双相不锈钢焊接接头的析出现象

第4章不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（wCr≥12%）、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、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊性。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的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4.1.2不锈钢及耐热钢的分类1．按主要化学成分分类(1)铬不锈钢指Cr的质量分数介于12%～30%之间的不锈钢，其基本类型为Cr13型。(2)铬镍不锈钢指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。(3)铬锰氮不锈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。这类钢种如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。2．按用途分类(1)不锈钢（指习惯型含义）(2)抗氧化钢(3)热强钢3．按组织分类按空冷后室温来分类，是应用最广泛的分类方法。(1)奥氏体钢是在高铬不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组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。(2)铁素体钢显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%～32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢，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，这类钢中铬的质量分数为11.5%～18.0%。Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，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，或者是退火态，或者是淬火回火态。(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。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。(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，主要用作高强度不锈钢。典型钢种，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17-7PH。所以，也常称这类钢为PH不锈钢（PrecipitationHardeningStainlessSteels）。4.1.3不锈钢及耐热钢的特性1．不锈钢的物理性能不锈钢的物理性能对焊接性构成影响的主要有两方面：1、导热系数λ小，仅为低碳钢的1/32、热膨胀系数大，比低碳钢大50%2．不锈钢的耐蚀性能不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。（1）均匀腐蚀均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。(2)点腐蚀点腐蚀是指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。不锈钢常因Cl－的存在而使钝化层局部破坏以至形成腐蚀坑。(3)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，缝隙中溶液流动将发生迟滞现象，以至溶液局部Cl－浓化，形成浓差电池，从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl－而被局部破坏的现象称为缝隙腐蚀(4)晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。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。(5)应力腐蚀也称应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking，简称SCC），是指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。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。3．不锈钢及耐热钢的高温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。(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。(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。热强性是指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）。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）。因此，为提高热强性希望适当提高碳含量（这一点恰好同不锈钢的要求相矛盾）。如能同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等就更有效。3)减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等，如奥氏体钢0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加wB0.003%。(3)高温脆化问题耐热钢在热加工或长期工作中，可能产生脆化现象。除了Cr13钢在550℃附近的回火脆性、高铬铁素体钢的晶粒长大脆化，以及奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成的脆化之外，值得注意的还有475℃脆性和σ相脆化。1）475℃脆性主要出现在Cr的质量分数超过15%的铁素体钢中。在430～480℃之间长期加热并缓冷，就可导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称之为475℃脆性。2）σ相脆化：在高温条件下由δ相中析出一种硬度高达68HRC的σ脆性相导致的脆化。4.2奥氏体不锈钢的焊接奥氏体钢由高温冷却下来时不发生任何组织变化，直到室温或更低的温度下仍保持奥氏体组织。显微组织：奥氏体一般属于耐蚀钢成分：高铬不锈钢+适量的Ni8～25%典型钢种：18-8钢0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25-20钢2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35钢0Cr21Ni324Cr25Ni354Cr25Ni35Nb4.2.2奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体钢的焊接性问题主要有：热裂纹、接头耐蚀性、脆化1．奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性(1)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。图4-318-8钢焊接接头晶间腐蚀现象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wNb≥8wC或wNb≈1％；二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体（δ）相。焊缝中铁素体(δ)的作用：其一，可打乱单一γ相柱状晶的方向性，不形成连续贫Cr层；其二，铁素体(δ)富Cr，有良好的供Cr条件，可减少γ相晶粒形成贫Cr层，一般铁素体(δ)在4－12％左右铬当量Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+3Al+5V镍当量Nieq=Ni+30C+0.87Mn+K(N-0.045)+0.33Cu2）热影响区敏化区晶间腐蚀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。和恒温加热不同，由于焊接是一个快速连续加热的过程，所以有一个过热度，敏化区温度范围不是450-850℃，而是600-1000℃。只有普通的18-8钢才会有敏化区，含有钛、铌的奥氏体不锈钢、含有一定数量铁素体的双相不锈钢、以至超低碳的奥氏体不锈钢母材，不易有敏化区出现。为防止敏化区腐蚀，一般倾向采用含钛、铌或低碳18-8钢，比如1Cr18Ni9Ti,也可以采用超低碳不锈钢00Cr18Ni11；在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊过程，以减少处于敏化加热的时间。图4-50Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀3）刀状腐蚀在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口形式，故称为“刀状腐蚀”（Knife-lineCorrosion），简称刀蚀，如图4-7所示。腐蚀区宽度初期不超过3～5个晶粒，逐步扩展到1.0～1.5mm。图4-7刀状腐蚀发生材质：含有铌、钛的18-8钢的过热区产生原因：加入钛的18-8型不锈钢材料，固溶处理态（供货态）时，钢中只有很少量的碳和钛溶入固溶体，其余大部分碳和钛结合成游离的TiC。焊接时，这种钢的焊接接头的过热区内，加热温度超过1200℃的部位，NbC或TiC将全部或大部固态溶解于奥氏体晶粒内。冷却时，体积小且活泼的碳原子向奥氏体晶界扩散并聚集于此，而Ti来不及扩散留在晶内。这种状态如果再经历600～1000℃中温敏化加热，就会在晶界产生Cr23C6沉淀，造成该区晶粒边界的贫铬。在一定腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀切状腐蚀破坏。形成刀蚀的必要条件是高温过热和中温敏化。不含钛或不含铌的18-8钢不应有刀蚀发生，超低碳不锈钢不但不发生敏化区腐蚀，也不会有刀蚀。图4-6Cr23C6、TiC的析出温度对于含有稳定化元素的不锈钢，可以采取以下方法来减少或避免晶间腐蚀的发生：①含碳量。②近缝区的过热③避免在敏化温度下工作④焊后热处理固溶处理：T＝1050-1150℃，使Cr23C6分解固溶。淬火冷却，消除贫铬层稳定化退火处理：T＝850-900℃＋2h，使Cr23C6充分析出，Cr也扩散均匀，消除贫铬层。(2)应力腐蚀开裂（SCC）应力腐蚀开裂是构件在应力和腐蚀介质共同作用下所发生的脆性开裂现象。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。要减小SCC的倾向，具体可以采取下列措施：①选择合适的材料②改进结构设计和加工工艺③注意保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜残余应力消除程度与“回火参数”LMP（LarsonMillerParameter）有关，即：LMP=T(lgt+20)×10-3（4-4）式中T——加热温度（Ｋ）；t——保温时间（h）。LMP越大，残余应力消除程度越大。图4-10应力腐蚀裂纹(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。提高耐点蚀性能，措施：1.不能进行自熔焊接；2.采用较母材更高Cr、Mo含量的“超合金化”焊接材料；3.必须考虑母材的稀释作用，以保证足够的合金含量；4.提高Ni量有利于减少微观偏析，必要时考虑采用Ni基合金焊丝。2．热裂纹奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性——焊缝结晶裂纹和HAZ液化裂纹。25-20型奥氏体钢焊接热裂倾向最大，其次是18-8钢。18-8型不锈钢的热裂纹主要是产生在焊缝中，如果钢中含有铌HAZ也可以产生液化裂纹。•奥氏体钢焊接易于热裂的原因1导热系数小、线膨胀系数大，焊缝凝固时产生的拉应力较大；2奥氏体焊缝为方向性强的柱状晶，易形成偏析3焊缝成分复杂（S、P、Sn、Sb、Si、Nb）易形成多种低熔共晶。热裂纹与凝固模式所谓凝固模式，首先是指以何种初生相（γ或δ）开始结晶进行凝固过程，其次是指以何种相完成凝固过程。1.全铁素体凝固模式(F)晶粒界面：δ-δ2.先铁素体凝固模式(FA)晶粒界面：δ–γ(不会有热裂倾向）3.先奥氏体凝固模式(AF)晶粒界面：γ–δ4.全奥氏体凝固模式(A)晶粒界面：γ-γ图4-13凝固模式对热裂纹的影响图4-14Fe-Cr-Ni三元合金一个70%Fe的伪二元相图图4-17热裂倾向(3)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。1）Mn的影响2）S、P的影响3）Si的影响4）铌的影响5）钛的影响6）碳的影响7）硼的影响(4)焊接工艺的影响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