材料焊接性第4章 不锈钢及耐热钢的焊接ppt课件

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CrwCr12%、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、耐高温暖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 不锈钢的根本定义 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可以不生锈的钢 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 Steels4.1.2 不锈钢及耐热钢的分类按主要化学成 分分类

2、 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，其根本类型为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1Cr13、2Cr13 不锈钢 抗氧 化钢 热强钢 高Cr钢如1Cr17、1Cr25Si2 如1

3、Cr18Ni9Ti、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 Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12 、 1Cr12MoWV 00Cr18Ni5Mo3Si2、0

4、Cr25Ni5Mo3N、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景象。晶间腐蚀：在晶粒边境附近发生的有选择性 的腐蚀景象。 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外表间存在间隙时，缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl而被部分破坏的景象。点腐蚀孔蚀或坑蚀：金属资料外表大部分不腐蚀或腐蚀细微，而分分发生的部分腐蚀 均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属外表全

5、部产生腐蚀的景象 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：主要出如今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景象。热强性：在高温下长时间任务时对断裂的抗力耐久强度，或在高温下长时间任务时抗塑性变形的才干蠕变抗力。 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二元合金形状图 图4-2 Fe-Ni二元合金形

6、状图 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也是铁素体构成元素 Mo对相区有剧烈的减少作用 Mn是奥氏体构成元素，与Ni类似，会扩展相区，使-的转变向低温挪动 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型奥氏体不锈钢为抑制晶间腐蚀倾开发了 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、0Cr18

7、Ni12Mo2Ti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 析出景象 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。 焊接接头的耐蚀性 焊缝区晶间腐蚀 防止途径 选择超低碳焊接资料 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不锈钢焊接接头能够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

8、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表示图。 (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400600HAZ晶间腐蚀 晶间腐蚀的机理是什么呢？贫铬区：不锈钢外表或内部部分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

9、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； TiC的析出温度：1100 刀状腐蚀 定义：在熔合区产生的晶间腐蚀，如刀削切口方式，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。本质：与M23C6沉淀构成贫铬层有关。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

10、焊缝边境图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 腐蚀介质与资料组合上的选择性，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。由于低热导率及高热膨胀系数，不锈钢焊后经常产生较大的剩余应力。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要素之一。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 焊接资料选择不当时，焊缝中心部位也会

11、有点蚀产生，主要缘由：耐点蚀成分Cr与Mo的偏析。 TIG自熔焊易构成点蚀，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“超合金化焊接资料Overalloyed Filler Metal。提高Ni含量，晶轴中Cr、Mo的负偏析显著减少。凝固方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，假设为双相组织，那么不易于产生凝固裂纹。所谓凝固方式，首先是指以何种初生相或开场结晶进展凝固过程，其次是指以何种相完成凝固过程。可有四种凝固方式：F AF FA A奥氏体钢焊接热裂纹的缘由：1.奥氏体钢的热导率小和线

12、膨胀系数大，较大拉应力2.奥氏体钢易于联生结晶构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，往往不尽一样，甚至能够相反。 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 凝固方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，普通不会随便发生热裂。而25-20

13、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。析出景象低温脆化 相通常只需在铬的质量分数大于16%时才会析出，由于铬有很高的分散性，相在铁素体中的析出比奥氏体中的快。 相的析出使资料的韧性降低，硬度添加。有时还添加了资料的腐蚀敏感性。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，成为完全面心立方构造，尽量防止出现相。 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留意 的问题 应坚持“适用性原那么 根据所选各焊接资料的详细成分来确定能否适用 思索详细运用的焊接方法和工 艺参数能

14、够呵斥的熔合比大小 根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度 不仅要注重焊缝金属合金系统，而且要留意详细合金成分在该合金系统中的作用；不仅思索运用性能要求，也要思索防止焊接缺陷的工艺焊接性的要求 焊接工艺 要点 合理选择焊接方法 控制焊接参数，防止接头产生过热景象 接头设计的合理性应给以足够的注重 尽能够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 防止焊件任务外表的污染 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CrwCr=1214钢 如00Cr12、0Cr13、0Cr13Al等 中CrwCr=1

15、618钢如0Cr17Ti、1Cr17Mo等 高CrwCr=2530钢，如1Cr25Ti、1Cr28等 wCwN0.0350.045如00Cr18Mo2等 wCwN0.03%，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能够出现的脆化脆化问题需求引起注重。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。

16、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加热至9501000以上后急冷至室温，焊接热影响区的塑性和韧性显著降低，称为“高温脆性。其脆化程度与合金元素碳和氮的含量有关。普通纯度铁素体不锈钢中wCr21%时，假设在520820之间长时间加热，可析出相。相的构成与焊缝金属中的化学成分、组织、加热温度、保温时间以及预先冷变形等要素有关。wCr15%的普通纯度铁素体不锈钢在400500长期加热后，即可出现475脆性。 475

17、脆化可经过焊后热处置消除。4.3.2 铁素体不锈钢的焊接工艺特点焊接方法 焊接资料的选择 低温预热及焊后热处置可采用焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体维护焊、钨极氩弧焊和埋弧焊 同质铁素体型、奥氏体型和镍基合金 预热在100200600-700焊后热处置4.3.3 马氏体不锈钢焊接性分析马氏体不锈钢的类型 Cr13系钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 热强马氏体钢 2Cr12WMoV、2Cr12MoV、超低碳复相马氏体钢 0.01C-13Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti 焊接性分析 焊接接头的冷裂纹 焊接接头的硬化景象 超低碳复相马氏体钢无淬

18、硬倾向，并具有较高的塑性和韧性。常见马氏体钢均有脆硬倾向，含碳量越高，脆硬倾向越大。因此，首先遇到的问题是含碳量较高的马氏体钢淬硬性导致的冷裂纹的问题和脆化问题。焊接接头的冷裂纹 马氏体型不锈钢Cr12%，添加钢的奥氏体稳定性,适量的碳和镍，淬硬性和淬透性高，经固溶再空冷也会发生马氏体转变。马氏体型不锈钢焊缝和热影响区焊后形状的组织为硬脆的马氏体组织。马氏体型不锈钢导热性较碳钢差，焊后剩余应力较大，假设焊接接头刚度又大或焊接过程中含氢量又较高，当从高温直接冷至120100以下时，很容易产生冷裂纹。焊接接头的硬化景象Cr13类马氏体不锈钢以及Cr12系列的热强钢，可以在退火形状或淬火形状下进展焊

19、接。无论焊前原始形状如何，冷却速度较快时，近缝区必会出现硬化景象，构成粗大马氏体的硬化区。在冷却速度较小时，近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也明显下降。所以，焊接时冷却速度的控制是一个难题。图4-21 高强度马氏体钢TIG焊后的硬度11Cr13 22Cr13 300Cr13Ni7Si3 4.3.4 马氏体不锈钢的焊接工艺特点 同质焊缝焊接时，宜预热。预热温度与资料厚度、填充金属种类、焊接方法和构件的拘谨度有关，与碳含量关系最大。焊接构件不能进展预热或不便进展热处置时，可采用奥氏体不锈钢焊接资料。对于热强型马氏体钢，最希望焊缝成分接近母材。焊接资料的选择+预热及焊后热处置最好采用同质填充金属

20、来焊接马氏体钢，同时应思索合理的合金化，加少量Ti、Al、N、Nb等以细化晶粒，降低淬硬性。马氏体型不锈钢的预热温度不宜过高，否那么将使奥氏体晶粒粗大，并且随冷却速度降低，还会构成粗大铁素体加晶界碳化物组织，使焊接接头塑性和强度均有所下降。图4-22 正确的焊后热处置工艺 图4-23 不正确的焊后热处置工艺 4.4 奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接 4.4.1 奥氏体-铁素体双相不锈钢的类型中合金型双相不锈钢 低合金型 双相不锈钢 高合金双相不锈钢 超级双相不锈钢00Cr25Ni6Mo2N 00Cr25Ni7Mo3WcuN 0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti00Cr18Ni5Mo3Si2

21、00Cr23Ni4N钢 00Cr22NI5Mo3N 00Cr25Ni7Mo4N 00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN 4.4.2 双相不锈钢的耐蚀性双相不锈钢的耐蚀性耐应力腐蚀性能 耐晶间腐蚀性能 耐点蚀性能 4.4.3 奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接性分析 双相不锈钢焊接的冶金特性 双相不锈钢焊接接头的析出景象 焊缝金属的组织转变 焊接热影响区的组织转变 铬的氮化物如Cr2N、CrN、二次奥氏体2 及金属间相如相等 图4-25 相区域宽度图4-26 峰值温度对热影响区的影响双相不锈钢焊接的析出景象有能够发生三种类型的析出，即铬的氮化物如Cr2N、CrN、二次奥氏体2及金属间相如相等。当焊缝

22、金属铁素体数量过多或为纯铁素体组织时，很容易有氮化物的析出，这与在高温时，氮在铁素体中的溶解度高，而快速冷时溶解度又下降有关。尤其是在焊缝近外表，由于氮的损失，使铁素体量添加，氮化物更易析出。焊缝假设是健全的两相组织，氮化物的析出量很少。因此，为了添加焊缝金属的奥氏体数量，可在填充金属中提高镍、氮元素的含量。另外，假设采用大的热输入焊接，也可防止纯铁素体晶粒的生成而引起的氮化物的析出。在含氮量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体的析出。特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入焊接时，部分会转变成细小分散的二次奥氏体2，这种2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性能，尤其以外表析出影响更大。 普通来说