第4章 不锈钢及耐热钢的焊接

第4章不锈钢及耐热钢的焊接4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性_4.2奥氏体不锈钢的焊接_4.3铁素体及马氏体不锈钢的焊接_4.4奥氏体-铁素体双相不锈钢的焊接_第4章不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢：耐蚀和耐热高合金钢的统称发明：1912年合金元素：Cr（wCr≥12%）、Ni、Mn、Mo等按照合金元素对不锈钢组织的影响和作用的程度，将其分为两大类：1）形成或稳定奥氏体元素：C、Ni、Mn、N和Cu2）缩小奥氏体区即形成铁素体的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、V、W和Al等。性能：具有良好耐腐蚀性、耐热性和较好力学性能应用：制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛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是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称，对其含义有以下三种理解：(1)原义型仅指在无污染大气环境中能够不生锈钢(2)习惯型指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称。(3)广义型泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢我国目前所谓不锈钢是指习惯型含义。1.不锈钢的定义4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性2.不锈钢与耐热钢的区别不锈钢主要是在温度不高的所谓湿腐蚀介质条件下使用，尤其是在酸、碱、盐等强腐蚀溶液中，耐腐蚀是使用不锈钢最关键、最重要的原因。不锈钢和耐热钢的区别主要是用途和使用环境条件不同耐热钢则是在高温气体环境下使用，除耐高温氧化作为必要性能外，高温下的力学性能是评定耐热钢质量的基本指标。不锈钢为提高耐晶间腐蚀等性能，含碳量愈低愈好。而耐热钢为保持高温强度，一般含碳量均较高。第4章不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢具有耐腐蚀性的原因：1、不锈钢中一定量Cr元素，能在钢材表面形成一层不溶于腐蚀介质坚固钝化膜Cr2O3，使金属与外界介质隔离而不发生化学作用；2、大部分金属腐蚀属于电化学腐蚀，铬加入可提高钢基体的电极电位；3、Cr、Ni、Mn、N等元素加入还会促使形成单相组织，阻止形成微电池，从而提高耐蚀性。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类(1)铬不锈钢指wCr=12%～30%，其基本类型Cr13型(2)铬镍不锈钢指wCr=12%～30%，wNi=6%～12%和含其他少量元素的钢种，基本类型Cr18Ni9钢(3)铬锰氮不锈钢节镍型奥氏体不锈钢部分Ni被Mn、N替代，可减少Ni含量N：固溶强化元素，提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀(点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀)主要成分为Cr和Ni4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类1）不锈钢（指习惯型含义）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500℃，要求耐腐蚀，对强度要求不高。高Cr钢：1Cr13、2Cr13低碳Cr-Ni钢：0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti超低碳Cr-Ni钢：00Cr25Ni22Mo200Cr22Ni5Mo3按用途分为：4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类2）耐热钢:抗氧化钢和热强钢统称为耐热钢按用途分为：抗氧化钢：在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。工作温度可高达900～1100℃。常用的钢有高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）和Cr-Ni钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）。热强钢：在高温下既有抗氧化能力，又具有一定高温强度，工作温度可高达600～800℃。广泛应用：Cr-Ni钢：1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6以Cr12为基多元合金化高Cr钢4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类1）奥氏体钢是在高铬不锈钢中添加适当Ni（8%～25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型18-8系、25-20系、25-35系供货状态：固溶处理按组织分类:4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类按组织分类:2）铁素体钢显微组织为铁素体，wCr=11.5%～32.0%主要用作：耐热钢（抗氧化钢）、耐蚀钢如1Cr17、1Cr25Si2铁素体钢以退火状态供货3）马氏体钢显微组织为马氏体，wCr=11.5%～18.0%。Cr13系列最为典型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni12供货状态：退火、淬火回火态4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类按组织分类:4）铁素体－奥氏体双相钢钢中铁素体δ占60﹪～40﹪奥氏体γ占40﹪～60﹪，故常称为双相不锈钢特点：极其优异的抗腐蚀性能典型：18-5系、22-5系、25-5系00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N供货状态：固溶处理状态4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类按组织分类:5）沉淀硬化钢经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，常称为PH不锈钢（PrecipitationHardeningStainlessSteels）主要用作：高强度不锈钢典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH；半奥氏体（奥氏体＋马氏体）沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称17-7PH4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.2不锈钢及耐热钢的分类按组织分类:5）沉淀硬化钢经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，常称为PH不锈钢（PrecipitationHardeningStainlessSteels）主要用作：高强度不锈钢典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，半奥氏体（奥氏体＋马氏体）沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称17-7PH发展趋势：超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、超级双相不锈钢以及马氏体时效不锈钢4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.3不锈钢及耐热钢的特性合金元素含量越多，热导率λ越小，而线膨胀系数α和电阻率μ越大4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.3不锈钢及耐热钢的特性1．不锈钢的物理性能：物理性能与低碳钢有很大差异马氏体钢和铁素体钢：λ约为低碳钢的1/2，其α与低碳钢大体相当奥氏体钢：λ约为低碳钢的1/3，其α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λ和α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。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.3不锈钢及耐热钢的特性1．不锈钢的物理性能：物理性能与低碳钢有很大差异磁性：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性。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性2.不锈钢的耐蚀性能腐蚀形式：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等1）均匀腐蚀：接触腐蚀介质的金属全部表面或大部分表面均匀进行的腐蚀现象危害：使金属截面不断减少变薄，最后的破坏是使结构穿孔或发生类似于超载引起的破坏。钢铁构件在大气、海水及稀的还原性介质中的腐蚀一般属于均匀腐蚀。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性2）点腐蚀：在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生高度的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀（PittingCorrosion）常见蚀点的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。原因：不锈钢常因Cl－的存在而使钝化膜局部破坏以至形成腐蚀坑。优先腐蚀区域：表面缺陷处（夹杂物、贫Cr区、晶界、位错）2.不锈钢的耐蚀性能4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性2）点腐蚀防止点腐蚀途径：1）减少Cl－含量和O含量；加入缓蚀剂（如CN－、NO3－、SO42－等）；降低介质温度等2）在不锈钢中加入Cr、Ni、Mo、Si、Cu等合金元素3）尽量不进行冷加工，以减少位错露头处发生点腐蚀的可能4）降低钢中的含碳量此外，添加N也可提高耐点蚀性能2.不锈钢的耐蚀性能4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性2）点腐蚀点蚀指数：PI=wCr+3.3wMo+(13~16)wN一般希望PI35~40Cr：形成稳定氧化膜Mo：形成MoO42－离子，吸附于表面活性点而阻止Cl－入侵N：与Mo协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏2.不锈钢的耐蚀性能4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性3）缝隙腐蚀：在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生高度的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀（PittingCorrosion）常见蚀点的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。原因：不锈钢常因Cl－的存在而使钝化膜局部破坏以至形成腐蚀坑。优先腐蚀区域：表面缺陷处（夹杂物、贫Cr区、晶界、位错）2.不锈钢的耐蚀性能4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4）晶间腐蚀：在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而在晶粒边界附近发生的有选择性的局部腐蚀危害：破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化,不能经受敲击，是一种很危险的腐蚀。2.不锈钢的耐蚀性能原因：晶间腐蚀多与晶界“贫铬”现象有联系奥氏体不锈钢晶间腐蚀示意图4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性5）应力腐蚀(StressCorrosionCracking，简称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引起：大部分是由Cl－引起的高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀2.不锈钢的耐蚀性能SCC的临界拉应力：应力腐蚀存在临界KISCC，即临界应力强度因子要大于KISCC，裂纹才会扩展4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性耐热性能：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。3．不锈钢及耐热钢的高温性能1）高温性能不锈钢表面形成的钝化膜不仅具有抗氧化和耐腐蚀的性能，而且还可提高使用温度。例如，当在某种标准评定的条件下，若单独应用铬来提高钢的耐氧化性：介质温度达到800℃时，则要求wCr需达到12%；950℃下，wCr=20%；wCr=28%时，在1100℃也能抗氧化。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性耐热性能：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。3．不锈钢及耐热钢的高温性能2）合金化问题耐热钢的高温性能中首先要保证抗氧化性能。为此钢中一般均含有Cr、Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。热强性包括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）。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性3．不锈钢及耐热钢的高温性能为提高钢的热强性，其措施主要是：1）提高Ni量以稳定基体----利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力。2）形成稳定的第二相----主要是碳化物相（MC、M6C、或M23C6），同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等效果更佳。3）减少晶界和强化晶界----控制晶粒度并加入微量B或稀土等，如奥氏体钢0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加wB0.003%。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性3．不锈钢及耐热钢的高温性能3）高温脆化问题脆化现象：a）Cr13钢在550℃附近的回火脆性b）高铬铁素体钢的晶粒长大脆化c）奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成的脆化d）值得注意的还有475℃脆性和σ相脆化4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性3．不锈钢及耐热钢的高温性能475℃脆性：主要出现在wCr15%的铁素体钢中在430～480℃之间长期加热并缓冷，就可导致强度升高而韧性下降的现象，称之为475℃脆性。原因：铬原子在钢中不均匀的偏聚，引起点阵畸变和内应力增加造成的。σ相：wCr=45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。在纯Fe-Cr合金中，wCr＞20％即可产生σ相。当存在其他合金元素，特别是存在Mn、Si、Mo、W等时，会促使在较