技能培訓(xùn)專題 焊接冶金原理課件 06熱影響區(qū)的組織與性能4

1、6.1焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)6.2焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變6.3焊接熱影響區(qū)的性能焊接熱影響區(qū)的性能6.4焊接熱焊接熱/力物理模擬技術(shù)力物理模擬技術(shù)第六章第六章 熱影響區(qū)的組織與性能熱影響區(qū)的組織與性能6.3.3 焊接熱影響區(qū)的耐蝕性焊接熱影響區(qū)的耐蝕性1、不銹鋼及耐熱鋼的類型、不銹鋼及耐熱鋼的類型1）定義問題）定義問題原義型原義型僅指在無污染的大氣環(huán)境中能夠不生銹的鋼；僅指在無污染的大氣環(huán)境中能夠不生銹的鋼；習(xí)慣型習(xí)慣型指原義型含義不銹鋼與能耐酸腐蝕的耐酸不銹鋼的統(tǒng)稱；指原義型含義不銹鋼與能耐酸腐蝕的耐酸不銹鋼的統(tǒng)稱；廣義型廣義型泛指耐蝕和耐熱鋼，統(tǒng)

2、稱為不銹鋼。泛指耐蝕和耐熱鋼，統(tǒng)稱為不銹鋼。 主要成分為主要成分為Cr和和Ni，一般，一般Cr含量不低于含量不低于12%在大氣中不生銹，在大氣中不生銹，含含Cr量不低于量不低于17%可耐酸腐蝕，增加可耐酸腐蝕，增加Ni含量或再提高含量或再提高Cr含量，耐腐含量，耐腐蝕性或耐熱性均可提高。本章涉及的是高合金鋼，屬蝕性或耐熱性均可提高。本章涉及的是高合金鋼，屬Cr系和系和Cr-Ni系系鐵基合金，包括少數(shù)鐵基合金，包括少數(shù)Cr-Mn-N系節(jié)系節(jié)Ni不銹鋼，一般，不銹鋼，一般，Ni不高于不高于35%，Cr不低于不低于12%。2）分）分類類 按空冷后室溫組織來分類，是最古老、又是至今應(yīng)用最廣的最基本按空

3、冷后室溫組織來分類，是最古老、又是至今應(yīng)用最廣的最基本分類方法：分類方法： 奧氏體鋼奧氏體鋼應(yīng)用最廣，以高應(yīng)用最廣，以高Cr-Ni剛最為典型，如剛最為典型，如Cr18Ni8系列系列（18-8型）和型）和Cr25Ni20系列（系列（25-20型）等；型）等； 鐵素體鋼鐵素體鋼含含Cr為為17%30%的高的高Cr鋼。主要用作耐熱鋼，也可作鋼。主要用作耐熱鋼，也可作為耐蝕鋼，如為耐蝕鋼，如1Cr17、1Cr25Si2等，通常以退火狀態(tài)供貨；等，通常以退火狀態(tài)供貨； 馬氏體鋼馬氏體鋼以以Cr13系列最為典型，如系列最為典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17Ni12，常用作

4、不銹鋼；以，常用作不銹鋼；以Cr12為基的為基的1Cr12MoWV，用作熱強(qiáng)鋼。熱處理對馬氏體鋼影響很大，需要規(guī)定供貨狀態(tài)（退用作熱強(qiáng)鋼。熱處理對馬氏體鋼影響很大，需要規(guī)定供貨狀態(tài)（退貨和淬火）；貨和淬火）； 沉淀硬化鋼沉淀硬化鋼均為經(jīng)時效強(qiáng)化處理以形成析出硬化相的高強(qiáng)鋼，均為經(jīng)時效強(qiáng)化處理以形成析出硬化相的高強(qiáng)鋼，主要用作高強(qiáng)度不銹鋼，最典型的有馬氏體沉淀硬化鋼，如主要用作高強(qiáng)度不銹鋼，最典型的有馬氏體沉淀硬化鋼，如0Cr17Ni4Cu4Nb，簡稱，簡稱17-4PH；半奧氏體（奧氏體；半奧氏體（奧氏體+馬氏體）沉馬氏體）沉淀強(qiáng)化鋼，如淀強(qiáng)化鋼，如0Cr17Ni7Al，簡稱，簡稱17-7PH；

5、 鐵素體鐵素體-奧氏體雙相鋼奧氏體雙相鋼鐵素體鐵素體60%40%，奧氏體，奧氏體40%60%，具有極其優(yōu)異的抗腐蝕性能，典型的有具有極其優(yōu)異的抗腐蝕性能，典型的有18-5型、型、22-5型、型、25-5型型等，與等，與18-8鋼相比，提高鋼相比，提高Cr而降低而降低Ni，同時常添加，同時常添加Mo和和N，通常，通常固溶處理態(tài)供貨。固溶處理態(tài)供貨。2、不銹鋼焊接熱影響區(qū)的耐蝕性、不銹鋼焊接熱影響區(qū)的耐蝕性1）不銹鋼晶）不銹鋼晶間腐間腐蝕機(jī)理蝕機(jī)理 在晶粒邊界附近發(fā)生有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼晶間腐蝕多半與在晶粒邊界附近發(fā)生有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼晶間腐蝕多半與晶界晶界“貧鉻貧鉻”現(xiàn)象有關(guān)?，F(xiàn)象

6、有關(guān)。“貧鉻貧鉻”理論：在晶界處形成理論：在晶界處形成Cr23C6化合物，導(dǎo)致晶界化合物，導(dǎo)致晶界Cr含量低于含量低于12%。晶間鉻的碳化物析出（a）透射電子顯微鏡照片；（b）沿晶界鉻元素的分布敏化奧氏體不銹鋼中晶界微觀組織模型304不銹鋼中Cr23C6的等溫析出曲線304不銹鋼中Cr23C6和TiC的溶解曲線解決措施：解決措施：n固溶處理；固溶處理；n適當(dāng)提高鋼中鐵素體化元素（適當(dāng)提高鋼中鐵素體化元素（Cr、Mo、Nb、Ti、Si等）同時降奧等）同時降奧氏體化元素（氏體化元素（Ni、C、N）；）；n含有一定數(shù)量的含有一定數(shù)量的鐵素體。鐵素體。2）不銹鋼接頭晶間腐蝕問題）不銹鋼接頭晶間腐蝕問題

7、18-8不銹鋼焊接接頭可能出現(xiàn)晶間腐蝕的部位2-焊縫區(qū)，1-HAZ敏化區(qū)，3-熔合區(qū) 腐蝕類型主要包括晶間腐蝕、點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕三種，點(diǎn)蝕問題主要發(fā)生在焊縫的未混合區(qū)，焊縫中心也有一定的點(diǎn)蝕傾向，一般可以采用超合金化的方法解決；而應(yīng)力腐蝕問題將在焊接裂紋一章中闡述。熱影響區(qū)晶間腐蝕類型：熱影響區(qū)晶間腐蝕類型：奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼穩(wěn)定化處理不銹鋼穩(wěn)定化處理不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕熱影響區(qū)敏化腐蝕熔合區(qū)刀口腐蝕熔合區(qū)刀口腐蝕位置：位置：敏化區(qū)腐蝕不是在緊鄰熔化邊界處發(fā)生，即不是發(fā)生于焊接峰值溫度最高的熔化邊界上。而是發(fā)生在距離其一定距離處，此處峰值溫度較低。奧氏體不銹鋼熱影

8、響區(qū)敏化腐蝕奧氏體不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕所謂HAZ敏化區(qū)晶間腐蝕，指的是焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化加熱區(qū)間的部位（故稱敏化區(qū)）所發(fā)生的晶間腐蝕。溫度區(qū)間：溫度區(qū)間：對于含碳量為0.1%的18-8鋼熱影響區(qū)，發(fā)生敏化區(qū)間并非平衡加熱時450850，而是有一個過熱度，可達(dá)6001000。不銹鋼焊接熱影響區(qū)敏化示意圖(a)相圖，(b)熱循環(huán)，(c)析出曲線，(d)微觀組織特征解決措施解決措施焊后熱處理焊后熱處理 在焊接之后對不銹鋼焊件進(jìn)行10001100之間的后熱處理，隨后淬火。降低含碳量降低含碳量使用低碳不銹鋼如304L和316L不銹鋼，碳含量應(yīng)低于0.0035%在腐蝕介質(zhì)草酸作用下316

9、和316L不銹鋼晶間腐蝕行為添加強(qiáng)碳化物形成元素添加強(qiáng)碳化物形成元素添加與C的結(jié)合力比Cr更強(qiáng)的元素，如Ti和Nb等，通過形成這些元素的碳化物，而實(shí)現(xiàn)不銹鋼焊接敏化區(qū)腐蝕問題的控制。抗敏化區(qū)腐蝕更強(qiáng)的321和347不銹鋼本質(zhì)上與304不銹鋼相同，其差別僅僅是這兩種不銹鋼中分別添加了Ti和Nb。兩種奧氏體不銹鋼焊縫腐蝕傾向比較(a) 304不銹鋼中有敏化腐蝕，(b) 在321不銹鋼中無敏化腐蝕采用高速焊接減小敏化區(qū)停留時間采用高速焊接減小敏化區(qū)停留時間電弧焊與激光焊熱影響區(qū)附近熱循環(huán)比較（實(shí)際測量）a)電弧焊，b)激光焊特點(diǎn)：特點(diǎn)：奧氏體不銹鋼剛好相反，由于高的敏化溫度范圍，鐵素體的敏化區(qū)腐蝕發(fā)

10、生在靠近焊縫金屬的熱影響區(qū)處。鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕產(chǎn)生條件：產(chǎn)生條件：溫度在925以上消除處理：消除處理：650815溫度范圍的1060min的退火處理奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼于1065固溶處理后TTS曲線示意圖a) 奧氏體不銹鋼，b）鐵素體不銹鋼機(jī)理：機(jī)理：C和Cr在鐵素體不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)高于奧氏體不銹鋼，當(dāng)溫度冷卻至427-927時，碳化物迅速析出Cr在低溫下的擴(kuò)散速度比較慢，沉淀物消耗的鉻元素不能得到很好的補(bǔ)充，在晶界形成貧鉻區(qū)。防止措施：防止措施： 650815溫度范圍的焊后退火、中添加Ti或Nb穩(wěn)定化處理：穩(wěn)定化處理：為避免碳與鉻形成高鉻碳化物

11、，在奧氏體鋼中加入穩(wěn)定化元素(如Ti和Nb)，在加熱到875以上溫度時，能形成穩(wěn)定的碳化物(由于Ti和Nb能優(yōu)先與碳結(jié)合，形成TiC或NbC)，大大降低了奧氏體中固溶碳的濃度(含量)，從而起到了犧Ti和Nb保Cr的目的。穩(wěn)定化不銹鋼刀口腐蝕盡管著些穩(wěn)定化等級的奧氏體不銹鋼如321和347不易發(fā)生敏化區(qū)腐蝕，但易于發(fā)生另一種類型的晶間腐蝕，被稱為刀口腐蝕刀口腐蝕，有時又稱刀狀腐蝕刀狀腐蝕。對于一般的電弧焊，刀口腐蝕區(qū)寬度初期不超過35個晶粒，逐步擴(kuò)展到1.01.5mm。熔合區(qū)刀口腐蝕熔合區(qū)刀口腐蝕穩(wěn)定化不銹鋼刀口腐蝕機(jī)理：機(jī)理：在穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼中的刀口腐蝕主要與穩(wěn)定化元素的碳化物與鉻的碳化物

12、溶解和析出溫度不一致有關(guān)。例如，Cr23C6的析出溫度大約為600850，而TiC的析出溫度大約為8501000。特點(diǎn)：特點(diǎn)：刀口腐蝕發(fā)生在緊鄰敏化區(qū)腐蝕的狹窄區(qū)域；刀口腐蝕發(fā)生在穩(wěn)定化（奧氏體）不銹鋼中。焊后熱處理。焊后重新進(jìn)行了穩(wěn)定化處理使用低碳不銹鋼調(diào)整焊接工藝防止措施防止措施穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼雙道焊接a) 刀口腐蝕裂紋，b）無裂紋添加稀土金屬元素 在穩(wěn)定極不銹鋼中添加鑭和鈰等稀土金屬元素能夠減小其刀口腐蝕傾向。添加稀土金屬對347不銹鋼刀狀裂紋敏感性的影響添加稀土元素對不銹鋼熔化邊界附近的透射電子顯微鏡照片a) 為添加稀土元素，b）添加稀土元素6.4焊接熱焊接熱/力物理模擬技術(shù)力物理模

13、擬技術(shù) 焊接熱/力物理模擬技術(shù)的實(shí)質(zhì)是采用試驗(yàn)的方法研究焊接熱影響區(qū)的某一特征組織區(qū)域方法，以方便評估該區(qū)域的力學(xué)性能6.4.1焊接熱模擬試驗(yàn)的原理與設(shè)備焊接熱模擬試驗(yàn)的原理與設(shè)備 焊接熱模擬試驗(yàn)技術(shù)是利用特定的裝置在試樣的大部分區(qū)域上產(chǎn)生與實(shí)際焊接時相同或相近的熱循環(huán)，使得試樣的金相組織與所需研究的熱影響區(qū)特定部位的組織相同或相近，但這一組織區(qū)域大小比實(shí)際焊接接頭熱影響區(qū)要放大很多倍。也就是說在模擬試樣上有一個相當(dāng)大的范圍獲得這一特定部位的均勻組織，從而可以制備足夠尺寸的試樣，對其進(jìn)行各種性能的定量測試。電阻加熱式熱模擬試驗(yàn)機(jī)示意圖高頻感應(yīng)加熱式熱模擬試驗(yàn)機(jī)示意圖Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)包括加熱系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。1）加熱系統(tǒng)）加熱系統(tǒng) Gleeble3500的電阻加熱系統(tǒng)能以10000/s的速度加熱試樣，或保持不變的穩(wěn)態(tài)溫度。同時具有很高的冷卻速度，可以淬火。2）機(jī)械系統(tǒng)）機(jī)械系統(tǒng) Gleeble 3500的機(jī)械系統(tǒng)是一個具有10噸靜態(tài)拉伸/壓縮力的全集成液壓伺服控制系統(tǒng)。最快可以達(dá)到1000mm/s的移動速度。3）控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng) Gleeble 3500系統(tǒng)的核心是型數(shù)字控制系統(tǒng)。設(shè)備通過它來實(shí)現(xiàn)熱-力伺服系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)字控制，同時提供了所有控制熱和機(jī)械測試所必需的信號。必須給出焊接熱循環(huán)的三個基本參數(shù)：不同溫度的