低温钢的焊接.docx

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低温钢的焊接

低温钢的焊接

一、低温钢的定义

一般把在比常温下限（约-10℃）更低的温度下使用的钢材都看作是低温钢，其中具有代表的钢种有碳素铝脱氧钢、低温高强钢、2.5%镍钢、3.5%镍钢、5%镍钢、9%镍钢和奥氏体系不锈钢。

低温钢的热处理，按照其成分、材料厚度和最低使用温度的不同。

大体上可分为调质和非调质的两种。

非调质低温钢母材的组织是铁素体一珠光体，所以它只限于铝脱氧钢，2.5%Ni钢与3.5%Ni钢以及加有铜、铬、镍等元素的低合金钢。

调质低温钢则是指铝脱氧钢、低温高强钢、3.5%Ni钢、5%Ni钢和9%Ni钢等钢种。

它们可用调质处理来改善低温缺口韧性，同时也可提高强度，象5%Ni钢和9%Ni钢等那样含镍量较高的钢材，缺口韧性和热处理条件之间存在着很微妙的关系，可以有二次淬火回火（QQT）型或二次正火回火（NNT）型的，9%Ni钢在NNT处理时，母材组织尽管受到了正火处理，但仍是贝氏体或马氏体组织，所以也把它算作调质低温钢。

为了确保低温钢焊接结构的完善性、可靠性和安全性，它必须具有在最低使用温度下能抵抗脆性破坏的性能。

另一方面，为了确实保证焊接部分具有良好的缺口韧性，正确地选定焊接材料和正确地制订焊接工艺也是十分重要的。

（低温高强钢是指某些抗拉强度为60kgf/mm²或80kgf/mm²等级的高强钢，它们的脆性转变温度可低到-80℃以下，因些也可以在不低于-46℃的温度下使用）。

二、低温钢的种类

1.低温钢的规格

低温钢的规格各国都有自己的标准，我国为YB13-69；日本按JIS标准;美国材料试验协会（ASTM）的标准甚是完备;西德是钢铁工程师协会的标准，此处就不再赘述。

2.非调质低温钢

非调质低温钢的组织主要是铁素体一珠光体，镍的含量则限定在3.5%以下。

铝脱氧钢是在已经用Si与Mn脱氧的熔强钢中再加入0.02-0.08%At进行强制脱氧的低碳钢。

它是含碳量不超过0.15%而含锰量又较高的材料。

这种材料由于含碳量低，因而其组织中对韧性有不利影响的珠光体就少，同时在正火时因为AlN析出而抑制了奥氏体晶粒的成长，最后可以得到很细的铁素体—珠光体组织，从而也就确保它有良好的低温韧性。

铝脱氧钢的2mmV形缺口夏比冲击试验的韧性和脆断转变温度与镍钢差异不大，但是由脆断发展停止试验（例如二次拉伸试验或者ESSO试验）永得的性能以及焊缝的性能，则比2.5%Ni钢或3.5%Ni钢差多了。

因此它只限于在不低于-45℃的温度下使用。

2.5%Ni钢的夏比冲击试验性能良好，可以在不低于-70℃的温度时采用。

但是高于-45℃时却宁可采用铝脱氧钢，所以实质上这种钢材的用途是比较少的。

3.5%Ni钢实质上可以看作是低碳的铝脱氧镍钢。

正因为含碳量低对改善其低温韧性十分有利，所以在制造和焊接施工中都应加以注意。

3.调质低温钢

施加淬火一回火处理，可改善非调质型铝脱氧钢的强度与低温韧性，这是由于显微组织中出现了铁素体与贝氏体两相组织。

这样就可使它在-60℃的温度下使用。

调质3.5%Ni钢可以有不同的类型:

有的由于添加了Cu而回避了回火3.5%Ni钢在-100℃附近低温韧性下降的缺点;有的则添加可提高淬火性的Cr与Mo使其形成很细的回火贝氏体组织，而改善了它的强度与低温韧性。

5%Ni钢经三段热处理可以大大改善其低温韧性，而使其最低使用温度降低到-196℃。

在这种热处理中，第一次淬火生成马氏体或者细微的贝氏体组织以后，再加热到高于A1，而低于A3。

相变点的温度二次淬火，最后在低于A1;的温度下回火。

9%Ni钢可靠添加合金元素以减低含碳量和P、S等有害杂质的含量而确保有良好的低温韧性。

通过二次正火（ASTMA353）或者淬火—回火热处理（ASTMA553），可以使9%Ni钢具有优越的高强度和高韧性综合性能，特别是经过620℃几秒钟回火后它可获得最高低温冲击韧性。

三、低温钢的性质

低温钢的性质涉及到许多方面，例如静态强度、疲劳强度、延性、低温韧性、耐蚀性……等等。

这里着重介绍一下低温钢的缺口韧性。

1、脆性破断的特点

跟大多数普通钢结构的延性破坏不同，低温钢结构的破坏形式主要是脆性破断。

脆性破断的特点是:

破坏通常在远低于屈服极限的应力状态下发生和发展，而且温度越低破坏越容易发生。

在破坏时不稳定的裂纹扩展速度在钢中可达1200一160m/sec，几乎相当于钢中声波传播速度的1/3。

脆性破断的发生和发展，主要受缺陷、应力和材质三个因素支配。

脆性破断的主要特征之一，就是它发生的前提是必须有会造成应力集中的相当于缺口的某种缺陷存在。

焊接裂缝、根部未焊透等缺陷都可能成为这样的脆性破断源。

应力的存在则是脆性破断发展的前提。

这时焊接残余应力等内应力常起着很大的作用，也使得减小设计应力不再是防止脆性破断的有效措施。

从材质方面来讲，韧性是支配脆性破断发生和发展的主要材料特性。

因此为了防止脆性破断，象焊缝熔合层脆化之类材质局部恶化问题应当予以足够重视。

2.非调质低温钢的缺口韧性

关于铁素体一珠光体钢的缺口韧性，应当考虑以下各种因素:

（1）铁素体晶粒的直径或者珠光体群体的直径;

（2）析出物的数量、形状及其分布;（3）固溶效应;（4）杂质与非金属夹杂物。

铁素体粒径的影响曾由Potch研究过，根据他的研究，晶粒越细脆断转变温度就越低。

Fetch理论的依据是聚集在铁素体晶粒内整个面上的位错生成了延性裂纹，在它发展到临界长度之前就不会转化成开口的裂纹。

进一步的观察研究则揭示，当有脆性的第二相，例如珠光体群体存在时，通常总是从它首先开裂，然后才扩展传播到跟它邻接的铁素体晶粒中去，最后导致破断。

因此必须充分注意珠光体群体直径对转变温度的影响。

图1是0.1%C钢在不同的Nl与Mn含量下，珠光体群体直径跟可以用来表征其低温韧性的达到一定动态临界COD（裂纹顶端张开位移）量时的温度之间的关系。

从图上可以看出，使铁素体—珠光体组织细化就可以得到良好的缺口韧性。

在正火钢中利用弥散相AlN与NbC抑制奥氏体晶粒的成长，从一定的高温控制好冷却速度使它冷却下来，常可得到细晶的铁素体—珠光体组织，从而使它获得良好的缺口韧性，这点在焊接施工上是很值得注意的。

关于固溶效应，则要注意两种因素:

第一是位错滑移方式随温度而变化的特性，也就是说，位错滑移的难易程度会由于添加了合金元素而发生变化。

第二是不同原子的相互固溶会改变晶格本身的脆性。

一般说来，形成奥氏体倾向较强的Ni、Mn等元素可以改善低温韧性，而形成铁素体倾向较强的SiCMP等元素则会导致脆性。

正象图2所示的那样，珠光体群体直径相同的情况下，Mn与Ni都可以明显地降低转变温度。

O与S等杂质常会以氧化物或硫化物的形式偏析在晶界上，它会严重地恶化钢材的缺口韧性。

图2就是氧使纯铁晶界脆化，从而使其缺口韧性大幅度降低的一个实例。

3.调质低温钢的缺口韧性

决定调质钢缺口韧性的因素有以下几方面:

（1）淬火组织，

（2）跟回火相伴随的回复、再结晶行为和析出物的生成和成长，（3）合金元素的固溶效应，（4）杂质与非金属类杂物。

其中后面两个方面的影响跟非调质钢的情况并没有什么不同，这里就不再赘述了。

实验证明，对于调质低温钢来讲，存在着某种最适宜的淬火冷却速度，在这样的冷却速度下可得到最优异的缺口韧性这种现象跟淬火状态的显微组织密切有关，这点可以用图3那样的模式图来加以解释。

当冷却速度很快时，所得到的组织是象图3（a）那样典型的低碳板条束状的马氏体，每一板条束的尺寸很大，从而使材料的韧性恶化了。

当冷却速度适宜（图3b）时，就会生成细微的贝氏体，由于它分割奥氏体的结果，使板条束的尺寸显著地变小了，因此在确保它有良好低温韧性的同时，还可获得充分的强度，倘若冷却速度小了，则会生成象图3（c）那样的铁素体。

浓集了碳原子的未变态奥氏体在低温时变态生成为高含碳量的岛状马氏体，使组织不均一，于是同样也会大大恶化它的低温韧性。

淬火后的调质钢，由于回火温度不同而对其机械性能有着很大的影响。

图4就是一个实际例子。

强度一般随着回火温度上升而单调地下降夕但在550℃左右可看到这种下降趋势有些变缓，这是由于随着Mo2C与V4C3的析出而发生了二次硬化的缘故。

但当回火温度超过600℃时强度就开始急剧降低。

从缺口韧性上来讲，200℃以下的回火温度可使它稍稍有所改善。

可是倘若在300一450℃的温度范围内进行回火，就会使脆断转变温度显著上升，低温韧性明显下降。

这样的韧性恶化是由于渗碳体在原来奥氏体晶界上析出而造成的，一般称之为低温回火脆化。

当回火温度继续提高时，转变温度就急剧下降，而在跟“二次硬化”相当的550℃左右也可看到存在韧性改善变得不太显著的现象。

回火脆性是由于含P、As、Sb等杂质的调质钢回火后从550一400℃温度开始慢慢冷却，或者由于再加热到这样的温度范围，而出现缺口韧性明显下降的现象。

它的特征是:

（1）只有含P、As、Sb、Sn等杂质（脆化元素）的钢材才会产生回火脆性。

（2）倘若这些脆化元素单独存在还不致于使钢材变脆，有Mn、Ni、Cr等脆化促进元素与之共存才会脆化。

（3）减低含碳量，或者添加Ti、Nb等强碳化物形成元素，使固溶的碳原子以Nbc、Tic形式固定下来，都会明显地抑制回火脆性。

（4）添加0.5%以下的Mo也可显著地降低回火脆性。

（5）脆化的温度范围是400一550℃。

（6）回火脆性是可以恢复的。

已脆化的材料重新加热到600℃以上，韧性就可再度复原。

（7）即使是在脆化温度范围内，延长加热时间也可以有使韧性复原的趋向。

（8）回火脆化在很大程度上决定于组织状态。

马氏体的脆化倾向最大，低温下生成的贝氏体次之，接下去则是较高温度下生成的贝氏体和铁素体一珠光体。

此外，对于同一组织来讲，晶粒越大，脆化的敏感性也越大。

（9）回火脆化的钢材会产生典型的晶间破坏。

对于这样的回火脆化，尽量减少磷等杂质以及在回火后尽可能缩短在脆化温度范围内的冷却时间，都是有效的对策。

为改善9%Ni钢的低温韧性而对之进行的调质处理，以及对5.5%Ni钢所进行的三段热处理，跟通常所谓的调质处理有所不同。

虽然这样热处理后达到的组织细化和回火效应是一样的，但是除此以外在回火时或者在三段热处理的第二次处理时会产生少量奥氏体，这点就跟一般调质处理不同了。

对9%Ni钢来讲，在稍高于A1点的温度下进行回火时可生成5一15%奥氏体，它可吸收掉对低温韧性有害的C、N等原子，这样也就会大大改善决定缺口韧性的铁素体的性质。

同时在生成的奥氏体中还会有Mn、Ni等奥氏体形成元素浓集，就更进一步稳定了奥氏体，于是在液氮温度（-196℃）下即使受到冲击载荷也不致于引发马氏体相变，因而也就不会产生对韧性不利的影响。

但是对5.5%Ni钢来讲，生成的奥氏体在低温下会转变为高碳马氏体，从而使韧性恶化，所以要在低于A1点的温度下进行回火，消除内部变形，以提高其韧性。

这里9%Ni钢的回火温度与5.5%Ni钢第二次处理的淬火温度，都应当要特别注意加以控制。

四、低温钢的可焊性

低温钢可焊性研究的主要着眼点是焊缝缺口韧性的改善和焊接裂纹的防止。

1、焊缝金属的材质变化

（1）熔化凝固与缺口韧性

由于焊缝金属是靠焊接热量而熔化的母材与焊接添加材料经过熔炼冶金反应而最终凝固起采的，所以其缺口韧性将受到钢的材质、焊接工艺、焊接材料和焊接热过程等许多因素的影响。

但是从金属学的角度看来，焊缝金属的缺口韧性，主要受结品粒度与组织、弥散微粒和品阵特性三个因素支配。

这些主要因素中组织和氧等杂质的影响特别重要。

实验已经证明，呈细晶粒状态铁素体组织的焊缝金属有很好的缺口韧性;但是呈粗大铁素体或者马氏体、贝氏体板条束状组织的焊缝金属，缺口韧性则很低。

多层熔敷焊缝的铁素体、马氏体与贝氏体组织跟单层熔敷的焊缝相比较，铁素体晶粒和板条束都要小一些，所以一般缺口韧性就比较好一些。

在这一方面，另一个具有决定性影响的因素是焊接时的热输入量。

正象图5所示的那样，热输入量越小，焊缝金属的低温冲击韧性就越高。

这点对于铝脱氧钢特别显著，主要是因为熔池温度