不锈钢的焊接特点.docx

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不锈钢的焊接特点

不锈钢的焊接

不锈钢的概述

不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态，又具有不锈特性的钢。

为此，不锈钢w（Cr）应高于12%。

此时，钢的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。

在非氧化介质（HCl、H2SO4）中，铬的作用并不明显，除了铬外，不锈钢中还须加入能使钢钝化的Ni、Mo等其它元素。

通常所说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢一般泛指在大气、水等弱酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。

两者在化学成分上的共同特点是w（Cr）均在12%以上，但由于合金化的差异，不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈钢性能。

不锈钢的种类、化学成分及其用途

不锈钢按照组织类型，可分为五类，即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

不锈钢的重要特性之一是耐蚀性，然而不锈钢的不锈性和耐蚀性都是相对的，有条件的，受到诸多因素的影响，包括介质种类、浓度、纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。

因此，不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理选择，才能获得良好的使用效果。

奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最广泛，品种也最多。

由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。

奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其它类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工、原子能等工业领域。

铁素体不锈钢的应用比较广泛，其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，例如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。

超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感，同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等。

马氏体不锈钢应用较为普遍的是Cr13型马氏体不锈钢。

为获得或改善某些性能，添加Ni、Mo等合金元素，形成一些新的马氏体不锈钢。

马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高，耐腐蚀要求不太高的场合，如量具、刀具、餐具、弹簧、轴承、气轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。

双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相占有较大的比例。

双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特点，韧性良好、强度较高，耐氯化物应力腐蚀。

适于制作海水处理设备、冷凝器，热交换器等，在石油、化工领域应用广泛。

沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好腐蚀性的一类不锈钢。

通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。

不锈钢的组织特点

因化学元素含量的上下限和热处理状态的差异，从各元素对不锈钢组织的影响和作用程度来看，基本上有两类元素。

一类是形成或稳定奥氏体的元素：

C、Ni、Mn、N和Cu等，其中C和N作用程度最大。

另一类是缩小甚至封闭γ相区即形成铁素体的元素：

Cr、Si、Mo、Ti、Nb、Ta、V、W和Al等，其中Nb的作用程度最小。

不锈钢的组织有以下几种组织类型：

1）奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。

为改善某些性能，满足特殊用途要求，在一些钢中单独或复合添加了N、Nb、Cu、Si等合金元素。

奥氏体不锈钢通常在室温下为纯奥氏体组织，也有一些奥氏体不锈钢室温下的组织为奥氏体加少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止热裂纹的产生。

奥氏体不锈钢不能用热处理方法强化，但由于这类钢具有明显的冷加工硬化性，可通过冷变形方法提高强度。

经冷变形产生的加工硬化，可采用固溶处理使之软化。

2）铁素体不锈钢

今年来铁素体不锈钢逐渐向低碳高纯度发展，使铁素体不锈钢的脆化倾向和焊接性得到明显改善。

该类钢在固溶状态下为铁素体组织。

当钢中w（Cr）超过16%时，仍存在加热脆化倾向。

在400～600℃温度区间停留易出现475℃脆化，在650～850℃温度区间易引起σ相析出而导致的脆化，加热至900℃以上易造成晶粒粗化，使韧性降低。

这类钢还有脆性转变特性，其脆性转变温度与钢中碳、氮含量，热处理时的冷却速度以及截面尺寸有关，碳、氮含量越低，截面尺寸越小，脆性转变温度越低。

475℃脆化和σ相析出引起的脆化，可通过热处理方法予以消除。

采用516℃以上短时加热后空冷，可消除475℃脆化，加热到900℃以上急冷可消除σ相脆化。

3）马氏体不锈钢

马氏体不锈钢w（Cr）范围在12%～18%，w（C）范围在0.1%～1.0%，也有一些含碳量更低的马氏体不锈钢，如0Cr13Ni5Mo等。

马氏体不锈钢加热时可形成奥氏体，一般在油或空气中冷却即可得到马氏体组织，含碳量较低的马氏体不锈钢淬火状态的组织为板条马氏体加少量铁素体，如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。

当w（C）超过0.3%时，正常淬火温度加热时碳化物不能完全固溶，淬火后的组织为马氏体加碳化物。

4）铁素体-奥氏体双相不锈钢

铁素体-奥氏体双相不锈钢室温下的组织为铁素体加奥氏体，通常铁素体的体积分数不低于50％。

双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，具有较低的热裂倾向，而与铁素体不锈钢相比，则具有较低的加热脆化倾向，其焊接热影响区铁素体的粗化程度也较低。

但这类钢仍然存在铁素体不锈钢的各种加热脆性倾向。

5）沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。

马氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，空冷至室温即可得到马氏体少量铁素体和残余奥氏体或马氏体加少量残余奥氏体。

再通过不同的时效温度，可得到不同的强化效果。

半奥氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，冷却至室温下得到的是不稳定的奥氏体组织。

经700～800℃加热调整处理，析出碳化铬，使Ms点升高至室温以上，冷却后即转变为马氏体。

再在400～500℃时效，达到进一步强化。

这类钢也可在固溶处理后直接冷却至Ms与Mf之间，得到部分马氏体组织。

再经时效处理，亦可达到强化效果。

奥氏体沉淀硬化不锈钢的Cr、Ni或Mn含量较高，无论采用何种热处理，室温下均为稳定的奥氏体组织。

经时效处理，在奥氏体基础上析出沉淀硬化相，从而获得更高的强度。

由于这类钢中含有较多硬化元素，比普通奥氏体不锈钢的焊接性差。

不锈钢的物理性能和力学性能

1）不锈钢物理性能

奥氏体不锈钢比电阻可达碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢的约大50%，而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上和碳钢的相等。

奥氏体不锈钢的热导率为碳钢的1/2左右。

奥氏体不锈钢通常是非磁性的。

铬当量和镍当量较低的奥氏体不锈钢在冷加工变形较大的情况下，会产生形变诱导马氏体，从而产生磁性。

用热处理方法可消除这种马氏体和磁性。

2）不锈钢的力学性能

马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用时的回火状态的硬度又稍有下降。

铁素体钢的特点是常温冲击韧性低。

当高温长时间加热时，力学性能将进一步恶化，可能导致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。

奥氏体不锈钢常温具有低的屈强比（40%～50%），伸长率、断面收缩率和冲击吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。

某些奥氏体不锈钢经高温加热后，会产生σ相和晶界析出碳化铬引起的脆化现象。

在低温下，铁素体和马氏体不锈钢的夏比冲击吸收功均很低，而奥氏体不锈钢则有良好的低温韧性。

对含有百分之几铁素体的奥氏体不锈钢，则应注意低温下塑性和韧性降低的问题。

不锈钢的耐腐蚀性能

金属受介质的化学及电化学作用而破坏的现象称为腐蚀，不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）和局部腐蚀，局部腐蚀包括晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。

据统计，在不锈钢腐蚀破坏事故中，由均匀腐蚀引起的仅占约10%,而由局部腐蚀引起的则高达90%以上，由此可见，局部腐蚀是相当严重的。

1）均匀腐蚀

均匀腐蚀是指接触的金属表面全部产生腐蚀的现象。

检查方法多半使用失重法。

铬不锈钢在氧化性介质中容易先在表面形成富铬氧化膜。

该膜将阻止金属的离子化而产生钝化作用，提高了金属的耐均匀腐蚀性能。

铬不锈钢或铬镍不锈钢因铬的钝化作用而对氧化性酸、大气均有较好的耐均匀腐蚀性能。

但单纯依靠铬钝化的铬不锈钢在非氧化性酸，如稀硫酸和醋酸中耐均匀腐蚀的性能相对较低。

高铬镍的奥氏体不锈钢，由于高镍或添加钼、铜之类元素，具有较高的耐还原性酸腐蚀的性能。

该类钢又有耐酸钢之称。

沉淀硬化型不锈钢由于高铬，亦有较好的耐均匀腐蚀性能。

但由于强化处理，按碳化铬析出或时效的情况不同，耐蚀性也有相应的损失或降低。

2）局部腐蚀

（1）晶间腐蚀

在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀称为晶间腐蚀。

它是一种局部性腐蚀。

晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，是一种很值得重视的危险的腐蚀现象。

导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因很多，概括有以下几种：

A．碳化铬析出引起的晶间腐蚀

奥氏体不锈钢在500～800℃温度区间进行敏化处理时，过饱和固溶的碳向晶粒间界的扩散比铬的扩散的快，在晶界附近和铬结合成（Cr、Fe）23C6的碳化物并在晶界沉淀析出，形成了晶粒边界附近区域的贫铬现象。

当该区铬含量降低导钝化所需的极限（w（Cr）12.5%）以下时，就会加速该区的腐蚀而发生了晶间腐蚀。

为了防止这种晶间腐蚀的产生，可以采取如下措施：

采用超低碳（w（C）<0.03%以下或更低）或加Ti、Nb等；固溶处理（1010～1120℃）；调整相比例，使之含有5%~10%的δ铁素体；采用稳定化处理使晶内铬扩散均匀化以消除局部贫铬现象。

B．σ相析出引起的晶间腐蚀

试验证明，超低碳已解决了晶界析出（Cr、Fe）23C6引起的晶间腐蚀，但某些超低碳含钼奥氏体不锈钢，如00Cr17Ni13Mo2（316L）在敏化温度区间在晶界析出σ相，在沸腾的65%硝酸溶液中可发现σ相析出引起的晶间腐蚀。

C．晶界吸附引起的晶间腐蚀

普通的Cr18－Ni8奥氏体不锈钢在强氧化性的硝酸溶液中会产生晶间腐蚀，而高纯度的奥氏体不锈钢未发生这种现象。

已查明Cr14－Ni14不锈钢中杂质P在晶界吸附是引起硝酸溶液中产生晶间腐蚀的原因。

D．稳定元素高温溶解引起的晶间腐蚀

含钛和含铌奥氏体不锈钢焊后在敏化温度加热处理再放入强氧化性的硝酸溶液中工作，将在熔合线上出现很窄区域的选择性腐蚀。

它是一种沿晶界的腐蚀。

常称为“刀状腐蚀”。

熔焊接时，熔合线附近由于过热，大部分碳化物被溶解。

当第二次加热到敏化温度区间（或多层焊或热处理）时，主要沿晶界析出了铬的碳化物，由此引起晶间腐蚀。

铁素体不锈钢也会发生晶间腐蚀。

将这种钢加热到925℃以上急冷后就有晶间腐蚀倾向，但经650～815℃短时间加热便可消除。

在比邻焊接熔合线处可出现该类腐蚀。

只有w（C＋N）降低到0.01%以下时，才能避免这种晶间腐蚀。

和奥氏体不锈钢一样，也有温度－时间－敏化（TTS）曲线关系。

也可用贫铬理论加以解释。

在925℃以上保温时，碳在α相中固溶，冷却过程中即使在水淬冷速度条件下也不能抑制碳化物沿晶界析出而引起晶间腐蚀。

又由于铬在α相中的扩散速度高于在γ相中的速度，所以在较低的温度下，如650～815℃区间内退火，便可通过铬的扩散，降低近晶界区的贫铬程度而避免晶间腐蚀。

点蚀及缝隙腐蚀

点蚀及缝隙腐蚀的共同机理是腐蚀区间产生“闭塞电池腐蚀”作用所致，但各自的具体原因不相同。

点蚀是指在金属材料表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。

点蚀的形成主要是由于材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。

试验表明，材料的Ea值越正，抗点蚀能力越好；介质中Cl－的浓度越低，越不容易引起点蚀；增加材料的均匀性，即减少夹杂物（特别是硫夹杂物）、晶界析出物（晶间碳化物或σ相等）以及提高钝化膜的稳定性，如降低碳含量，增加铬和钼以及镍