铁素体—奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能毕业论文 - 图文(4)

铁素体—奥氏体异种钢接头界面组织及力学性能

焊接方法不同致使气孔产生类型也不同。CO2焊经常产生的N 、CO 、H 气孔，但是最容易产生的是N气孔。气焊容易产生CO气孔。与气体流量、气体纯度、电弧电压、焊接速度等有关。埋弧焊容易产生气孔与焊接速度有关。缩孔是息弧时产生的一种特殊气孔，与收弧速度过快熔池失去保护形成。特别是海上平台焊接用焊条容易产生。采用清理坡口与焊缝、焊接电流合适、短弧、采用反复息弧法，而且采用较快的频率才能防止。

2.2 奥氏体不锈钢的焊接性能分析

由于奥氏体不锈钢含有较高的铬，可形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蚀性。当含Cr18％，含Ni8％时，基本上可获得单一的奥氏体组织，故奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接陛能。但为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量控制及δ相脆化等。

2.2.1 焊接接头的晶间腐蚀问题

不锈钢在腐蚀介质的作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐 蚀[13～14]。

（1）产生晶间腐蚀的原因

奥氏体不锈钢在450～850℃时，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合形成碳化铬（Cr23C6）。由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩散速度，使晶界的铬得不到及时补充，造成奥氏体边界贫铬。当晶界附近的金属含Cr量低于12％时，就失去了抗腐蚀能力，在腐蚀介质作用下，即产生晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢，从表面上看来没有痕迹，但在受到应力时即会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。

（2）减少和防止晶间腐蚀的措施

① 控制含碳量碳 碳是造成晶间腐蚀的主要元素，含C量越高，奥氏体晶界处形成的碳化铬越多，贫铬现象越严重，晶间腐蚀越大，所以焊接时采用含碳量小于0.03％的焊条，不会产生晶间腐蚀

② 添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的亲和力比铬强的

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元素，能与碳结合成稳定的化合物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。如1Crl8NDTi1Crl8Ni2Mo2Ti钢，E347—15、H0Crl9Ni9Ti焊丝等

③ 进行固溶处理 焊后将接头加热到1050～1100℃，使碳化物重新溶解到奥氏体中，然后迅速冷却，稳定了奥氏体组织。另外，也可以进行850～900℃保温2h的稳定化热处理使奥氏体晶粒内部的铬扩散到晶界，晶界处的含铬量重新恢复到大于12％，就不会产生晶间腐蚀

④ 快速冷却 因奥氏体钢不会出现淬硬现象，所以在焊接过程中加快冷却速度，缩短焊接接头在危险温度区的停留时间，以免形成贫铬区

⑤ 改变焊缝的组织状态 使焊缝由单一的奥氏体相改变为奥氏体加铁素体双相，Cr在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快，因此，铬在铁素体中较快地扩散到晶界，减轻了奥氏体晶界贫铬现象。

2.2.2焊接接头的刀状腐蚀

（1）刀状腐蚀原因

在焊缝和基本金属的熔合线附近，发生如刀刃状的晶间腐蚀，称为刀状腐蚀。只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢（如0Crl8Nil1Ti）的焊接接头上，产生的原因也和Cr23C6析出后形成的贫铬层有关。焊接时，过热区的峰值温度高达1200℃以上，钢中的TiC溶入奥氏体，分解出的碳在冷却过程中偏聚在晶界形成过饱和状态，而钛则因扩散能力远比碳低而留于晶内，当接头在敏化温度区间再次加热，过饱和的碳在晶间以Cr23C6形式析出，在晶界形成贫铬层，使耐腐蚀能力降低。

（2）防止刀状腐蚀的措施

① 降低含碳量 最好采用超低碳不锈钢，WC≤0.06％ 。

② 减少近缝区过热尽量采用小的热输入，以减少过热区在高温停留时间。 ③ 合理安排焊接顺序双面焊时与腐蚀介质接触的焊缝应尽可能最后焊。 ④ 焊后稳定化处理 将焊件加热到1050～1100℃，使过热区的碳与稳定剂结合为稳定的碳化物。

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2.2.3 应力腐蚀开裂问题

金属在应力和腐蚀介质共同作用下，所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。 （1）应力腐蚀开裂原因

在化工设备的破坏事故中，由于不锈钢的应力腐蚀开裂造成事故占50％，破坏涉及几乎所有耐蚀材料。开裂时没有任何变形，因而事故往往是突发性的，后果严重。

拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂[15～16]的必要条件，应力主要来自于制造过程，因而焊接应力造成事故占到30％以上。不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多，包括钢的成分、组织和状态、介质的种类、温度、浓度、应力性质、大小及结构特点等。

（2）防止应力腐蚀开裂采取的措施

① 正确选用材料 根据介质特性，选用对应力腐蚀开裂敏感性低的材料是防止应力腐蚀开裂最根本的措施，主要有高纯铬一镍奥氏体不锈钢，高硅铬一镍奥氏体不锈钢，铁素体一奥氏体双相钢等

② 对材料进行防腐蚀处理 通过电镀、喷镀、物理等方法，用金属或金属覆盖层将金属与腐蚀介质隔离

③ 消除焊件残余应力 采用消除应力热处理及由机械方法降低表面残余应力或造成压应力（如进行喷丸）状态

④ 改进部件及接头设计 由于设计得不合理，往往会形成较大的应力集中或在制造中产生较大的残余应力，这是产生应力腐蚀开裂的重要条件。

2.2.4 焊接接头的热裂纹问题

（1）焊接热裂纹产生的原因

① 奥氏体不锈钢导热大约只有钢的一半，而线膨胀系数却大得多，所以焊后在接头中会产生很大的内应力

② 奥氏体钢中合金元素多，不仅硫、磷等杂质与铁形成低熔点的共晶、合金元素之间或与杂质问作用也可形成低熔点化合物和共晶，如NiS+Ni的熔点为644℃

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③ 奥氏体钢的结晶凝固区间大，结晶时间长，且奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析较严重

（2）防止焊接热裂纹的措施

① 采用双相组织焊缝：当焊缝中有5％左右的铁素体时，可打乱奥氏体柱状晶的方向

② 工艺上的措施：采用碱性焊条、小电流、快速焊，防止产生热裂纹严格 ③ 控制有害杂质硫、磷的含量。

2.3 铁素体不锈钢焊接性能分析

2.3.1 铁素体不锈钢的焊接性

铁素体型不锈钢一般都是在室温下具有纯铁素体组织，塑性、韧性良好。由于铁素体的线膨胀系数较奥氏体的小，其焊接热裂纹和冷裂纹的问题并不突出。通常说，铁素体型不锈钢不如奥氏体不锈钢的好焊，主要是指焊接过程中可能导致焊接接头的塑性、韧性降低即发生脆化[17]的问题。此外，铁素体不锈钢的耐蚀性及高温下长期服役可能出现的脆化也是焊接过程中不可忽视的问题。高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好得多。

（1）焊接接头的晶间腐蚀 碳的质量分数为0.05%～0.1%的普通铁素体铬钢发生腐蚀的条件和奥氏体铬—镍钢稍有不同。从900℃以上快速冷却，铁素体铬不锈钢对腐蚀很敏感，但经过650～800℃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。晶间腐蚀是在晶粒边界附近发生的有选择性腐蚀现象，如图2-1、2-2所示：

图2-1 焊缝高温区腐蚀位置 图2-2晶粒边界腐蚀现象

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原因：贫铬理论

A不锈钢加热到450-850℃（敏化温度）区间发生

高铬F不锈钢从高温急冷发生，经650～850℃加热缓冷可消除

（2）焊接接头的脆化 铁素体不锈钢的晶粒在900℃以上极易粗化；加热至475℃附近或自高温缓冷至475℃附近；在550～820℃温度区间停留形成的σ相均使接头的塑性、韧性降低而脆化。

① 高温脆性 铁素体不锈钢焊接接头加热至950～1000℃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。碳、氮含量越高，焊接热影响区脆化程度就越严重。焊接接头冷却速度越快，其韧性下降值越多；如果空冷或缓冷，则对塑性影响不大

② 475℃脆化 WCr>15%的普通纯度铁素体不锈钢在400～500℃长期加热后，即可出现475℃脆性。随着铬含量的增加，脆化的倾向加重。焊接接头在焊接热循环的作用下，不可避免地要经过此温度区间，特别是当焊缝和热影响区在此温度停留时间较长时，均有产生475℃脆性的可能。475℃脆化可通过焊后热处理消除

③ σ相脆化 普通纯度铁素体不锈钢中WCr>21%时，若在520～820℃之间长时间加热，即可析出σ相。σ相的形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因素有关。钢中促进铁素体形成的元素如铝、硅、钼、钛和铌均能强烈地增大产生σ相的倾向；锰能使高铬钢形成σ相所需铬的含量降低；而碳和氮能稳定奥氏体相并能与铬形成化合物，会使形成σ相所需铬含量增加。镍能使形成σ相所需温度提高。由于σ相的形成有赖于Cr、Fe等原子的扩散迁移，故形成速度较慢。WCr=17%的钢只有在550℃回火1000h后才会开始析出σ相。当加入2%的Mo时，σ相析出时间大为缩短，约在600℃回火200h后即可出现σ相。因此，对于长期工作于σ相形成温度区的铁素体型耐热钢的焊接高温构件而言，必须引起足够的重视。

2.3.2 铁素体不锈钢的焊接工艺特点

普通纯度铁素体钢焊接接头韧性较低，主要是由于单相铁素体钢易于晶粒粗

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