第二章异种钢的焊接(2)作业.ppt

第二章 异种钢的焊接,本章主要内容,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，其焊接具有特殊性第三节 不锈钢的分类及特点,一、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，对其含义有以下三种理解： (1) 原义型 仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢 (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二、不锈钢的分类,1、按化学成分 （1）铬不锈钢： wCr=12-30%，主要为Cr13型 （2）铬镍不锈钢： wCr=12-30%， wNi=6-12%，如Crl8Ni9钢 （3）铬锰氮不锈钢：用锰代替镍含量，如1Crl8Mn6Ni5N 2、按用途 （1）不锈钢：要求耐浸蚀性的化学介质腐蚀，对强度要求不高，工作温度低于500℃ ； （2）抗氧化钢（不起皮钢）：要求在高温下抗氧化或耐气体介质的腐蚀 ，工作温度可高达900-1100℃ ； （3）热强钢：高温下有较好的抗氧化性和耐腐蚀能力，并具有较高的强度，工作温度可高达600-800℃。

3、按正火后的组织 （1）马氏体不锈钢：热处理强化钢；牌号主要为 1Cr13～4Cr13；用于力学性能要求高，耐蚀性要求低，如：气轮机叶片，医疗器械等一般在调质状态下使用焊后淬硬倾向大，易出现冷裂纹2）铁素体不锈钢 ：含Cr为17～30%的高铬钢属此类，主要用做热稳定钢，也可作耐蚀钢用（随Cr含量增加，耐蚀性增加）； Wc=0.1%左右,不能进行热处理强化;如1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等3）奥氏体不锈钢 ：用途最广，占不锈钢及耐热钢总量的70％,化学成分特点: Wc = 0.08～0.14 % WCr = 17～19 % WNi = 8～11 % Cu、Ti、Mo等热处理特点:固溶处理;稳定化处理;消除应力退火牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti,固溶处理：把钢加热到单一A区（1050-1150 ℃ ），得到成分均匀的单一A组织，然后快冷，使高温过饱和的固溶体组织保持到室温稳定化处理:对含Nb、Ti等固碳元素的A不锈钢，经固溶处理后，重新加热到850-950℃之间，过热溶解于奥氏体的TiC重新析出，减少Cr23C6析出可能性，从而降低晶间腐蚀的工艺过程。

4）铁素体-奥氏体双相钢：钢中铁素体占60％-40％，奥氏体占40％-60％；抗点蚀及抗应力腐蚀开裂的能力强，主要用于含氯离子的环境，如石油、化工、化肥、造纸等设备如00Crl8Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni 5Mo3N、0Cr25Ni5Mo3N等5）沉淀硬化型不锈钢：在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理得到高强度、高韧性、良好耐蚀性的一类不锈钢如0Crl7Ni7Al、0Crl7Ni4Cu4Nb等三、不锈钢的性能,2、耐蚀性：,金属腐蚀的机理：,（1）化学腐蚀: 金属与介质 (干燥气体和非电解质溶液 ) 发生化学 反应而产生的腐蚀例如:高温氧化、脱碳等 特点：无电流产生,（2）电化学腐蚀:金属与介质 (电解质溶液，即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生的腐蚀 特点：有电流产生1、物理性能：热导率小、线膨胀系数大、电阻率大,电化学腐蚀过程示意图,,珠光体电化学腐蚀示意图,,不锈钢腐蚀形式：,（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均匀腐蚀使金属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件而言，会使其承受的真实应力逐渐增加，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。

不锈钢与硝酸等氧化性酸作用，在表面能形成稳定的钝化层，不易产生腐蚀； 不锈钢与硫酸等还原性酸作用，只含Cr的马氏体和铁素体钢发生腐蚀，同时含Cr和Ni的奥氏体钢不发生腐蚀； 在含Cl离子的介质中，奥氏体钢易发生腐蚀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，而分散发生高度的孔状或坑状局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀（Pitting Corrosion），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 不锈钢在450℃-850℃加热时，由于沿奥氏体晶界沉淀出了Cr的碳化物，致使晶粒边界贫Cr，在腐蚀介质中沿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。

晶间腐蚀常发生于奥氏体不锈钢中，多半与晶界层“贫铬”现象有联系 a、晶间腐蚀的形成条件 接头再次加热到450℃-850℃或在此温度区间工作 通常把450℃-850℃温度区间称为敏化温度区间，把在此区间内加热的过程称为敏化加热或敏化过程b、晶间腐蚀的形成机理（晶间贫Cr理论） 铬是决定不锈钢耐蚀性的决定元素，但是含量只有超过12%才能使钢处于耐腐蚀的钝态由于18-8钢固溶处理态下，奥氏体一定是碳过饱和，所以呈不稳定状态如果固溶态的不锈钢在450-850C使用或加热时，超过溶解度的C向晶界扩散，并与铬形成铬的碳化物Cr23C6 在晶界沉淀，由于铬在奥氏体中扩散速度慢，晶粒内部的铬不能及时补充到晶界，就造成晶界贫铬当贫化区的铬降至钝化所需的极限含量12%以下时，电极电位急剧下降这样在腐蚀介质中，晶界和晶内产生电极电位差形成电化学腐蚀，贫化区的晶界成为阳极，在腐蚀介质的作用下产生晶界腐蚀450℃ ～ 850℃ C,,扩散,晶界,+,Cr,,Cr23C6沉淀,,晶界贫Cr层,,晶间腐蚀,固溶处理后碳饱和,C、影响因素 温度、时间 化学成分 C 含碳量↑→越容易形成晶间贫铬层→晶间腐蚀倾向↑ 其它合金元素 与C的亲和力铬与C的亲和力，可以阻止铬与C结合，↓晶间腐蚀倾向 与C的亲和力铬与C的亲和力，不起作用 相结构的影响 铁素体+奥氏体双相 可以打乱单一奥氏体柱状晶的方向性,（5）应力腐蚀 也称应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，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和氧引起的高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀产生条件： A、拉应力下产生，压应力不产生； B、材料与介质之间有选择性； C、纯金属一般不产生，合金中易产生金属的防腐措施:,（1）覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺2）形成氧化层: 加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜3）提高金属的电极电位: 加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位4）使钢在室温下呈单相组织: 加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大γ区,可在室温获得奥氏体钢 加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢5）减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等6）牺牲阳极保护阴极 : 镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块3、不锈钢的力学性能 常温力学性能与其微观组织结构有着密切的关系 马氏体钢：退火状态：强度低，塑性、韧性好 淬火状态：强度高，但塑性、韧性降低； 铁素体钢：强度及韧性均较低； 奥氏体钢：具有较高的抗拉强度，塑性、韧性也较好,一、A不锈钢的焊接,1、焊接性分析,显微组织：奥氏体 成分：高铬不锈钢+适量的Ni 典型钢种： 18-8钢 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 25-20钢 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni20 25-35钢 0Cr21Ni32 4Cr25Ni35,变形能力强、含碳量低，焊接性良好； 问题：腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的控制、脆化等,第四节 不锈钢的焊接,（1）焊接接头的晶间腐蚀,焊接接头的晶间腐蚀区,A、焊缝区腐蚀 ① 焊态下已有Cr23C6析出，如多层焊的重复加热区域 ② 接头在焊态下无贫铬层，焊后经敏化处理，有发生倾向,理论最敏感温度：450-850℃，原因： ①低于400℃，C活动能力弱， Cr23C6析出困难 ②高于800℃，铬的活动能力增强，使贫铬层消失,实际由于接头处于焊接的快速连续冷却过程中， Cr23C6析出需更高的温度，接头的敏化温度为：600-1000℃。

预防措施： ① 降低母材和焊缝中的含碳量 ：将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在γ相中的溶解度，这样在加热时就不会有或很少有Cr23C6析出，从而从根本上避免了贫铬层的形成如 00Crl9Ni10、00Crl8Nil0N及焊丝H00Crl9Nil2Mo2 ② 在钢中加入稳定的碳化物形成元素（钛、铌、钽等）：如0Crl8Ni11Ti、0Crl8Ni11Nb及焊丝H0Cr20Ni10Ti、H0Cr20Ni10Nb等 ③ 焊后进行固溶处理：固溶处理可使已经析出的Cr23C6重溶于奥氏体中 固溶处理：T＝1050-1150℃ 此方法对大型复杂零部件有一定的困难，处理后再次在敏化温度范围加热，仍然会形成贫铬层 ④ 改变焊缝的组织状态：使焊缝由单一的γ相改变为γ+δ双相 原因：δ相可以打乱粗大的柱状树枝晶，使面积较小而直的晶界变为曲折的晶界，从而破坏腐蚀通道； 铬在δ相中溶解度大，有良好的供铬条件，从而减少贫铬层形成δ相量： 4％-12％ ，最好5％左右 δ相过多： ①有脆化倾向，过量δ存在多层焊时易形成σ相； ②因δ相与γ相之电极电位不同，还会引起选择性腐蚀⑤ 稳定化处理：T＝1050-1150℃，让全部溶于固溶体并形成稳定碳化物 ⑥ 操作上：尽量采用窄焊缝，多道多层焊，焊接区快速冷却，焊缝背面可用纯铜垫,B、HAZ敏化区 在焊接热影响区峰值温度处于敏化温度区间的部位所发生的腐蚀 温度范围：600-1000℃ 普通的18-8钢才有敏化区，含Ti、Nb的和超低碳的18-8钢不易出现,防治措施： 采用含钛、铌或低碳18-8钢 选用较低线能量、快速冷却的工艺 采用固溶处理或稳定化退火,C、刀状腐蚀 发生部位：在熔合区产生的晶间腐蚀 发生材质：含有铌、钛的18-8钢的过热区，如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb等，超低碳时也不容易发生。

产生原因： 焊接时，过热区的峰值温度高达1200℃以上，钢中的TiC溶人奥氏体，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（450-850℃）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，使耐腐蚀能力降低产生条件：高温加热+中温敏化相继作用,防治措施： （1）降低含碳量：一般要求WC0.06% （2）减少近缝区的过热:选用小线能量 （3）避免在敏化温度下工作 （4）焊后热处理：固溶处理、稳定化处理 （5）合理安排焊接顺序：与腐蚀介质接触的焊缝应尽可能最后焊接与腐蚀介质接触的焊缝无法最后焊接时．应调整焊接参数，使后焊焊缝的敏化区不要与第一面焊缝表面的过热区重合2）应力腐蚀开裂 导热性差、线胀系数大，焊接残余应力大 介质：氯化物、氟化物 防止措施 A、选择合适的材料 B、消除产品残余应力 C、改进结构设计和加工工艺 D、进行防腐蚀处理，保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜,（3）。