0cr18ni9304奥氏体不锈钢焊接性分析及焊接工艺评定毕业论文

0cr18ni9304奥氏体不锈钢焊接性分析及焊接工艺评定毕业论文内容摘要：

广泛应用的原因之一。 奥氏体不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服点和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小；其具有较高的冷加工硬化性。 马氏体不锈钢在退火 状态下硬度最低，可通过淬火硬化；正常使用使回火状态的硬度又稍有下降。 5 表 2 典型不锈钢的力学性能 类型 牌号 热处理状态 屈服点s/Mp a 抗拉强度 b/Mp a 伸长率(％ ) 硬度 HBW 奥氏体型 0Cr18Ni9 固溶处理 ≥ 205 ≥ 520 ≥ 40 ≤ 187 1Cr19Ni9N ≥ 275 ≥ 550 ≥ 35 ≤ 217 0Cr25Ni20 ≥ 205 ≥ 520 ≥ 40 ≤ 187 1Cr18Ni12Mo2Ti ≥ 205 ≥ 530 ≥ 35 ≤ 187 1Cr18Ni9Ti ≥ 205 ≥ 520 ≥ 40 ≤ 187 奥氏体 铁素体型 00Cr18Ni5Mo3Si2 固溶处理 ≥ 390 ≥ 590 ≥ 20 － 1Cr18Ni11Si4AlTi － ≥ 715 ≥ 30 － 1Cr25NiTi － ≥ 635 ≥ 20 － 0Cr26Ni5Mo2 ≥ 390 ≥ 590 ≥ 18 ≤ 277 铁素体型 0Cr13Al 退火处理 ≥ 175 ≥ 410 ≥ 20 ≤ 183 1Cr15 ≥ 205 ≥ 450 ≥ 22 ≤ 183 00Cr17 ≥ 175 ≥ 365 ≥ 22 ≤ 183 1Cr17Mo ≥ 245 ≥ 410 ≥ 20 ≤ 217 00Cr18Mo2 ≥ 245 ≥ 410 ≥ 20 ≤ 217 马氏体型 1Cr12 退火处理 ≥ 205 ≥ 440 ≥ 20 ≤ 200 1Cr13 ≥ 205 ≥ 440 ≥ 20 ≤ 183 3Cr13 ≥ 225 ≥ 440 ≥ 18 ≤ 235 1Cr17Ni2① ≥ 1080 ≥ 10 ① 1Cr17Ni2 为淬火回火状态下的抗拉性能。 铁素体不锈钢的特点是常温状态下塑性低。 当在高温长时间加热时，可能导致475℃脆化，  脆性相产生或晶粒粗大等，使力学性能进一步恶化。 奥氏体不锈钢的腐蚀性能 金属受介质的化学及电化学作用而破坏的现象称为腐蚀。 一种不锈钢可在多种介 质中具有良好的耐蚀性，但在另外某种或某些介质中，却可能因化学稳定性 6 低而发生腐蚀，所以一种不锈钢不可能对所有介质都具有耐蚀性。 不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等五种。 ⑴ 均匀腐蚀 均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。 由于不锈钢中的铬的质量分数在 ％以上，在氧化性介质中容易在表面形成富铬氧化膜该膜能够阻止金属的离子化而产生钝化作用，同时还能提高基体的电极电位，因此提高了不锈 钢的耐均匀腐蚀性能。 ⑵ 晶间腐蚀 晶间腐蚀起源于金属表面沿金属晶界发生的有选择的深入金属内部的腐蚀。 该种腐蚀是一种局部腐蚀，能够导致晶粒间结合力的丧失，使材料强度几乎消失。 所以在所有的腐蚀形式中，晶间腐蚀的危害性最大，容易造成设备突然破坏，而在金属外形上没有任何变化。 奥氏体不锈钢和铁素体均会产生晶间腐蚀。 ⑶ 点蚀 点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于 的穿孔性或蚀抗性的宏 观腐蚀。 它是以腐蚀破坏形貌特征命名的，主要是由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。 经试验研究表明，材料的阳极点位值越高，抗点蚀能力越好。 超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含钼高铬铁素体不锈钢，均有较高的耐点蚀性能。 ⑷ 缝隙腐蚀 缝隙腐蚀是在金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀抗。 它是以腐蚀部位的特征命名的，常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位，主要是由介质的电化学不均匀性引起的。 从材料试验结果分析上看， 0Cr18Ni9 及 00Cr17nI14Mo 型奥氏体不锈钢、铁素体及马氏体不锈钢在海中均有缝隙腐蚀的倾向。 适当增加铬、钼含量可以改善抗缝隙腐蚀的能力。 实际上只有采用钛、高钼镍基合金和铜合金等，才能有效地防止缝隙腐蚀的发生。 因此，改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。 ⑸ 应力腐蚀破裂 应力腐蚀破裂是指在拉伸应力与电化学介质的共同作用下，因阳极溶解过程而引起的断裂。 其产生的条件如下： 1 ) 介质条件。 应力腐蚀的最大特点之一是在腐蚀介质与材料的组合上有选择 性，在特定组合以外的条件下不产生应力腐蚀。 作为奥氏体不锈钢的应力腐蚀的介质因素是：溶液中 Cl－ 离子含量和含氧量 7 的关系。 尽管 Cl－ 离子含量很高，但含 O 量很少时，不会产生应力腐蚀裂纹；反之，也不会产生应力腐蚀裂纹，既强调了两者共存的条件。 对此种现象又称为氯脆。 2 ) 应力条件。 应力腐蚀破裂是在拉应力作用下才能产生，在压应力的作用下不会产生。 引起应力腐蚀的应力有焊接加工过程中的内应力和工作应力。 总的来说，主要是焊接残余应力，其次是零件冷、热加工中的残余应力。 消除残余应力是防止应力腐蚀最有效的措施之一。 3 ) 材料条件。 一边条件下纯金属不会产生应力腐蚀，应力腐蚀均发生在合金中。 在晶界上的合金元素是引起合金的晶间型开裂的应力腐蚀的重要原因。 应力腐蚀破裂在断裂部位上具有如下的特征：一般在近介质表面出现；没有总体均匀腐蚀；宏观裂纹较平直，常常有分支、花纹和龟裂；微观裂纹一般由分支特征，裂纹尖端较锐利，根部较宽，且常起源于点蚀坑底和表面；有沿晶、穿晶与混合型裂纹。 端口形貌特征：一般无显著的塑性变形；宏观端口粗糙，多呈结晶状、层片状、放射状和山形形貌 [3]。 奥氏体不锈钢的焊接性 奥氏体不锈钢具有面心立方晶 格结构，通常具有良好的塑性和韧性，因此这类刚具有良好的弯折、卷曲和冲压成形性；冷加工时不会产生任何的淬火硬化，尽管其线胀系数比较大，但焊接过程中极少出现冷裂纹。 从这一点上看，其焊接性比铁素体不锈钢和马氏体不锈钢都要好。 奥氏体不锈钢焊接时存在的主要问题是：焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；接头中铁素体含量高，可能出现 475℃脆化或  相脆化。 焊接热裂纹 单相奥氏体不锈钢焊接时，具有较高的 热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，也可能在热影响区或多层焊道间金属出现液化裂纹。 1． 焊接接头产生热裂纹的原因 8 奥氏体不锈钢具有较大热裂纹敏感性，主要取决于其化学成分、组织与性能特点： ⑴ 化学成分 奥氏体不锈钢中的合金元素较多，尤其是含有一定适量的镍，它易于硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如在 NiS 共晶熔点为 645℃， NiS 共晶熔点为 880℃，比 Fes、 FeP 共晶的熔点更低，危害性也更大。 其他一些元 素如硅、硼、铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层，这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生。 ⑵ 组织 奥氏体不锈钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，增加了热裂纹的敏感性。 ⑶ 性能 从奥氏体不锈钢的物理性能看，它具有热导率小、线胀系数大的特点，因而在焊接局部加热和冷却条件下，易产生较大的焊接残余应力，进一步促进焊接热裂纹的 产生。 从上述三方面分析可知，奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾向比低碳钢大的多，尤其是高镍奥氏体不锈钢。 2． 防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施 ⑴ 冶金措施 ① 严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。 钢中镍含量越高，越应该严格控制硫、磷、硼、硒等有害元素的含量。 ② 调整焊缝化学成分。 加入铁素体化元素，使焊缝金属 出现奥氏体－铁素体双相组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。 ③ 控制焊缝金属中的铬镍比。 对于 188 型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于 时就易产生热裂纹；而铬镍比达到 ~ 时，就可以防止热裂纹的产生。 这一措施的实质也是为保证有一定量的铁素体存在。 ④ 在焊缝金属中加入少量的铈、锆、钽等微量元素。 这些元素可以细化晶粒，也可以减少焊缝对热裂纹的敏感性。 上述冶 金元素主要是通过选择焊接材料来达到调整焊缝化学成分的目的。 目前我国生产的 18－ 8 型不锈钢焊条的熔敷金属，都能获得奥氏体－铁素体双相组织。 ⑵ 工艺措施 焊接时应尽量减小熔池过热程度，以防止形成粗大的柱状晶。 9 为此焊接适宜采用小热输入及小截面的焊道；多层焊时，道间温度不宜过高，以避免焊缝过热；焊接过程中焊条不允许摆动，采用窄焊缝的操作技术。 此外，液化裂纹主要出现在 2520 型奥氏体不锈钢的焊接接头中。 为防止液化裂纹的产生，除了严格限制母材中 的杂质含量、控制母材的晶粒度以外，在工艺上应该尽量采用高能量密度的焊接方法、小热输入和提高接头的冷却速度等措施，以减少母材的过热和避免斤焊缝区晶粒的粗化 [4]。 焊接接头的晶间腐蚀 有些奥氏体不锈钢的焊接接头，在腐蚀介质中工作一段时间后可能发生局部沿着晶界的腐蚀，一般称此种腐蚀为晶间腐蚀。 根据母材类型和所采用焊接材料与焊接工艺不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生在焊缝区、 HZA 敏化区（ 600~1000℃）和熔合区。 1． 晶间腐蚀 ⑴ 产生晶间腐蚀的原因 奥氏体不锈钢焊缝和 HZA 敏化区的晶间腐蚀，都与敏化过程使晶界形成贫铬层有关。 焊缝产生晶间腐蚀可有两种情况：一种是焊态下已有 Cr23C6析出，如多层焊缝的重复加热区域；另一种为接头在焊态下贫铬层，但焊后经过敏化温度区间，因而具有晶间腐蚀倾向。 从“贫铬理论”的角度看，奥氏体不锈钢在固溶状态下，碳以过饱和形式溶解在  固熔体中，加热时，过饱和的碳与铬结合以 Cr23C6的形式沿晶界析出。 Cr23C6 析 出消耗了大量的铬，因而使晶界附近铬的质量分数降低到低于钝化所需的最低的质量分数，则在晶界表面形成了贫铬层。 贫铬层的电极电位比晶粒内低得多，当金属与腐蚀介质接触时，就形成了微电池，电极电位低的境界称为阳极，因此被腐蚀介质溶解腐蚀。 奥氏体不锈钢在加热到 450~850℃时，对晶界腐蚀最敏感，此温度区间称敏化温度区。 这是因为当温度低于 450℃时，碳原子活动能力很弱， Cr23C6 析出困难不会形成贫铬层；而当温度高于 850℃时，晶粒内部的铬获得了足够的动能，扩散到境界，从而使已形成的盆各层消失；而在 450~850℃温 度区间内，既有利于 Cr23C6的析出，晶粒内部的铬原子又不能扩散到境界，最容易形成贫铬层，对晶间腐蚀最敏感。 当然，如果在 450~850℃温度区间加热足够长的时间，晶内的 10 铬原子也可以扩散到境界使贫铬层消失。 ⑵ 防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施 1 ) 冶金措施 ① 使焊缝金属具有奥氏体 铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应在 4％~12％范围内，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的 能力和抗应力腐蚀的能力，同时还能提高焊缝金属抗热裂纹的能力。 ② 在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等。 一般 认为钛碳比大于 5 时，能提高抗晶间腐蚀的能力。 试验结果证明，钛碳比大于或等于 时才有明显的效果；大于 时，才能彻底的改善晶间腐蚀的倾向。 这是由于钛优先地与全部的碳结合，消除了晶界的贫铬地带，从而改善了抗蚀性。 ③ 超低碳有利于防止 晶间腐蚀。 最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不可能与铬生成 Cr23C6，从根本上消除晶界的贫铬区。 碳的质量分数在焊缝金属中小于 ％时，就能提高焊缝金属的抗晶界腐蚀能力。 如上所述，为了使焊缝金属中含有恰当的合金元素种类和数量，只有从焊接材料着手，选择满足上述冶金因素条件的焊条、焊剂及焊丝，才能使焊缝金属达到不产生晶间腐蚀的目的。 2 ) 工艺措施 ① 选择合适的焊接方法，即选择热输入最小的焊接方 法，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区间停留的时间。 对于薄件、小型规则的焊接接头，应选用能量集中的真空电子束焊、等离子弧焊、钨极氩弧焊；对于中等厚度的板材的焊缝，可采用熔化极气体保护焊；而大厚度的板材的焊接，选用埋弧焊、焊条电弧焊为常用的焊接方法，气焊不宜采用。 ② 焊接参数应在保证焊缝质量的前提下，采用小的焊接电流，最快的焊接速度。 ③ 在操作上尽量采用窄焊缝，多道多层焊，并注意每焊完一 道焊缝后要等焊接处冷却至室温在进行下一道焊缝的焊接。 在施焊过程中，不允许焊条或焊丝摆动；焊接管子采用氩弧焊打底时，可以不加填充材料进行熔焊，在可能的条件 11 下，管内通氩气保护。 其作用是保护熔池不易氧化，加快焊缝的冷却速度，有利于背面焊缝的成形。 对于接触腐蚀介质的焊缝，在有条件的情况下一定要最后施焊，以减少接触戒指焊缝的受热次数。 ④ 强制焊接区的快速冷却。 对于有规则的焊缝，在可能的条件下焊缝背面可用纯铜垫，在铜垫上通水或通保护气体等方式进行强迫冷却，有 利于防止焊接接头的晶间腐蚀，因为快速冷却可以防止贫铬层的形成。 ⑤ 进行固溶处理或稳定化处理。 奥氏体不锈钢的热处理方。