热处理对0Cr13Ni5Mo钢焊接接头组织和性能的影响

1、学术规范与论文写作题 目超级马氏体不锈钢的研究讲展及其焊接性能任课教师导 师专 业材料科学与工学生姓名学生学号超级马氏体不锈钢的研究进展及其焊接性能摘要： 关于低碳马氏体不锈钢的研究， 国内外的研究工作开展了很长时间， 但 在实际工程应用中仍然出现不少焊接问题， 焊材的选择、焊接过程控制、焊后 热处理等方面还存在一定的细节问题， 常常导致宏观、微观焊接裂纹，造成成 本的浪费和产品质量的下降。 本文综述马氏体不锈钢研究现状及发展前景， 对其 未来发展方向提出了展望。关键词： 马氏体不锈钢 组织性能 焊接 研究进展0 前沿50 年代末, 由瑞士引入超级马氏体不锈钢这个概念 , 亦称软马氏体不锈钢(

2、Supermartensitic Stainless Stee简称SMSS)。它是在传统马氏体的基础上通过 降低碳含量(最高含碳量为0.07 %)，增加镍(3.5 %4.5 %)和钼(1.5 %2.5 %)的 含量, 使其强度、硬度提高的同时 , 改善韧性。此外 , 它还克服了传统马氏体在焊 接过程中应力裂纹敏感性以及可焊性差等缺点 1 。因此 , 成为不锈钢族中耀眼的 一个系列 , 受到人们广泛的关注。1 马氏体不锈钢的研究进展1.1 不锈钢的发展及其应用不锈钢诞生已有近百年历史， 它的发明是世界冶金史上的一项重大成就。 不 锈钢自 20世纪初问世以来发展迅速，至今已形成一个有 300多个牌

3、号的系列化大 类钢2，并且应用范围不断扩大，消费量剧增。至 20世纪90年代世界不锈钢的消 费量平均每年以 7.4%的速度增长。 我国自 2001年起，表观消费量己连续五年居世 界第一 3。随着石油、化工、能源、宇航和生物工程等工业技术的发展，对不锈 钢耐蚀性能及综合力学性能提出了更高的要求。马氏体不锈钢作为不锈钢的一种发展至今也已有近百年的历史， 被广泛应用 在注塑模具，玻璃模具，切割模具，结构零件，汽车零部件，外科和牙科仪器。 它具有优良的机械性能， 但相对奥氏体不锈钢其耐蚀性较低， 应用在一些特殊领 域就需要提高工件的表面硬度和耐腐蚀性能。马氏体不锈钢广泛应用之前 , 对许多应用不锈钢的

4、领域 , 特别是含二氧化碳 或者含硫化氢腐蚀介质的环境下 , 往往使用双相不锈钢。一些特殊部件甚至要求 使用超级双相不锈钢。现在,人们越来越多地用SMSS来部分取代双相不锈钢和超 级双相不锈钢，这除了 SMSS在某些腐蚀环境下具有强度高、耐蚀性好以及低温韧 性好之外,更主要的原因是SMSS比双相不锈钢更经济4-5。这是因为：1）在重量 相等、耐腐蚀性相当的前提下,采用SMSS比采用双相不锈钢成本降低大约25%。 2） SMSS的抗拉强度约为双相不锈钢2倍,所以用SMSS制作的零部件（如支管、弯 头和输送管）的壁厚可以减薄,成本降低10%15%。总计下来,与双相不锈钢比较 SMSS总成本降低35

5、%45%。另外，随着氩氧脱碳技术和真空氧脱碳技术的出现 和完善,未来新SMSS#会得到继续发展。因此,SMSS在不锈钢家族中具有极强 的竞争优势，应用前景十分广阔。现在SMSS已被广泛应用于石油和天然气传输 管道、造船、海上钻井平台、水轮机叶片等行业。而关于 SMSS的焊接,国内外进 行了一些研究 ,但只是处于起步阶段 ,存在许多亟待解决的问题。 例如与母材相匹 配的焊接材料的开发、 焊接接头中缺陷的防止和焊接工艺对焊接接头性能的影响 等。1.2 研究现状近年来,由于SMSS的广泛应用,所以国内外对SMSS焊接材料的研究一直 处于快速发展阶段 , 但是对焊接材料的各项标准还没有形成统一的标准

6、, 对焊接 材料的选择主要考虑要满足金属高屈服强度和韧性兼优的要求。到目前为止 , 几乎所有 SMSS 管道的焊接都采用双相不锈钢或超级双相不锈 钢焊材,但其焊缝金属的强度低于母材的强度 ,在冲击载荷作用下 ,焊缝耐疲劳性 能较差 , 容易首先发生屈服 , 导致接头丧失承载能力。 而最易发生局部腐蚀和应力 腐蚀的临界区是热影响区 ,这是由于熔合线附近组织在焊接过程中经反复热循环 作用 , 且加热温度很高 , 导致碳和其他合金元素、 杂质元素向晶界迁移、 析集所造 成的6。因此,为了解决上述问题 ,必须开发相匹配的焊条或焊丝。由于采用匹配 的焊丝将使焊缝金属同母材在强度、硬度和耐腐蚀性上相类似

7、,即便是在较高的 温度（上限200 C ）,其性能也一样。采用相匹配的焊丝的另一个优点是更适合焊 后热处理。目前低碳马氏体不锈钢广泛用于制造水轮机的转轮 7，从焊接材料上来说， 无论是异种钢焊接还是同种材质不锈钢焊接， 焊接材料的选择有三种情况， 一是 奥氏体不锈钢焊材，如 316L、309型；二是马氏体不锈钢焊材，如410NiMo型; 其三是Cr17Ni6Mn型，Cr17Ni6Mn焊材是具有中国特色的焊材，是哈焊所根据 生产需要同哈尔滨电机厂联合开发的， 其金相组织为马氏体、 奥氏体、 铁素体三 相，综合力学性能介于奥氏体材料与马氏体材料之间 , 比奥氏体材料有较高的强 度和硬度 , 比马氏

8、体材料有较好的韧性和焊接性 8。国外在转轮焊接材料的选择上 , 多以前两种情况为主 , 国内则以一、三两种情 况为主。无论是奥氏体材料或是三相材料 , 同马氏体材料相比都存在较大差异 , 这样匹配的焊接接头称为异材质接头。 异材质接头由于存在组织不均匀性导致热 膨胀系数有较大差异 , 焊接过程中会产生较大的组织残余应力 , 且这样的残余应 力无法通过焊后热处理的手段来消除 9。超级马氏体不锈钢是在传统马氏体不锈钢的基础上通过降低碳含量， 增加镍 (3.5%4.5% )和钼(1.5%2.5% )的含量而发展起来的新钢种。这种钢抗拉强 度高，延展性好， 焊接性能也得到了改善， 而且具有良好的耐蚀性

9、和可加工性以 及较低的经济成本。超级马氏体不锈钢典型的基体金属显微组织为回火马氏体 , 这种低碳回火马氏体组织具有很高的强度和韧性 10-11。马氏体不锈钢淬火后， 经 一定温度回火， 部分马氏体将发生逆转变， 形成逆变奥氏体。 这种逆变奥氏体的 热稳定很高且弥散分布在低碳板条马氏体基体间，优化了材料的各项性能。2 SMSS 焊接冶金的研究进展2.1 SMSS焊接性的研究现状近年来,由于SMSS的广泛应用,所以国内外对SMSS焊接材料的研究一直处 于快速发展阶段 , 但是对焊接材料的各项标准还没有形成统一的标准 , 对焊接材 料的选择主要考虑要满足金属高屈服强度和韧性兼优的要求。到目前为止，几

10、乎所有SMSS管道的焊接都采用双相不锈钢或超级双相不锈 钢焊材,但其焊缝金属的强度低于母材的强度 ,在冲击载荷作用下 ,焊缝耐疲劳性 能较差 , 容易首先发生屈服 , 导致接头丧失承载能力。 而最易发生局部腐蚀和应力 腐蚀的临界区是热影响区 ,这是由于熔合线附近组织在焊接过程中经反复热循环 作用 , 且加热温度很高 , 导致碳和其他合金元素、 杂质元素向晶界迁移、 析集所造 成的。因此, 为了解决上述问题 , 必须开发相匹配的焊条或焊丝。 由于采用匹配的 焊丝将使焊缝金属同母材在强度、硬度和耐腐蚀性上相类似 , 即便是在较高的温 度（上限200 C）,其性能也一样。采用相匹配的焊丝的另一个优点

11、是更适合焊后 热处理。2.2 SMSS焊接接头耐腐蚀性的研究进展接头的耐腐蚀性能取决于很多因素 : 焊材的选择、合金元素、焊接方法和焊 接工艺等。SMSS焊缝主要存在以下几种问题：环境温度下焊接热影响区（HAZ） 由于残余应力和硫化氢的存在，造成的应力腐蚀或硫化物应力腐蚀（SSC）；在高温 环境下出现的晶间应力腐蚀开裂 ; 在阴极保护作用下出现的氢脆现象以及孔蚀等 现象。为了使材料适合特殊用途的要求 , 国内外对表面腐蚀和内在腐蚀进行了研 究和评价。2.3 SMSS焊接接头中氢脆的研究由于阴极保护作用,导致SMSS焊接接头出现氢脆现象,然而阴极保护导致的 氢脆是一个积累过程 , 裂纹的生成通常

12、在焊接热影响区表面开始。因为在焊接热 影响区表面应力强度和氢浓度都是最高的。 当在焊缝表面通过阴极反应产生氢时 就能够导致氢气析出或氢渗入金属基体 , 后者是造成氢脆的主要原因。2.4 逆变奥氏体对焊接性能的影响SMSS之所以拥有多种优异的性能关键在于他含有适量的逆变奥氏体。这种 奥氏体在室温下 , 甚至更低温度下都可以稳定存在 , 为了与残余奥氏体区别开来 , 根据其形成的特点 , 称之为逆变奥氏体。SMSS具有良好的焊接性能,这除了与低含碳量有关以外,还与其组织特征很 大关系。由于SMSS中有较多的逆变奥氏体。焊接时,逆变奥氏体的形变诱发相变 可缓解应力 , 降低应力集中 , 阻碍裂纹的形

13、成与扩展 , 降低钢的裂纹敏感性。 因而, 逆变奥氏体的存在对钢的焊接性能极为有利 12 。在热影响区 , 由于焊接过程中温 度迅速变化 , 可以近似看作是循环加热 , 还能够产生部分的逆变奥氏体 , 且这一过 程形成的逆变奥氏体相当稳定。2.5 合金元素对焊接接头组织性能的影响2.5.1 Cr和Ni的影响由于碳强化作用的减弱,SMSS的强度和硬度主要通过提高Cr、Ni含量加以弥补。铬、镍含量的增加不仅可以提高SMSS的强度和韧性,而且可以提高抗疲劳 性能和抗磨损性能 , 这是因为材料在保持了马氏体为主要基体的基础上 , 形成了 稳定的逆变奥氏体。另外，铬和碳的相互作用使钢在高温时具有稳定的Y

14、或丫 +相区, 铬可以降低奥氏体向铁素体和碳化物的转变速度 , 从而提高淬透性。 在焊材中 加入Ni不仅增加SMSS焊接接头强度，而且还可提高韧性,这是因为Ni的加入可以 使碳含量降得更低，由于碳含量很低，单一的铁素体组织将会减少，但Ni含量不能 过高，否则由于Ni扩大 相区和降低Ms点温度的双重作用，将使钢成为单相奥氏体 不锈钢 , 从而丧失淬火能力。2.5.2 Mo的影响钼也是SMSS中加入的元素之一。为了提高焊缝抗腐蚀能力，在焊材中加入 1.5 %2.5%的Mo是有利的,因为Mo的抗氢腐蚀性能比Cr高4倍。同时钼也是铁 素体形成元素 , 除改善接头的耐蚀性外 , 还可以提高接头的强度和硬

15、度以及增强 2 次硬化效应。2.5.3 碳的影响众说周知,碳是影响焊接性能的重要因素 ,因此在设计钢的成分配比时 ,首先 注意到碳的含量要低。此外，由于Cr是强碳化物形成元素，在不恰当的热处理温度 下，SMSS焊接接头的晶界上会析出Cr的碳化物,这种碳化物在较低温度下会使接 头的韧性急剧下降；同时由于Cr的碳化物的形成，还会使基体中的Cr含量降低， 当Cr含量低于下限的时候，则钢的耐蚀性也会下降。超低碳可以减少这种 Cr的碳 化物形成,因而有利于保持SMSS焊接接头的韧性和耐蚀性。2.5.4 氮的影响氮是促奥氏体形成元素 , 可以提高焊缝的强度和耐腐蚀性。研究表明 , 氮可 以增加SMSS的屈

16、服强度,每增加0.001%氮，可增加约6MPa的强度。而且焊接 SMSS时，还可采取保护气体中添加氮的方法来提高焊接接头的质量13。这是因为氮可以使焊缝金属中产生少量的残余奥氏体 ,弥散分布于马氏体中。可以显著 提高焊缝金属的韧性 , 但氮含量过高 , 易导致产生热裂纹。2.5.5 Nb的影响Nb是SMSS焊接接头中的有益元素之一。Nb可以与碳形成稳定的碳化物,避 免“贫铬”现象产生。因而，可以提高焊接接头的抗腐蚀性能；同时，由于Nb具有固溶强化作用 ,还可以提高焊接接头的抗拉强度。焊缝在很低的温度退时,Nb可迅速渗透到基体中。因此，Nb可以有效地提高钢的高温强度。在550 C和600 C 回

17、火时,SMSS焊缝中有细小的Nb(C ,N)析出,还可提高焊缝的抗回火软化性。3 结论1) SMSS以其良好的综合性能和经济性越来越多地应用于生产的各个领域 , 然其在焊材方面大都使用双相钢和超级双相钢焊材 , 不免在焊接接头会出现断裂 和腐蚀等一系列问题。因此,开发与SMSS相匹配的焊接材料是国内外今后研究的 方向。2) 加大对高性能不锈钢合金的研究力度， 开发综合力学性能更好并具有有优 良可焊性的马氏体不锈钢， 开发合金元素在不锈钢中的潜力也将会成为研究的热 点。3) 焊接工艺对焊接接头的性能有较大的影响 , 控制焊接工艺参数和焊接热循 环,采用合适的焊接方法、焊接热输入以及焊后热处理是解

18、决SMSS焊接接头裂纹 缺陷的有效措施。焊缝组织机理的研究对其性能的影响也是今后研究的方向。参考文献 ：1 贾成厂，关秀虎，李晓红 . 机械活化对 Mo-Cu 粉末烧结行为的影响 J. 粉 末冶金技术 , 2000, 18(3): 163-166.2 徐效谦等.特殊钢钢丝 M .北京:冶金工业出版社 . 2005: 565.3 范光伟.太钢铁索体不锈钢的最新发展A.第二宝钢学术年会论文集C上海: 上海科技文献出版社 . 2006: 310-316.4 张瑾瑾,王志法,陈德欣,等.机械合金化制备Mo颗粒增强铜基复合材料J. 矿冶工程 , 2005, 25(4): 77279.5 陈君平, 施雨湘, 张凡等. 高能球磨中的机械合金化机理 J. 机械,2004, 31 (3):52254.6 王香云, 蔚世凯 . 马氏体不锈钢低匹配焊接接头动态断裂韧性研究 J. 焊接 技术, 2006, 35(6): 58262.7 林师焱,杨志勇.0Cr13Ni5Mo高强不锈锕抗磨性能研究及应用J.水机磨蚀， 1998(12): 58-648 李向阳, 大型水轮机转轮马氏体