧性,4.2.3 奥氏体不锈钢的焊接工艺特点,焊接材 料选择 应注意 的问题,应坚持“适用性原则”,根据所选各焊接材料的 具体成分来确定是否适用,考虑具体应用的焊接方法和工 艺参数可能造成的熔合比大小,根据技术条件规定的全面 焊接性要求来确定合金化程度,不仅要重视焊缝金属合金系统， 而且要注意具体合金成分在该 合金系统中的作用；不仅考虑 使用性能要求，也要考虑防止 焊接缺陷的工艺焊接性

15、的要求,焊接 工艺 要点,合理选择焊接方法,控制焊接参数，避免 接头产生过热现象,接头设计的合理性 应给以足够的重视,尽可能控制焊接工艺稳 定以保证焊缝金属成分稳定,控制焊缝成形,防止焊件工作表面的污染,4.3 铁素体及马氏体不锈钢的焊接,4.3.1 铁素体不锈钢焊接性分析,铁素 体不 锈钢 的类 型,普通铁 素体钢,高纯度 铁素体钢,低Cr（wCr=1214）钢 如00Cr12、0Cr13、0Cr13Al等,中Cr（wCr=1618）钢 如0Cr17Ti、1Cr17Mo等,高Cr（wCr=2530）钢， 如1Cr25Ti、1Cr28等,wCwN0.0350.045 如00Cr18Mo2等,w

16、CwN0.03%， 如00Cr18Mo2Ti等,wCwN0.01%0.015 如000Cr18Mo2Ti、000Cr26Mo1等,焊接性 分析,焊接接头 的晶间腐蚀,焊接接头 的脆化,高温 脆性,相 脆化,475 脆化,从铁素体组织的塑性、韧性以及线膨胀系数分析，其焊接热裂纹和冷裂纹的问题并不突出。 但是焊接接头耐蚀性和高温下长期服役可能出现的脆化脆化问题需要引起重视。 高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好得多。,焊接接头的晶间腐蚀,发生腐蚀的条件稍有不同。从900 C以上快速冷却，铁素体铬不锈钢对腐蚀很敏感，但经过650800C的回火后，又可恢复其耐蚀性。所以，焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨焊缝的高温区。,高温 脆性,相 脆化,475 脆化,焊接接头的脆化,铁素体不锈钢焊接接头