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1、,第三节 不锈钢和耐热 钢的焊接,本章教学内容,不锈钢、耐热钢的类型及性能特点；接头晶间腐蚀奥氏体不锈钢的焊接；耐热钢的焊接。,一 不锈钢的类型和性能,按主要化学成份分:铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢；按金相组织分:铁素体不锈钢（F）、马氏体型不锈钢（M）、奥氏体型不锈钢（A）、奥铁双相不锈钢（A+F）和沉淀硬化不锈钢五种类型。 按用途分：不锈钢、抗氧化钢、热强钢,（一）不锈钢的分类,铁素体不锈钢（F）,组织为铁素体，其为Cr 在11.5%-32.0%的范围内，随着Cr含量的增加，其耐蚀性能不断提高，加入Mo后，则可以提高耐酸腐蚀和抗应力腐蚀的能力。这种钢的典型牌号有00Cr12，1Cr1
2、7，00Cr17Mo，00Cr30Mo2等。,根据碳和氮的总含量，铁素体不锈钢分为普通纯度和超高纯度两个系列。普通纯度的铁素体不锈钢Cr为0.1%左右，并含有少量的氮，其典型牌号有1Cr17，1Cr17Mo，Cr13，Cr17等。其中1Cr17，1Cr17Mo作为耐热钢，而Cr13，Cr17主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。,超高纯度的铁素体不锈钢是通过真空或保护气体精炼技术炼出超低碳和超低氮超高纯度铁素体不锈钢，其典型牌号有00Cr18Mo2，1Cr17，00Cr27Mo等。这类不锈钢对氯化物应力腐蚀不敏感，有具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，广泛应
3、用于热交换设备、耐海水设备、有机酸和制碱设备等。,（三）奥氏体型不锈钢（A）,奥氏体型不锈钢的金相组织为奥氏体，它是在高铬不锈钢中加入适当的镍（含量为8%-25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。奥氏体型不锈钢是以Cr18Ni9铁基合金为基础，在此基础上随着用途的不同，发展了以下六大系列的奥氏体型不锈钢：,这种钢不能利用热处理进行强化来提高硬度，通常是通过冷作加工硬化来提高其硬度，没有磁性。奥氏体型不锈钢的Cr、Ni含量高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性、塑韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其它类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及
4、石油、化工、原子能等工业领域。,（四）奥氏体铁素体型双相不锈钢,奥氏体铁素体型双相不锈钢的金相组织为奥氏体加上铁素体。铁素体的体积分数小于10%的不锈钢，是在奥氏体型不锈钢的基础上发展起来的钢种。它与含碳量相同的奥氏体型不锈钢相比，具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体不锈钢要好。同时由于少量铁素体的存在，还有利于奥氏体型不锈钢在焊接过程中防止热裂纹的形成。,当铁素体的体积分数在30%-60%时，这种钢具有特殊的抗点蚀、抗应力腐蚀的性能。如00Cr18Ni5Mo3Si2 、0Cr26Ni5Mo2等牌号，这类钢的屈服强度约为一般奥氏体不锈钢的2倍。这种钢材在化肥厂和化工厂等设备装
5、置中有着广泛的应用。其机械加工、冷压和焊接性能良好，且具有较好的耐腐蚀性能。,（五）沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、弹簧、阀等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。,（二）不锈钢的性能,不锈钢的性能包括物理性能、力学性能和耐腐蚀性能。固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。,（一）不锈钢的物理性能,与碳钢相比，不锈钢的导电性能差；奥氏体型不锈钢的线胀系数
6、比低碳钢大将近50%，而热导率仅为低碳钢的1/3左右；铁素体钢和马氏体钢的线胀系数与低碳钢相近，而热导率仅为低碳钢的1/2左右。奥氏体型不锈钢通常是非磁性的。,（二）不锈钢的力学性能,奥氏体型不锈钢的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性，同时硬度也不高，这就是奥氏体型不锈钢广泛应用的原因之一。奥氏体型不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性随着温度的降低而减小。并具有较高的冷作加工硬化性。,对焊接性影响较大的物理性能有线膨胀系数，热导率、电阻率等，一般而然，合金元素越多，导热性越差，线膨胀系数和电阻率越大。,(三）不锈钢的耐蚀性能,一般
7、腐蚀有均匀腐蚀和局部腐蚀，其中危害最大的是局部腐蚀。,1均匀腐蚀,指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。由于不锈钢中在13%以上，在氧化性介质中容易在表面形成富铬氧化膜，该膜能阻止金属的离子化而产生钝化作用，提高了不锈钢的耐均匀腐蚀性能。,2晶间腐蚀,晶间腐蚀是起源于金属表面沿金属晶界发生的有选择的深入金属内部的腐蚀。该种腐蚀是一种局部腐蚀，能够导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，所以在所有的腐蚀形式中，晶间腐蚀的危害性最大，容易造成设备突然破坏，而在金属外形上没有任何变化。奥氏体型不锈钢和铁素体不锈钢均会产生晶间腐蚀,3点腐蚀,点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性
8、或蚀坑性的宏观腐蚀。这是以腐蚀破坏形貌特征命名的。其主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的，经试验研究表明，材料的阳极电位值越高，抗点蚀能力越好。超低碳高铬镍含钼不锈钢和超高纯度含高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀性能。,4缝隙腐蚀,缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑。这是以腐蚀部位的特征命名的。常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。其主要是由介质的电化学不均匀性引起的。,从材料试验分析结果上看，0Cr18Ni9和00Cr17NiMo2型奥氏体型不锈钢、铁素体和马氏体型不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。适当增加铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。实际上只有采用
9、钛、高钼镍基合金和铜合金等才能有效的防止缝隙腐蚀的发生。因此，改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。,5应力腐蚀开裂,应力腐蚀开裂是指在拉应力与腐蚀介质共同作用下产生的断裂。这种破裂常常在拉应力远远低于材料屈服点和很弱的腐蚀环境中以裂纹形式出现，并迅速扩展，其产生条件如下：,应力腐蚀的三个条件,介质条件：应力腐蚀大部分由氯引起的，高浓度的苛性碱、硫酸水溶液；应力条件：在拉应力作用下才能产生；材料条件：应力腐蚀常发生在合金中，在晶界上的合金元素偏析事引起应力腐蚀的重要原因。,提要： 奥氏体型不锈钢的焊接,本节教学内容： 奥氏体型不锈钢、双相不锈钢的焊接性教学目标： 了解奥氏体型不锈钢、
10、双相不锈钢的焊接性 了解热裂纹、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂产生原因及 防止措施； 掌握焊接技术要点。本章知识点： 奥氏体型不锈钢、双相不锈钢的焊接性； 各种合金元素对不锈钢焊接性的影响； 各种焊接缺陷产生原因及防止措施。,一、奥氏体型不锈钢的焊接性,奥氏体型不锈钢通常具有良好的塑性和韧性，对氢脆不敏感，焊接性良好。这类钢冷加工不会产生任何的淬火硬化，焊接过程中很少出现冷裂纹。焊接时存在的主要问题是： 导热系数小、熔点低、线膨胀系数大，已形成粗大的铸造组织，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，耐腐蚀性下降；接头中铁素体含量高时，可能出现475脆化相。,（一）.焊接接头的晶间腐蚀,1
11、8-8型不锈钢的焊接接头，有三个部位（焊缝、热影响区敏化区、熔合区）易出现晶间腐蚀，（1）焊缝区的晶间腐蚀,有些奥氏体不锈钢的焊接接头，在腐蚀介质中，工作一段时间后可能局部发生沿着晶粒边界的腐蚀，一般称此种腐蚀为晶间腐蚀。根据母材类型和所采用的焊材与工艺的不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生焊缝晶间腐蚀、HAZ敏化区（600一1000）晶间腐蚀、熔合区附近的刀状腐蚀，,1晶间腐蚀,产生晶间腐蚀的原因 奥氏体不锈钢焊缝和HAZ敏化区的晶间腐蚀，都与敏化处理使晶界形成贫铬层有关。焊缝产生晶间腐蚀可能有两种情况：一种是焊态下已有Cr23 C6析出，如多层焊缝的重复加热区域；另一种为接头在焊态下无贫铬层
12、，焊后经历了敏化处理，因而具有晶间腐蚀倾向。,是指使一种或几种物质在一定的外界作用下（如添加敏化剂或者是改变加工工艺等），反应感度增加的过程叫敏化。,敏化：不锈钢在450800温度区间停留一段时间或缓慢冷却，从而导致晶界析出以Cr23C6为主的铬的碳化物的过程。敏化使晶界附近区域的铬含量降低，耐蚀性下降，在使用过程中发生晶间腐蚀的敏感性增大。,“贫铬理论”奥氏体不锈钢在固溶状态下，碳以过饱和形式溶解于固溶体中。加热时，过饱和的碳以Cr23 C6的形式沿晶界析出。Cr23 C6析出消耗了大量的铬，因而使晶界附近的铬含量降到低于钝化所需的最低的铬含量12%，则在晶界表面形成了贫铬层。贫铬层的电极电
13、位比晶粒内低得多，当金属与腐蚀介质接触时，就形成了微电池，电极电位低的晶界成为阳极，则被腐蚀溶解。即产生晶间腐蚀。,2、热影响区敏化晶间腐蚀奥氏体不锈钢在加热到敏化温度区6001000时，在晶界上易析出Cr23C6。金属晶粒内部过饱和的碳原子会逐步向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原子结合成Cr23C6 ；并沿晶界沉淀析出。扩散需要一定的“过热度”，只有普通的18-8钢0Cr19Ni9才会存在敏化区，含Ti和Nb的18-8 Ti或18-8 Nb，以及超低碳18-8钢敏华区晶间腐蚀倾向小，应采用快速过程，减小处于敏化加热时间，,防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施,冶金措施 降低母材和焊缝中的碳含量 市
14、钢中碳含量（C0.015%0.03%）低于在相中的溶解度，减少Cr23C6 型碳化物的析出。添加Nb、Ti等稳定化的元素，该改变碳化物类型 Nb、Ti等元素与碳亲和力大，结合形成NbC、TiC,从而减少碳与铬的结合，避免了贫铬曾的产生；焊后进行固熔处理 使析出的Cr23C6 重新溶于奥氏体中，,使焊缝金属具有奥氏体一铁素体双相+组织，其铁素体的体积分数应超过412。在此范围内，一方面可打扰单一柱状晶的方向性，不止形成连续的贫铬层，另一方面相富Cr，可以减少贫铬。不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力和抗应力腐蚀的能力，,工艺措施,选合适的焊法，即热输人最小，尽量缩短在敏化温度区间段的停留时间。 焊
15、接参数：在保证质量的前提下，采用小的焊接电流、最快的焊接速度。操作方面尽量用窄焊缝、多道多层焊，每一道焊缝或每一层焊缝焊后，要等焊接处冷却至室温再进行下一道或下一层的焊接；施焊中，不允许焊材在熔池中摆动， 强制焊接区的快速冷却。 进行固溶处理或稳定化处理。固溶处理是把钢加热到单一奥氏体区（1050一1150），得到成分均匀的单相奥氏体组织，然后快冷，使高温过饱和固溶体组织状态保持到室温。,3.刀状腐蚀,刀状腐蚀产生的原因 刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀，只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄（电弧焊
16、一般为1.0一1.5mm），形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。,刀蚀产生的原因也与Cr23C6沉淀造成贫铬层有关。含有稳定剂的奥氏体钢，大部分碳与Ti、Nb形成TiC. NbC.焊接时在超过1200的过热区，钛和铌的碳化物溶入A中。由于碳的扩散强，故溶解的碳能迅速向晶界处迁移，冷却后偏聚在晶界附近形成过饱和状态，而钛和铌则因扩散能力低而留于晶内。如果焊接接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和的碳将在奥氏体晶界以Cr23C6形式析出，而Ti. Nb由于在奥比体相里的扩散速度非常慢，很难迁移到晶界与碳再次结合，这样Ti、Nb就失去了稳定化元素的作用，使晶界形成贫铬层，在腐蚀介质的作用下就会产生刀状腐蚀。,防止刀状腐蚀的措施,降低母材的含碳量。这是防止刀状腐蚀的有效措施，超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不会产生刀状腐蚀。采用合理的焊接工艺。在保证焊缝质量的前提下，尽量选择较小的热输入，以减小过热区在高温的停留时间，并注意避免在焊接过程中产生“中温敏化”的效果；,
