焊接小常識---與不銹鋼焊接相關的那些圖

1、焊接小常識 -與不銹鋼焊接相關的那些圖焊接小常識 -與不銹鋼焊接相關的那些圖！你能看懂幾 個？ 2016-10-16 老路 平衡相圖可用于描述不銹鋼的相 變和相的穩(wěn)定性。這里介紹 Fe-Cr 二元系和 Fe-Cr-C 和 Fe-Cr-C 三元系相圖。把這些相圖用于各種類型的不銹鋼可 以預測微觀組織的演變。然而這些相圖只能近似地預測焊縫 中形成的實際微觀組織，這是因為：不銹鋼母材和填充金 屬含有高達十種合金元素，標準的相圖很難與其相匹配； 相圖是基于平衡條件繪制的，而焊接時快速加熱和冷卻形成 了明顯的非平衡條件。經(jīng)典相圖的某些局限性已經(jīng)被克服，這是通過用大型計算程序以熱力學的知識來建立常 用合金

2、系的相圖來實現(xiàn)的。這些計算程序和得到的相圖的準 確性決定于其輸入數(shù)據(jù)的準確性，然而對于鐵基合金是可以 提供合格的精確度的。一、鐵-鉻系因為鉻是不銹鋼的主要合金元素，所以把圖 1 所示的鐵 -鉻系相圖作為討 論不銹鋼相平衡的起點。注意相圖中 Cr 在高溫時全部溶于 鐵中，所有 Fe-Cr 合金凝固時都生成鐵素體。而凝固溫度區(qū) 間很窄。對低鉻含量的合金在 9121394 C 溫度區(qū)間形成 一個奧氏體區(qū)，通常被稱為y相回線。鉻的質(zhì)量分數(shù)高于12.7 % 的合金在高溫時全是鐵素體， 而鉻的質(zhì)量分數(shù)低于 12.7的 合金在這個y相回線溫度范圍內(nèi)多多少少要形成一些奧氏體。而鉻的質(zhì)量分數(shù)低于 12 的合金在

3、此回線的溫度范圍內(nèi)將 是全奧氏體組織，形成的奧氏體在快速冷卻時可轉變成馬氏 體。在Fe-Cr系中存在一種稱為 c相的低溫平衡相，這種相 是具有（Fe , Cr ）化學配比的四方晶體。c 相在w （Cr）超 過20 %的合金中形成得最快，但是由于c相是在低溫下形成的，其形成的動力學過程十分遲緩，在600800 C溫度范圍內(nèi)析出需要較長時間。因為c相是一種既硬又脆的相，在不銹鋼中經(jīng)常不希望其存在。圖 1 Fe-Cr 平衡相圖（引 自金屬手冊，原始出處為 Hansen ，由 McGraw-Hill 授權。） 在Fe-Cr相圖中，在c+a相區(qū)里有一條475C的水平虛線， 在此溫度下，由于在 a母體中形

4、成了一種共格的富鉻析出物 而使合金脆化，被稱為475C脆化。這種析出物被稱為 a相， a相實際上是在400540 C溫度范圍內(nèi)形成的，在鉻的質(zhì)量 分數(shù)高于14 %的合金中具有嚴重的脆化效應。a相的形成也很緩慢，加入合金元素會加速其形成。二、鐵 -鉻-碳系把碳加入鐵 -鉻系，顯著改變了平衡相圖使其復雜化。由于碳是奧氏體形成元素，它使Y相回線區(qū)擴大，即在鉻含量高得多的成分下仍使奧氏體在高溫區(qū)保持穩(wěn)定。圖 2 示出了碳對擴大奧氏體相區(qū)的影響，請注意即使很少的碳 含量，也可使 y相回線區(qū)顯著地擴大，這對于開發(fā)馬氏體鋼 很重要，因為要在冷卻時形成馬氏體，則在高溫時鋼必須是 奧氏體。而對于鐵素體類鋼，Y

5、相回線面積必須予以控制，使得高溫時沒有或者只有很少奧氏體存在。圖 2 碳對奧氏 體相區(qū)擴張的影響(引自 Baerlacken 等) 為了可 以觀察 Fe-Cr-C 三元系隨溫度的變化， 需要把其中一個成分 設為固定值，用這種方法可以建立一種偽二元相圖或者叫等 成分面。這種相圖之所以稱為偽二元相圖是因為它只示出了 一個三維系統(tǒng)中的二維投影，因此它不能像二維相圖那樣使 用。例如在偽二元相圖中相界線之間的連接線就不能用來預 測相的平衡組分，因為這種相圖還有“深度”(即連接線不一 定就在偽二元相圖所在的平面上) 。然而它們在理解三元系 中相的轉變和平衡方面是很有用的。 圖 3 示出了 Fe-Cr-C

6、三 元系中w (Cr) = 13%和17 %的兩個合金系的 Fe-C偽二元 相圖。這些相圖比簡單的 Fe-Cr 相圖要復雜得多，這主要是因為加入了碳元素和出現(xiàn)了附加的二相和三相區(qū)， 由于加了碳，在相圖中還出現(xiàn)了兩種不同的碳化物( Cr，F(xiàn)e)23C6 和(Cr, Fe) 7C3。圖3 Fe-Cr-C 偽二元相圖a) w(Cr) = 13 % b) w (Cr) = 17 % C1 (Cr, Fe) 23C6碳化物 C2 ( Cr，F(xiàn)e)7C3 碳化物(引自 Castro 和 Tricot ) 對于鉻含量低的鐵素體和馬氏體不銹鋼，w (Cr)= 13 %的偽二元相圖可以用來解釋相的穩(wěn)定和微觀組織

7、。在碳含量很 低時w (C)低于0.1 %,這種三元合金在高溫時是完全 的鐵素體組織，如果冷卻速度足夠快，則合金會把初始鐵素 體保留下來。對于 w (Cr)= 13 %的相圖，這就是形成低鉻鐵素體不銹鋼如 409 型鋼的基礎。 當碳的質(zhì)量分數(shù) 高于 0.1 時，在高溫時將形成奧氏體，在剛剛低于固相線 的溫度范圍內(nèi)是奧氏體和鐵素體的混合組織，在冷卻到低于 1200 C時組織變成全奧氏體。隨后當冷速足夠快時會轉變?yōu)轳R氏體，這就是低鉻馬氏體不銹鋼如 410 型鋼形成的基礎。 在碳的質(zhì)量分數(shù)較低 （0.05 ） 的鋼中， 高溫時可以出現(xiàn)奧 氏體和鐵素體混合組織，從而在快速冷卻時得到含有鐵素體 和馬氏體

8、的混合組織，由于這種組織的力學性能較差，所以 是不希望得到的。 在高鉻含量的 Fe-Cr-C 系合金中， 由圖3b w （Cr） = 17%的偽二元相圖中可以看到鐵素體相 區(qū)擴大，奧氏體相區(qū)縮小。這是由于鐵素體形成元素鉻的作 用。這時在高溫形成的鐵素體就更為穩(wěn)定，而要形成高溫奧 氏體就必須含有更多的碳。這就是形成中鉻鐵素體鋼如430型鋼和中鉻、高碳馬氏體鋼如 440 型鋼的基礎。三、鐵-鉻-鎳系把 Ni 加入 Fe-Cr 系也使奧氏體相區(qū)擴大并使奧氏體在室溫時仍為穩(wěn)定相。這種三元系是奧氏體不銹 鋼和雙相不銹鋼的基礎。 可以畫出 Fe-Cr-Ni 系的液相面和固 相面的投影圖（圖 4）并可用來描

9、述這個系中合金的凝固行 為。以觀察凝固開始的液相面和凝固結束的固相面來對此進 行分析。圖 4 Fe-Cr-Ni 三元系中的液相面和固相面的投影 圖a） 液相面 b） 固相面（引自金屬手冊，由ASM 國際授權）液相面在圖 4a 上顯示了一條從相圖三角形靠近富 Fe 角的點出發(fā)到 Cr-Ni 邊的粗黑曲線。這條曲 線把凝固成鐵素體初始析出相的成分和凝固成奧氏體初始 析出相的成分區(qū)分開來。 在接近 48Cr-44Ni-8Fe 的成分點形 成了一個三元共晶點。 固相面在圖 4b 上顯示了兩 條從靠近富鐵角的點出發(fā)到 Cr-Ni 邊的粗黑曲線，在兩條線 之間略高于固相面的溫度奧氏體和鐵素體與液相共存，而

10、在 略低于固相面的溫度只是奧氏體和鐵素體共存。兩條粗黑線 之間的這個區(qū)域把低于固相面的鐵素體和奧氏體的單相區(qū) 隔開。請注意這兩條曲線終止于三元共晶點。線上的箭頭表 示溫度下降的方向。 在三元相圖中自液相面到室溫 取一個 Fe 含量固定的截面就可以得到一個 Fe-Cr-Ni 系的偽 二元相圖。以等溫三元截面為基礎建立了w ( Fe) = 70 %和w ( Fe) = 60 %的兩張偽二元相圖，并畫在圖5中。因為這是一個三元系，每一個相區(qū)都是三維的，從而得到了在標準 二元相圖中不會出現(xiàn)的三相共存區(qū)。圖 5 Fe-Cr-Ni 三元系 中的偽二元相圖a)w ( Fe) = 70 % b) w ( Fe

11、) =60%(引自Lippold和Savage，美國焊接學會授權) 請注意圖5中固相線和液相線之間的小三角區(qū)，這就是奧氏 體鐵素體液相的三相區(qū)，這個區(qū)把凝固成奧氏體的合金 (左側) 和凝固成鐵素體的合金(右側)隔開。鉻的質(zhì)量 分數(shù)大于 20%的合金在高溫固相區(qū)其鐵素體是穩(wěn)定的， 當溫 度下降時，在Cr的質(zhì)量分數(shù)為20 %25 %的合金中部分鐵素體要轉變?yōu)閵W氏體。凝固成奧氏體的合金（小三角三相 區(qū)左面的合金）在冷卻時奧氏體保持不變直至室溫。而成分緊靠小三角三相區(qū)右側邊界，凝固成鐵素體的合金，冷卻 時必然要經(jīng)過奧氏體鐵素體兩相區(qū)，結果有部分鐵素體轉變?yōu)閵W氏體。而隨著成分離小三角右邊界越遠（高 Cr

12、 / Ni 比值），鐵素體就變得越穩(wěn)定，直到最后在每張相圖的右側， 就只存在全鐵素體的組織。這些相圖可用來解釋奧氏體不銹 鋼和雙相不銹鋼的相變和微觀組織演變。四、特殊合金系的相圖目前有很多軟件包可以基于熱力學數(shù)據(jù)來建立特殊合金系的相圖。這些軟件包考慮了多種元素 的相互作用，從而建立從熔點到室溫范圍的相平衡圖。ThermoCalc是用得最廣泛的軟件包之一。像ThermoCalc這樣的軟件程序對于預測不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)組織的演 變是很有用的，但是必須認識到由其產(chǎn)生的相圖是表示平衡 狀態(tài)，而在焊接過程中，由于快速加熱和冷卻，平衡經(jīng)常是 達不到的。圖6示出了一個用 ThermoCalc開發(fā)的相圖的例

13、子。它代表了基本合金成分（質(zhì)量分數(shù)）為12Cr=0.5MO-0.5Si-0.1C的典型410型馬氏體不銹鋼的相圖。這個圖的成分軸上 Ni的質(zhì)量分數(shù)由0%變化到5%。在確定 Ni含量如何影響各個相區(qū)，特別是對確定Ni加入量如何影響這種合金的焊縫及熱影響區(qū)中鐵素體含量方面這種相圖 是很有用的。例如在圖6中比較w （Ni ）= 0.3 %的合金A和w（Ni）= 2.0 %的合金B(yǎng),可以發(fā)現(xiàn)對于合金B(yǎng)在 1400 C 附近不存在鐵素體單相區(qū)，而隨Ni含量增加a + 丫雙相區(qū)的溫度范圍變得越來越窄。這些數(shù)據(jù)也可以用來建立圖 7 所示 的以摩爾分數(shù)表示的相組分隨溫度的變化圖。用這樣的方法 可以方便地評價母

14、材和填充金屬成分對相穩(wěn)定性的作用，并 可預測焊接和熱處理過程中微觀組織的演變。 圖 6 w（ Cr） =12 %的馬氏體不銹鋼的 ThermoCalc相圖圖中顯示添加 Ni 的影響（由俄亥俄州立大學 Antonio Ramirez 授權， 2002 ） 圖 7 圖 6 中 w （Cr ）= 12 %的鋼中，w （Ni ）= 0.3 %時， 其相組分（摩爾分數(shù)）隨溫度的變化（由俄亥俄州立大學 Antonio Ramirez 授權）圖 8 給出了另外一個例子，這是以氮作為成分變量由計算得到的雙相不銹鋼 2205 的相圖。一個典型的氮的質(zhì)量分數(shù)是0.15%，圖上以一根垂直虛線表示。由圖可知即使在高溫

15、，合金也不能得到 全鐵素體組織，而微觀組織中總有一些奧氏體存在，這就可 以有效地減少在焊接熱影響區(qū)鐵素體的長大。圖中也示出了 碳化物（M23C6 ）,氮化物（Cr2N ）和c相在熱力學上穩(wěn)定 的相區(qū)。圖 8 顯示氮作用的雙相不銹鋼 2205 的ThermoCalc 相圖（引自 Ramirez ）和圖 7 相似，圖 9可以預測在給定氮的質(zhì)量分數(shù)為 0.15%時各個相的體積 分數(shù)隨溫度的變化。和圖 7 不同的是這里用了體積分數(shù)而不 是摩爾分數(shù)。為了使圖更為清晰，圖中沒有畫出碳化物和氮化物相，這是因為它們的含量很低。這種相圖對在給定溫度下確定每種相存在的數(shù)量是很有用的，比如在1375 C附近微觀組織

16、中含有大約 95 的鐵素體和 5 的奧氏體。圖 9 雙相不銹鋼2205 : w ( N) = 0.15 %中各種相的體積分數(shù) 隨溫度的變化(引自 Ramirez 等)請注意圖 9指出：在低于大約900C 的溫度時，c相是一種平衡相。盡管在 鐵-鉻系合金中c相形成得很緩慢，但在 Fe-Cr-Ni系含鐵素 體的不銹鋼中，特別是在 Cr、Mo含量較高、在大約 700 C 時c相的形成要快得多。 雙相鋼的這種特性加上鐵素體含量 又高，使其對形成 c相而產(chǎn)生的脆化很敏感。為了避免由鐵 素體形成c相，要求在大致為900500 C的溫度范圍內(nèi)快 速冷卻。雙相鋼的這種特性也使其高溫加工包括焊后熱處理 受到限制。以上知識點來來源于點擊圖片購買內(nèi)容簡介： 本書介紹了國際上不銹鋼焊接冶金學及焊接性方面 的最新進展。以不銹鋼的成分和相組成圖的開發(fā)和演變?yōu)榛?礎，詳細闡述了馬氏體、鐵素體、奧氏體、雙相組織和析出 硬化組織等五種不同顯微組織的不銹鋼合金系的焊接冶金 和焊接性問題。有些章節(jié)還舉出了實例研究，這就讓讀者看 到如何把書中敘述的概念用于現(xiàn)實的焊接問題。還專門安排 了一章討論不銹鋼的異種金屬焊接。最后介紹了焊接性的