1、第十章 不锈钢的焊接 本章讲述要点：慨述 不锈钢的焊接性 不锈钢的焊接工艺 奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺 异种钢焊接不锈钢焊接接头的宏观照片不锈钢焊接接头的宏观照片YAG-MAGYAG-MAG激光电弧复合焊激光电弧复合焊第一节 不锈钢及耐热钢的分类及特性一、不锈钢的基本定义一、不锈钢的基本定义 不不锈锈钢钢的的定定 义义 原义原义 型型 习惯习惯 型型 广义广义 型型 仅指在无污染的大气仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢环境中能够不生锈的钢 指原义型含义不锈钢与能耐指原义型含义不锈钢与能耐 酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称 泛指耐蚀钢和耐热钢，统称泛指耐蚀钢和耐热钢，统称
2、为不锈钢为不锈钢Stainless SteelsStainless Steels不不锈锈钢钢不锈钢是耐蚀和耐不锈钢是耐蚀和耐 热高合金钢的统称。热高合金钢的统称。不锈钢通常含有不锈钢通常含有CrCr（w wCr12%Cr12%）、NiNi、MnMn、MoMo等元素，等元素，具有良好的耐腐蚀性、具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学耐热性和较好的力学性能，性能，适于制造要求耐腐蚀、适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备低温的零部件和设备二、不锈钢及耐热钢的分类按主要按主要化学成化学成 分分类分分类 铬锰氮铬锰氮 不锈钢不锈钢 铬镍铬镍不锈钢不锈钢 铬铬不锈钢不
3、锈钢 指指CrCr的质量分数介于的质量分数介于12%12%30%30%之间的不锈之间的不锈钢，其基本类型为钢，其基本类型为Cr13Cr13型型 CrCr的质量分数介于的质量分数介于12%12%30%30%，NiNi的质量分数介于的质量分数介于6%6%12%12%和和含其他少量元素的钢种，基含其他少量元素的钢种，基本类型为本类型为Cr18Ni9Cr18Ni9钢钢 属于节镍型奥氏体不锈钢，化学属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量减少镍的含量如如1Cr18Mn8Ni5N1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N1Cr18Mn6Ni5
4、N 按按用用途途分分类类 超低碳超低碳Cr-NiCr-Ni钢钢(如如00Cr25Ni22Mo200Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N)00Cr22Ni5Mo3N)等等低碳低碳Cr-NiCr-Ni钢（如钢（如0Cr19Ni90Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti）高高CrCr钢（如钢（如1Cr131Cr13、2Cr132Cr13）不不锈钢锈钢 抗氧抗氧 化钢化钢 热热强钢强钢 高高CrCr钢（如钢（如1Cr171Cr17、1Cr25Si21Cr25Si2）Cr-NiCr-Ni钢如钢如1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo61Cr16N
5、i25Mo6、4Cr25Ni204Cr25Ni20、4Cr25Ni344Cr25Ni34等等 Cr-NiCr-Ni钢钢（如（如2Cr25Ni202Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si22Cr25Ni20Si2）以以Cr12Cr12为基的多元合金化为基的多元合金化 高高CrCr钢（如钢（如1Cr12MoWV1Cr12MoWV）包括大气环境下及有浸蚀性化学介质包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过中使用的钢，工作温度一般不超过500，要求耐腐蚀，对强度要求不，要求耐腐蚀，对强度要求不高高。在高温下具有抗氧化性能的钢，它对在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。
6、工作温度可高达高温强度要求不高。工作温度可高达9001100。在高温下既要有抗氧化能力，又要具在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度可高达有一定的高温强度，工作温度可高达600800。按组织按组织分类分类 奥氏体钢奥氏体钢 铁素体钢铁素体钢 马氏体钢马氏体钢 铁素体奥铁素体奥 氏体双相钢氏体双相钢 18-8:0Cr19Ni918-8:0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)25-20:2Cr25Ni20Si225-20:2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20 4Cr25Ni20 25-35:0Cr21Ni3225-35
7、:0Cr21Ni32、4Cr25Ni35 4Cr25Ni35 沉淀沉淀硬化钢硬化钢 1Cr171Cr17、1Cr25Si21Cr25Si2 000Cr30Mo2 000Cr30Mo2 Cr13Cr13、2Cr132Cr13、3Cr133Cr13、4Cr134Cr13及及1Cr17Ni12 1Cr17Ni12、1Cr12MoWV 1Cr12MoWV 00Cr18Ni5Mo3Si200Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr25Ni5Mo3N0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N00Cr22Ni5Mo3N 0Cr17Ni4Cu4Nb 0Cr17Ni4Cu4Nb，简称，简称17-4PH 17
8、-4PH 0Cr17Ni7Al0Cr17Ni7Al，简称，简称17-7PH17-7PH 按室温组织分类按室温组织分类GB/T 20878-2007 不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分牌号及化学成分1)A型不锈钢：型不锈钢：基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，无磁性，主基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主，无磁性，主要通过冷加工使其强化（并可能导致一定的磁性）的不锈钢。是在高铬不要通过冷加工使其强化（并可能导致一定的磁性）的不锈钢。是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%25%）而形成的具有奥氏体）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用
9、最广的一类，以高组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。钢最为典型。（固溶态供货），综合性能最好（固溶态供货），综合性能最好18-8型：型：1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni825-20型：型：2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni2025-35型：型：4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb2)F型不锈钢：型不锈钢：基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主，有磁性，一基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主，有磁性，一般不能通过热处理硬化，但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为般不能通过热处理硬化，但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为铁素体，铬的质量分数在铁素
10、体，铬的质量分数在11.5%32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。钢），也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。常为耐蚀钢常为耐蚀钢:1Cr17、1Cr25Si2、000Cr30Mo2 按室温组织分类按室温组织分类3)M型不锈钢：型不锈钢：基体为马氏体组织，有磁性，通过热处理可调整其力学性基体为马氏体组织，有磁性，通过热处理可调整其力学性能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为11.5%18.0%。Cr13系列最为典系列最为典型型，如，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17
11、Ni12，常用作不锈钢。热，常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。火态，或者是淬火回火态。4)A-F（双相）型不锈钢：（双相）型不锈钢：基体兼有奥氏体和铁素体两相组织（其中较少基体兼有奥氏体和铁素体两相组织（其中较少相的含量一般大于相的含量一般大于15%），有磁性，可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢），有磁性，可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢中铁素体中铁素体占占6040，奥氏体，奥氏体占占4060，故常称为双相不锈钢。，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性
12、能。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。（固溶态供货），腐蚀性能最好（固溶态供货），腐蚀性能最好 18-5型：型：00Cr18Ni5Mo3Si2；22-5型型:00Cr22Ni5Mo3N 25-5型：型：0Cr25Ni5Mo3N；5)沉淀硬化型不锈钢：沉淀硬化型不锈钢：基体为奥氏体或马氏体组织，经时效强化处理以形基体为奥氏体或马氏体组织，经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢。（时效处理态供货）（时效处理态供货）M，A+M 0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)；0Cr17Ni7Al(17-7PH)第二节 不锈钢的特性1.1.不
13、锈钢的物理性能不锈钢的物理性能 一般地说，合金元素含量越多，热导率越小，而线膨胀系数和电阻率越大。马氏体钢和铁素体钢的约为低碳钢的1/2，其与低碳钢大体相当。奥氏体钢的约为低碳钢的1/3，其则比低碳钢大50%，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种金属焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性；奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性；18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件能显示出强磁
14、性。2.不锈钢的成分及力学性能表表3-7 常用不锈钢种的化学成分常用不锈钢种的化学成分(质量分数，质量分数，%)AISI牌号牌号GBCCrMoNi组织结构组织结构17-4PH0Cr17Ni4Cu4Nb0.07max15.0-17.5-3.0-5.0PH4101Cr130.15 max11.5-13.5-Mart4301Cr170.12 max16.0-18.0-Ferr3040Cr18Ni90.08 max18.0-20.0-8.0-10.5Aus304L00Cr18Ni110.03 max18.0-20.0-8.0-12.0Aus3160Cr17Ni12Mo20.08 max16.0-18.
15、02.0-3.010.0-14.0Aus316L00Cr17Ni14Mo20.03 max16.0-18.02.0-3.010.0-14.0Aus317L00Cr19Ni13Mo30.03 max18.0-20.03.0-4.011.0-15.0Aus904L00Cr20Ni25Mo40.02 max19.0-23.04.0-5.023.0-28.0Aus220500Cr22Ni5Mo30.03 max21.0-23.02.5-3.54.5-6.5Dup2205N00Cr22Ni5Mo3N0.03 max22.0-23.03.0-3.54.5-6.5Dup 一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能
16、一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能AISI牌号牌号GB屈服强度屈服强度Mpa抗拉强度抗拉强度Mpa伸长率，伸长率，%17-4PH0Cr17Ni4Cu4Nb11721310104101Cr13207448224301Cr17207448223040Cr18Ni920751740304L00Cr18Ni11172483403160Cr17Ni12Mo220751740316L00Cr17Ni14Mo217248340317L00Cr19Ni13Mo320751740904L00Cr20Ni25Mo422049035220500Cr22Ni5Mo3450620252205N00Cr22Ni5Mo3
17、N450620253.3.不锈钢的不锈钢的耐蚀性能耐蚀性能 应力腐蚀（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晶间腐蚀：在晶粒边界附近发生的有选择性 的腐蚀现象。的腐蚀现象。缝隙腐蚀：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吸附Cl而被局部破坏的现象。点腐蚀（孔蚀或坑蚀）：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：均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象(4)晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选
18、择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。18-8奥氏体不锈钢在450850加热（敏化加热）时，由于沿晶界沉淀出铬的碳化物Cr23C6，致使晶界边界层Cr低于12%，形成贫Cr区，在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀(Inter-granular corrosion)。现已证明，若钢中含碳量低于其溶解度，C20%即可产生一般在500900长时加热有利于相的形成。多分布在晶界，降低韧性。475脆性：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
19、温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。杂质有促进作用，高纯度可抑制。易产生的在600-700保温1h空冷可恢复。热强性：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）。耐热性能：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。不锈钢及不锈钢及耐热钢的耐热钢的高温性能高温性能 第三节 奥氏体不锈钢的焊接性一、奥氏体不锈钢的类型一、奥氏体不锈钢的类型类类型型 18-818-8型奥型奥氏体不锈钢氏体不锈钢 18-12Mo18-12Mo型型奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢为克服晶间腐蚀倾开发了为
20、克服晶间腐蚀倾开发了 1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti和和0Cr18Ni11Nb0Cr18Ni11Nb等等 主要牌号有主要牌号有1Cr18Ni91Cr18Ni9和和0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 25-2025-20型奥型奥氏体不锈钢氏体不锈钢 超低碳超低碳18-818-8型不锈钢，型不锈钢，如如00Cr19Ni1000Cr19Ni10等等 0Cr17Ni12Mo20Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti0Cr18Ni12Mo2Ti等等 牌号有牌号有0Cr25Ni200Cr25Ni20等等 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70
21、%，该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。奥氏体不锈钢的类型 常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类：(1)18-8型奥氏体不锈钢 是应用最广泛的一类奥氏体不锈钢，也是奥氏体型不锈钢的基本钢种，其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生出来的。(2)18-12Mo型奥氏体不锈钢 这类钢中钼的质量分数一般为2%4%。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素，为了固溶处理后得到单一的奥氏体相，在钢中Ni的质量分数要提高到10%以上(3)25-20型奥氏体不锈钢 这类钢铬、镍含量很高，
22、具有很好的耐腐蚀性能和耐热性能。二、奥氏体二、奥氏体不锈钢不锈钢焊接性焊接性分析分析奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性热裂纹热裂纹 析出现象析出现象 低温脆化低温脆化 晶间晶间 腐蚀腐蚀 应力腐应力腐蚀开裂蚀开裂（SCCSCC）热影响区敏化区晶间腐蚀热影响区敏化区晶间腐蚀 焊缝区晶间腐蚀焊缝区晶间腐蚀 点点蚀蚀刀状腐蚀刀状腐蚀 腐蚀介质的影响腐蚀介质的影响 焊接应力的作用焊接应力的作用 合金元素的作用合金元素的作用 奥氏体钢焊接接头有点蚀奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，双相钢有时也会有倾向，双相钢有时也会有点蚀产生。点蚀产生。1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性奥氏体不锈钢焊接接头
23、的耐蚀性(1)晶间腐蚀 奥氏体不锈钢焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间可奥氏体不锈钢焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间可能局部发生沿晶界的腐蚀，一般称此腐蚀为晶间腐蚀。能局部发生沿晶界的腐蚀，一般称此腐蚀为晶间腐蚀。18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，如图4-3所示。它发生的部位它发生的部位是在热循环峰值温度是在热循环峰值温度60060010001000的热影响区，如图的热影响区，如图3-10a3-10a所示；也有所示；也有的发生在焊缝金属上，如图的发生在焊缝金属上，如图3-10b3-10b所示；另一种晶间腐蚀发生在焊缝所示；另一种晶间腐蚀发生在焊缝的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内，
24、像刃状深入发展，故称之刀状腐的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内，像刃状深入发展，故称之刀状腐蚀，如图蚀，如图3-10c3-10c所示，它是晶间腐蚀的一种特殊形式。所示，它是晶间腐蚀的一种特殊形式。在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决于钢和焊缝的成分。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要决定于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。(a)(b)(c)a)在母材金属上在母材金属上 b)在焊缝上在焊缝上 c)熔合线刀状腐蚀熔合线刀状腐蚀图图3-10 焊接接头的晶间腐蚀焊接接头的晶间腐蚀 18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象图图4-3 18-84-3
25、18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位1 1HAZHAZ敏化区敏化区 2 2焊缝区焊缝区 3 3熔合区熔合区 1)焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定化元素Nb（因Ti不易过渡到焊缝中而不采用Ti），一般希望wNb8wC或wNb1；二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体（）相。焊缝区晶间腐蚀钝化 敏华钝化钝化：由于金属表面在腐蚀过程中生成的腐蚀产物（不锈钢的腐蚀产：由于金属表面在腐蚀过程中生成的腐蚀产物（不锈钢的腐蚀产物中主要含有物中主要含有Cr2O3）很致密且能牢固地
26、附着于金属表面，阻滞了腐）很致密且能牢固地附着于金属表面，阻滞了腐蚀过程，出现了腐蚀速度降低的现象，叫钝化，金属在介质中处于钝蚀过程，出现了腐蚀速度降低的现象，叫钝化，金属在介质中处于钝化的状态叫钝态。依靠钝化而耐蚀的耐蚀金属如不锈钢等叫可钝化型化的状态叫钝态。依靠钝化而耐蚀的耐蚀金属如不锈钢等叫可钝化型金属。金属。敏化敏化：不锈钢材在冶金和制造过程中经受到热成形、焊接、热处理等：不锈钢材在冶金和制造过程中经受到热成形、焊接、热处理等温度超过温度超过300的热作工艺，使得在晶界析出了碳化铬、氮化铬、的热作工艺，使得在晶界析出了碳化铬、氮化铬、相相和铬与其他金属间的化合物等高铬相，同时在晶界高铬
27、相与晶粒邻近和铬与其他金属间的化合物等高铬相，同时在晶界高铬相与晶粒邻近的狭长地区产生了贫铬区，使不锈钢产生与提高了晶间腐蚀敏感性，的狭长地区产生了贫铬区，使不锈钢产生与提高了晶间腐蚀敏感性，不锈钢的这种受热过程叫敏化。不锈钢的这种受热过程叫敏化。固溶处理固溶处理固溶处理(solution heat treatment)：将不锈钢加热将不锈钢加热到适当高温，并保温足够时间，使可溶组分溶解进到适当高温，并保温足够时间，使可溶组分溶解进入基体中，通常以较快的速度冷却，可以使基体中入基体中，通常以较快的速度冷却，可以使基体中析出的组分来不及析出，仍然过饱地固溶在基体中，析出的组分来不及析出，仍然过饱
28、地固溶在基体中，这种热处理叫这种热处理叫固溶处理固溶处理。碳化铬：碳化铬：不锈钢在300950温度范围内可能在晶界析出碳化铬。最重要的碳化铬形式为(Cr、Fe)23C6或(Cr、Fe、Mo)23C6。其铬含量常达90%以上，大大高于不锈钢的平均铬含量。晶界碳化铬的析出是使晶界邻近的晶粒边缘产生贫铬区的最重要的原因。碳化铬的析出温度范围实际上就是使不锈钢产生与提高晶间腐蚀敏感性的主要敏化温度范围。在10%草酸法检验与沸腾65%硝酸法检验时，碳化铬可以被快速溶解。贫铬区：不锈钢在300以上的热过程中，晶粒边界会析出碳化铬、氮化铬、相与其他金属间化合物等铬含量高于甚至大大高于不锈钢平均铬含量的高铬相
29、，致使晶界高铬相与晶粒外缘相邻接的狭长区域的铬含量大大下降，称为贫铬区。当热过程较短时，晶粒本体的铬原子来不及充分向贫铬区扩散补充，温度下降后，贫铬区得以保持。在以后接触到某些具有晶间腐蚀能力的介质时，贫铬区的溶解速度会大大超过晶粒本身。晶粒本身为钝化腐蚀时，贫铬区常常为活化腐蚀，因而会产生晶间会产生晶间腐蚀。不锈钢贫铬区的存在是不锈钢产生晶间腐蚀敏感性的最重要的原因之一。2）热影响区敏化区晶间腐蚀 所谓热影响区（HAZ）敏化区晶间腐蚀是指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀。奥氏体不锈钢长期加热而导致晶间腐蚀的敏化温度区为450850。敏化的实质是，
30、当处于该区的金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子会逐步向晶粒边界扩散，与晶粒边界的铬原子结合而成碳化物(CrFe)23C6，并沿晶界沉淀析出。由于铬原子的扩散速率比碳小得多，来不及补充形成碳化物所消耗的铬，使晶粒边界的铬含量低于耐蚀所需铬的极限值（WCr12%)，于是导致晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀能力，在腐蚀介质中工作一段时间后就会产生晶间腐蚀。0Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀图图3-11 晶间腐蚀贫铬理论示意图晶间腐蚀贫铬理论示意图图图3-12 00Cr20Ni10-晶界上晶界上Cr23C6沉淀项析出沉淀项析出 500 x2x00Cr20Ni10不锈钢带极埋弧堆焊后不锈钢带极埋弧堆焊后53
31、0保温保温50小时，发现小时，发现-晶界上有晶界上有Cr23C6沉淀，沉淀，如如图图3-12所示，照片中沿铁素体周边的黑点棒状物，经电子衍射所示，照片中沿铁素体周边的黑点棒状物，经电子衍射分析分析(XRD)证实是证实是Cr23C6。焊缝上的晶间腐蚀通常都只是在多道多层焊的情况。焊缝上的晶间腐蚀通常都只是在多道多层焊的情况下出现。前一焊道金属受到后面焊道的热影响而处于敏化温度的区带，可能出下出现。前一焊道金属受到后面焊道的热影响而处于敏化温度的区带，可能出现晶间贫铬而不耐腐蚀，这就是目前解释现晶间贫铬而不耐腐蚀，这就是目前解释18-8型不锈钢焊接接头晶间腐蚀的主型不锈钢焊接接头晶间腐蚀的主要理论
32、依据。要理论依据。3）刀状腐蚀）刀状腐蚀 定义：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。腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。发生部位：发生部位：只发生在含Ti或Bb的18-8和18-8钢的熔合区。在焊缝的在焊缝的焊趾启裂焊趾启裂,沿着焊缝熔合线向板厚度方向深入，并慢慢地向母材金属和焊缝金属发展。沿着焊缝熔合线向板厚度方向深入，并慢慢地向母材金属和焊缝金属发展。实质：实质：与M23C6沉淀形成贫铬层有关。必要条件：一般发生在焊后再次在敏化区间加热时，即必要条件：一般发生在焊后再次在敏化区间加热时，即高温过热和中温敏化的相继作用。图4-7 刀状腐蚀(2
33、)应力腐蚀开裂（SCC）1）腐蚀介质的影响 应力腐蚀的最大特点之一是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。如在Cl的环境中，18-8不锈钢的应力腐蚀不仅与溶液中Cl离子有关，而且还与其溶液中氧含量有关。Cl离子浓度很高、氧含量较少或Cl离子浓度较低、氧含量较高时，均不会引起应力腐蚀。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，不锈钢焊后常常产生较大的残余应力。应力腐蚀开裂的拉应力中，来源于焊接残余应力的超过30%，焊接拉应力越大，越易发生应力腐蚀开裂。在含氯化物介质中，引起奥氏体钢SCC的临界拉应力th，接近奥氏体钢的屈
34、服点s，即ths。在高温高压水中，引起奥氏体钢SCC的 th远小于s。而在H2SO6介质中，由于晶间腐蚀领先，应力则起到了加速作用，此时可认为th0。典型的应力腐蚀裂纹如图4-10所示。为防止应力腐蚀开裂，从根本上看，退火消除焊接残余应力最为重要。残余应力消除程度与“回火参数”LMP（Larson Miller Parameter）有关，即：LMP=T(lgt+20)10-3 （4-4）式中 T加热温度（）；t保温时间（h）。LMP越大，残余应力消除程度越大。如18-8Nb钢管，外径为。消除125mm，壁厚25mm，焊态时的焊接残余应力R=120MPa应力退火后，LMP18时才开始使R降低；当
35、LMP23时，R0。0Cr17Ni12Mo2 0Cr17Ni12Mo2不锈钢不锈钢 焊趾处的应力腐蚀裂纹焊趾处的应力腐蚀裂纹 10 10 应指出，为消除应力，加热温度T的作用效果远大于加热保温时间t的作用。3）合金元素的作用 应力腐蚀开裂大多发生在合金中，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。对于焊缝金属，选择焊接材料具有重要意义。综上所述，引起应力腐蚀开裂须具备三个条件：首先是金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；其次是由这种材质组成的结构接触或处于选择性的腐蚀介质中；最后是有高于一定水平的拉应力。应力腐蚀三个条件：三个条件：环境环境 选择性的腐蚀介质选择性的腐蚀介
36、质 拉应力拉应力(3)点蚀 奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向，其实即使耐点蚀性优异的双相钢有时也会有点蚀产生。点蚀指数PI越小的钢，点蚀倾向越大。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，但却经历了熔化与凝固过程，应属焊缝的一部分。焊接材料选择不当时，焊缝中心部位也会有点蚀产生，其主要原因应归结为耐点蚀成分Cr与Mo的偏析。例如，奥氏体钢Cr22Ni25Mo中Mo的质量分数为3%12%，在钨极氩弧焊（TIG）时，枝晶晶界Mo量与其晶轴Mo量之比（即偏析度）达1.6，Cr偏析度达1.25。因而晶轴负偏析部位易于产生点蚀。总之，TIG自熔焊接所形成的焊缝均易形成点蚀，甚至填送同质
37、焊丝时也是如此，仍不如母材。为提高耐点蚀性能：须减少Cr、Mo的析；一方面采用较母材更高Cr、Mo含量的所谓“超合金化”焊接材一方面料（Overalloyed Filler Metal）。提高Ni含量，晶轴中Cr、Mo的负偏析显著减少。2热裂纹 奥氏体钢焊接时，在焊缝及近缝区都有产生裂纹的可能性，主要是热裂纹。最常见的是焊缝凝固裂纹。HAZ近缝区的热裂纹大多是所谓液化裂纹。在大厚度焊件中也有时见到焊道下裂纹(1)奥氏体钢焊接热裂纹的原因 与一般结构钢相比较，Cr-Ni奥氏体钢焊接时有较大热裂倾向，主要与下列特点有关：1)奥氏体钢的热导率小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却条件下，接头在冷却过
38、程中可形成较大的拉应力。焊缝金属凝固期间存在较大拉应力是产生热裂纹的必要条件。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，而促使形成晶间液膜，显然易于促使产生凝固裂纹。图图3-8 00Cr20Ni10Nb 3-8 00Cr20Ni10Nb 奥氏体焊缝的结晶裂奥氏体焊缝的结晶裂纹纹图图3-9 含硼含硼304钢钢 HAZ晶界液化裂纹晶界液化裂纹 3)奥氏体钢及焊缝的合金组成较复杂，不仅S、P、Sn、Sb之类杂质可形成易溶液膜，一些合金元素因溶解度有限（如Si、Nb），也能形成易溶共晶，如硅化物共晶、铌化物共晶。这样，焊缝及近缝区都可能产生热裂纹。(2)凝固模式对热裂
39、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，这已为实验所证实。通常用室温下焊缝中相数量来判断热裂倾向。如图4-13所示，室温铁素体数量由0%增至100%，热裂倾向与脆性温度区间（BTR）大小完全对应。凝固裂纹产生于真实固相线之上的凝固过程后期，用室温组织来考核凝固过程中的现象，总有缺憾，必须联系凝固模式（结晶模式）来进行考虑才更合理。图4-14为Fe-Cr-Ni三元合金一个70%Fe的伪二元相图。图中标出的虚线合金，其室温平衡组织为单相，实际冷却得到的室温组织可能含5%10%相。但凝固开始到结束都是单相相组织，只是在继续冷却时，由于发生相变，数
40、量越来越少，在平衡条件下直至为零。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 凝固裂纹与凝固模式直接相关。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：如图4-14中合金，以相完成整个凝固过程，凝固模式以F表示；合金初生相为，但超过AB面后又依次发生包晶和共晶反应，即L+L+，这种凝固模式以FA表示；合金的初生相为，超过AC面后依次发生包晶和共晶反应，即L+L+，这种凝固模式则以AF表示；合金的初生相为，直到凝固结束不再发生变化，因此用A表示这种凝固模式。晶粒润湿理论指出，偏析液膜能够润
41、湿-、-界面，不能润湿-异相界面。以FA模式形成的铁素体呈蠕虫状，防碍枝晶支脉发展，构成理想的-界面，因而不会有热裂倾向。凝固裂纹与凝固模式有直接关系。单纯F或A 模式凝固时，只有-或-界面，所以会有热裂倾向。以AF模式凝固时，由于是通过包晶/共晶反应面形成+，这种共晶不足以构成理想的-界面，所以仍然可以呈现液膜润湿现象，以至还会有一定的热裂倾向。图4-17表明，影响热裂倾向的关键是决定凝固模式的Creq/Nieq比值，而并非室温相数量。由此可知，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
42、越高，其比值越小，所以具有明显的热裂敏感性。图 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。(3)3)化学成分对热裂纹的影响化学成分对热裂纹的影响 调整成分归根结底还是通过组织发生作调整成分归根结底还是通过组织发生作用。对于焊缝金属，调整化学成分是控制焊缝性能（包括裂纹问题）用。对于焊缝金属，调整化学成分是控制焊缝性能（包括裂纹问题）的重要手段。但如何进行冶金化，还未能获得完全有规律的认识。因
43、的重要手段。但如何进行冶金化，还未能获得完全有规律的认识。因为，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为，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，往往不尽相同，甚至可能相反。素共存时发生的作用，往往不尽相同，甚至可能相反。1 1）MnMn的影响的影响 在单相奥氏体钢中在单相奥氏体钢中MnMn的作用有利，但若同时存在的作用有利，但若同时存在CuCu时，时，MnMn与与CuCu可以相互促进偏析，晶界易于出现偏析液膜而增大热裂倾可以相互促进偏析，晶界易于出现偏析液膜而增大热裂倾向。向。2 2）S S、P P的影响的影响 硫、磷在焊接奥氏体钢时极易
44、形成低熔点化合物，增硫、磷在焊接奥氏体钢时极易形成低熔点化合物，增加焊接接头的热裂倾向。磷容易在焊缝中形成低熔点磷化物，增加热加焊接接头的热裂倾向。磷容易在焊缝中形成低熔点磷化物，增加热裂敏感性，而硫则容易在焊接热影响区形成低熔点硫化物而增加热裂裂敏感性，而硫则容易在焊接热影响区形成低熔点硫化物而增加热裂敏感性。在焊缝中，硫对热裂的敏感性比磷弱，这是因为在焊缝中硫敏感性。在焊缝中，硫对热裂的敏感性比磷弱，这是因为在焊缝中硫能形成能形成MnSMnS，并且离散地分布在焊缝中。在热影响区中，硫比磷对裂，并且离散地分布在焊缝中。在热影响区中，硫比磷对裂纹敏感性更强，这是因为硫比磷的扩散速度快，更容易在
45、晶界偏析。纹敏感性更强，这是因为硫比磷的扩散速度快，更容易在晶界偏析。焊缝中硫、磷的最高质量分数应限制在焊缝中硫、磷的最高质量分数应限制在0.015%0.015%以内。以内。3）Si的影响 Si是铁素体形成元素，焊缝中wSi4%之后，碳的活动能力增加，形成碳化物或碳氮化合物，因此，为了提高抗晶间腐蚀能力，必须使焊缝中wC不超过0.02%。Si在18-8钢中有利于促使产生相，可提高抗裂性，可不必过分限制；但在25-20钢中，Si的偏析强烈，易引起热裂。4）铌的影响 铌可与磷、铬及锰一起形成低熔点磷化物，而与硅、铬和锰则可形成低熔点硫化物氧化物杂质。铌在晶粒边界富集，可形成富铌、镍的低熔点相，其结
46、晶温度甚至低于1160。含铌的低熔点相在铁素体和奥氏体中的溶解度不同，从而对热裂影响不同。5）钛的影响 钛也可以形成低熔点相，如在1340 时，焊缝中就可以形成钛碳氮化物的低熔点相。含钛低熔点相的形成对抗裂性的影响不如铌的明显，因为钛与氧有强的结和力，因此钛通常不用于焊缝金属的稳定化，而是用于钢的稳定化。钛主要是对母材及热影响区的液化裂纹的形成有影响。6）碳的影响 碳对于热裂敏感性的影响仅在一次结晶为奥氏体的单相奥氏体化的焊缝金属中，碳对热裂敏感性的影响很复杂，还取决于合金成分。7）硼的影响 硼是对抗热裂性影响最坏的元素。高温时硼在在奥氏体中的溶解度非常低，只有0.005%，硼与铁、镍都能形成
47、低熔点共晶。因此，要限制焊缝中的硼含量。总之，凡是溶解度小而能偏析形成易熔共晶的成分，都可能引起热裂纹的产生。凡可无限固溶的成分（如Cu在Ni中）或溶解度大的成分（如Mo、W、V），都不会引起热裂。奥氏体钢焊缝，提高Ni含量时，热裂倾向会增大；而提高Cr含量，对热裂不发生明显影响。在含Ni量低的奥氏体钢加Cu时，焊缝热裂倾向也会增大。凡促使出现A或AF凝固模式的元素，该元素必会增大焊缝的热裂倾向。(4)焊接工艺的影响 在合金成分一定的条件下，焊接工艺对是否会产生热裂纹也有一定影响。为避免焊缝枝晶粗大和过热区晶粒粗化，以致增大偏析程度，应尽量采用小焊接热输入快速焊工艺，而且不应预热，并降低层间温
48、度。不过，为了减小焊接热输入，不应过分增大焊接速度，而应适当降低焊接电流。增大焊接电流，焊接热裂纹的产生倾向也随之增大。过分提高焊接速度，焊接时反而更易产生热裂纹。这是因为随着焊接速度增大，冷却速度也要增大，于是增大了凝固过程的不平衡性，凝固模式将逐次变化为FAAFA，相当于图4-14中A点向右移动，因此热裂倾向增大。3.析出现象 一些含镍量不是特别高的奥氏体不锈钢，为了提高焊缝抗热裂性而设一些含镍量不是特别高的奥氏体不锈钢，为了提高焊缝抗热裂性而设计的体积分数为计的体积分数为3 35 5或更高的铁素体组织的焊缝，在或更高的铁素体组织的焊缝，在650650850850高温持续服役的过程中会发生
49、高温持续服役的过程中会发生相的脆变。相的脆变。在不锈钢中，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。的转变速度与相的合金化程度有关，而不单是相的数量。凡铁素体化元素均加强转变，即被Cr、Mo等浓化了的相易于转变析出相。相是指一种脆硬而无磁性的金属间化合物相，具有变成分和复杂的晶体结构。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。不同钢号析出不同钢号析出相的敏感温度区不同。例如，相的敏感温度区不同。例如，0Cr25Ni200Cr25Ni20奥氏体不锈奥氏体不锈钢，在温度低于钢，在温度低于80080
50、0时，时，相析出缓慢；当温度高于相析出缓慢；当温度高于900900时，时，相相就不会析出。对于就不会析出。对于18-818-8型不锈钢当温度超过型不锈钢当温度超过850850时，时，相就不会析相就不会析出。含镍量很高的稳定纯奥氏体不锈钢很少发生出。含镍量很高的稳定纯奥氏体不锈钢很少发生相的脆变或者说相的脆变或者说相脆化程度轻，可以长时间工作。相脆化程度轻，可以长时间工作。相相：相为不锈钢中常见的金属间化合物相，名义成分为相为不锈钢中常见的金属间化合物相，名义成分为FeCrFeCr，实际成分为实际成分为(FeNi)(FeNi)x x(CrMo)(CrMo)y y。在铁素体相中较容易析出。在铁素体
