不锈钢焊接冶金学及焊接性

不锈钢焊接冶金学及焊接性
第1章引言
本书涉及到目前可以用作工程材料的广泛范围的不锈钢系列。

这个系列包括各类不锈钢，按微观组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢（奥氏体和铁素体）。

1.1不锈钢的定义
不锈钢是一类Fe-C、Fe-C-Cr和Fe-Cr-Ni为合金系的高合金钢。

作为一类不锈的钢必须含有质量分数不低于10.5%的铬。

含有这个最低含量的钢在其表面可以形成一个惰性氧化层，这个惰性氧化层可以保护内层的金属在不含腐蚀介质的空气中不被氧化和腐蚀。

某些铬的质量分数低于11%的钢，比如用于电站的w （Cr）=9%铬合金的钢有时也被划为不锈钢。

另外某些铬的质量分数w（Cr）=12%的钢，甚至更高铬含量的钢，暴露在空气中也会生锈。

这是因为某些铬被结合为碳化物或其他化合物而降低了母材中的铬含量，使其低于形成连续氧化物保护层所必需的铬含量水平。

不锈钢的腐蚀有多种形式，包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀。

腐蚀的形式受腐蚀环境、材料的冶金状态和局部应力的影响。

工程师和设计师在选择用于腐蚀条件下的不锈钢时，必须充分了解结构的腐蚀环境和制造过程对材料冶金行为的重要影响。

即使在高温下，不锈钢也有好的抗氧化性，因而也常常被称为耐热钢。

高温抗氧化性也是含有铬成分的一个主要功能，某些高铬合金钢（w（Cr）=25%～30%）能用于1000℃的高温。

另外一种耐热性是指高温防渗碳，为了具有这种耐热性，开发了含有中等含量的铬[w(Cr=16%)]和镍含量很高[w(Ni)=35%]的一类不锈钢。

1.2不锈钢的发展史
1.3不锈钢的种类及其应用
紧接着碳钢和C-Mn钢，不锈钢是最广泛应用的钢种。

和其他材料以成分来分类有所不同，不锈钢的分类是基于其冶金学上起主导作用的相成分。

在不锈钢中三种可能的相成分是马氏体、铁素体和奥氏体。

双相钢含有近似50%的奥氏体和50%的铁素体，从而得益于这两种相所期望的性能。

析出硬化（PH）类钢因形成强化析出相并由时效热处理硬化而得名。

PH不锈钢又进而由在其中形成析出相的母相或基体被分为：马氏体类、半奥氏体类和奥氏体类。

美国钢铁研究院（AISI）用三个数字，有时附加一个字母的系列来标识不锈钢，例如304，304L，410和413等。

磁性也可以用来鉴别某些不锈钢。

奥氏体类不锈钢本质上是非磁性的。

少量参与铁素体或冷加工可能引起轻微的铁磁性，但其磁性明显的低于磁性材料。

铁素体和马氏体类不锈钢是铁磁性的。

双相钢由于有较高的铁素体含量，而有相对较强的磁性。

对于不同类型的不锈钢，其物理性能如导热性、热膨胀性和力学性能可以变化很大并影响其焊接性。

例如奥氏体不锈钢导热性差而线胀系数高，因而焊接时引起的变形大于其他类型（主要是铁素体和马氏体钢种）。

1.4不锈钢的耐蚀性能
大多数情况下选用不锈钢是因其有较高的耐腐蚀性和耐热性。

由于形成惰性的富铬氧化物层，不锈钢本身能够避免困扰碳-锰结构钢和低合金结构钢的一般性腐蚀问题。

然而不锈钢可能遭受其他情况下的腐蚀，因而必须从工作环境考虑对其精心选择和应用。

本书只对可用于不锈钢焊件的腐蚀机理做一般性的小结。

在不锈钢中发生的两种局部性腐蚀是点蚀和缝隙腐蚀。

从机理上看两种腐蚀是相似的，都引起严重的局部侵蚀。

从点蚀的名词可以看出其是由于惰性膜局部被损而造成的，并且总和某些冶金学上的特殊区域，如晶界、金属间化合物组分等有关。

一旦惰性层破裂，层下面的金属受到腐蚀而在表面形成小点穴，随后点穴中的溶液化学成分发生变化使侵蚀性（即酸性）不断增强而导致很快的表面下侵蚀和相邻腐蚀穴的连接，最终导致构件的破坏。

由于点蚀只有很小的针眼暴露在表面，因此可以很隐蔽。

缝隙腐蚀从机理上看很相似，但其产生不再需要存在某些冶金上的特殊区域，而从“缝隙”这个名词上可以看到本来就有一个四周围着的空间存在，在其中化学溶液成分发生和点蚀类似的变化。

缝隙腐蚀普遍在螺栓连接结构中发生，此时螺栓头和被栓接的表面提供了这种缝隙。

点蚀和缝隙腐蚀都容易在含有氯化
物离子的溶液（如海水）中发生。

焊接可能产生某些能加速点蚀的微观组织或形成缝隙（未焊透、夹渣等）而加速局部的腐蚀。

焊接中形成的氧化物如不能清除也会减弱在某些介质中的耐腐蚀能力。

在所有不锈钢焊件腐蚀机制中最严重的，也是很多文章和综述描述的主题就是晶间侵蚀（IGA）和与其相关的称为晶间应力腐蚀裂纹（IGSCC）的现象。

这种形式的侵蚀在奥氏体钢焊接热影响区中最为普遍。

它起源于一种称之为“敏化”的一种冶金状态。

这是由于在晶界形成富铬的析出物，使其附近的区域贫铬，当其铬的质量分数下降到低于12%时就会使组织对腐蚀性侵蚀敏感而产生“敏化”。

相似的现象也会在铁素体不锈钢的热影响区中发生。

这个腐蚀机制将在阐述这些合金钢的章节中予以详细介绍。

穿晶应力腐蚀裂纹（TGSCC）也是一个严重的问题，特别是对于常用的奥氏体不锈钢如304L和316L。

穿晶SCC这个名词意味着和晶界关系不大或者无关。

这种裂纹在每个晶粒中沿原子面扩展，从一个晶粒扩展到另一个晶粒时经常改变其方向而发生分叉。

残余应力和外加应力，加上有氯离子的存在会加速这种裂纹的产生。

1.5 不锈钢的生产
不锈钢可以制成各种各样的形状和尺寸，而这种合金钢用于商业的形态几乎是无限的。

某些合金钢如铁素体类不锈钢和双相不锈钢在成形上有一定的限制，但就整体而言几乎任何可以想象的形状都可以通过铸造、热加工和冷加工等各种工艺生产出来。

上世纪70年代初期，由于引进了氩-氧脱碳（AOD）和真空-氧脱碳（VOD）工艺而使不锈钢的熔炼产生了革命性的变化。

在电弧炉中进行预熔炼，然后把熔融的钢液转入精炼罐，此时熔融钢液可以含质量分数为1.5%-2%的碳。

在AOD 过程中将氩和氧的混合气吹入熔融的钢液中，氧和碳形成一氧化碳而从钢液中溢出。

控制氩氧混合气的吹入量以达到要求的碳含量。

而VOD过程也相似，只是不需要氩气作为载体
第2章相图
2.1铁-铬系
铬在高温时全部溶于铁中，所有Fe-Cr合金凝固时都生成铁素体。

而凝固温度区间很窄。

对于低铬含量的合金在912℃～1394℃温度区间形成一个奥氏体区，通常被称为γ相回线。

铬的质量分数高于12.7%的合金在高温是全铁素体，而铬的质量分数低于12.7%的合金在这个γ相回线温度范围内多多少少要形成一些奥氏体。

而铬的质量分数低于12%的合金在此回线温度的温度范围内将全是奥氏体组织，形成的奥氏体在快速冷却时可转变成马氏体。

在Fe-Cr系中存在一种称为σ相的低温平衡相，这种相具有（Fe，Cr）化学配比的四方晶体。

σ相在w（Cr）超过20%的合金中形成的最快，但由于σ相在低温下形成，其形成的动力学过程十分迟缓，在600～800℃温度范围内析出需要较长时间。

因为σ相是一种既硬又脆的相，在不锈钢中经常不希望其存在。

在Fe-Cr相图中，在σ+α相区里有一条475℃的水平虚线，在此温度下，
由于在α母体中形成了一种共格的富铬析出物而使合金脆化，被称为475℃脆化。

这中析出物被称为α’相，α’相实际是在400～540℃温度范围内形成的，在铬的质量分数高于14%的合金中具有严重的脆化效应。

α’相的形成也很缓慢，加入合金元素会加速其形成。

2.2 铁-铬-碳系
碳是奥氏体形成元素，它使γ相回线区扩大，即在铬含量高得多的成分下仍使奥氏体在高温区保持稳定。

图2-2示出了碳对扩大奥氏体相区的影响，请注意即使很少的碳含量，也可使γ相回线区显著的扩大，这对开发马氏体钢很重要，因为要在冷却时形成马氏体，则在高温时必须是奥氏体。

对于铁素体类的钢，γ相回线区面积必须予以控制，使得高温时没有或者只有很少的奥氏体存在。

为了可以观察Fe-Cr-C三元系随温度的变化，需要把其中一个成分设定为固定值，用这种方法可以建立一个伪二元相图或叫等成分面。