1、.第十四章 不銹鋼的焊接不銹鋼的概述不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態，又具有不銹特性的鋼。為此，不銹鋼w（Cr）應高于12%。此時，鋼的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，使鋼的電極電位和在氧化性介質中的耐蝕性發生突變性提高。在非氧化介質（HCl、H2SO4）中，鉻的作用并不明顯，除了鉻外，不銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的Ni、Mo等其它元素。通常所說的不銹鋼實際是不銹鋼和耐酸鋼的總稱，不銹鋼一般泛指在大氣、水等弱酸、堿、鹽等強腐蝕介質中耐蝕的鋼。兩者在化學成分上的共同特點是w（Cr）均在12%以上，但由于合金化的差異，不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般具有良好的不銹鋼性能。不銹鋼的種類

2、、化學成分及其用途不銹鋼按照組織類型，可分為五類，即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。不銹鋼的重要特性之一是耐蝕性，然而不銹鋼的不銹性和耐蝕性都是相對的，有條件的，受到諸多因素的影響，包括介質種類、濃度、純凈度、流動狀態、使用環境的溫度、壓力等，目前還沒有對任何腐蝕環境都具有耐蝕性的不銹鋼。因此，不銹鋼的選用應根據具體的使用條件加以合理選擇，才能獲得良好的使用效果。奧氏體不銹鋼在各種類型不銹鋼中應用最廣泛，品種也最多。由于奧氏體不銹鋼的Cr、Ni含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優良，冷熱加工性能俱佳，焊接

3、性優于其它類型不銹鋼，因而廣泛應用于建筑裝飾、食品工業、醫療器械、紡織印染設備以及石油、化工 、原子能等工業領域。鐵素體不銹鋼的應用比較廣泛，其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環境不十分苛刻的場合，例如室內裝飾、廚房設備、家電產品、家用器具等。超低碳高鉻含鉬鐵素體不銹鋼因對氯化物應力腐蝕不敏感，同時具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，因而廣泛用于熱交換設備、耐海水設備、有機酸及制堿設備等。馬氏體不銹鋼應用較為普遍的是Cr13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能，添加Ni、Mo等合金元素，形成一些新的馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強度要求較高，耐腐蝕要求不太高的場合，如量具、

4、刀具、餐具、彈簧、軸承、氣輪機葉片、水輪機轉輪、泵、閥等。雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼，而且各相占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特點，韌性良好 、強度較高，耐氯化物應力腐蝕。適于制作海水處理設備、冷凝器，熱交換器等，在石油、化工領域應用廣泛。沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復合添加硬化元素，通過適當熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好腐蝕性的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕、高強度結構件，如軸、齒輪、葉片等轉動部件和螺栓、銷子、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強度壓力容器、化工處理設備等。不銹鋼的組織特點因化學元素含量的上下限和熱處理狀態的差異

5、，從各元素對不銹鋼組織的影響和作用程度來看，基本上有兩類元素。一類是形成或穩定奧氏體的元素：C、Ni、Mn、N和Cu等，其中C和N作用程度最大。另一類是縮小甚至封閉相區即形成鐵素體的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、Ta、V、W和Al等，其中Nb的作用程度最小。不銹鋼的組織有以下幾種組織類型：1）奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。為改善某些性能，滿足特殊用途要求，在一些鋼中單獨或復合添加了N、Nb、Cu、Si等合金元素。奧氏體不銹鋼通常在室溫下為純奧氏體組織，也有一些奧氏體不銹鋼室溫下的組織為奧氏體加少量鐵素體，這種少量鐵素體有

6、助于防止熱裂紋的產生。奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強化，但由于這類鋼具有明顯的冷加工硬化性，可通過冷變形方法提高強度。經冷變形產生的加工硬化，可采用固溶處理使之軟化。2）鐵素體不銹鋼今年來鐵素體不銹鋼逐漸向低碳高純度發展，使鐵素體不銹鋼的脆化傾向和焊接性得到明顯改善。該類鋼在固溶狀態下為鐵素體組織。當鋼中w（Cr）超過16%時，仍存在加熱脆化傾向。在400600溫度區間停留易出現475脆化，在650850溫度區間易引起相析出而導致的脆化，加熱至900以上易造成晶粒粗化，使韌性降低。這類鋼還有脆性轉變特性，其脆性轉變溫度與鋼中碳、氮含量，熱處理時的冷卻速度以及截面尺寸有關，碳、氮含量越低，截面尺

7、寸越小，脆性轉變溫度越低。475脆化和相析出引起的脆化，可通過熱處理方法予以消除。采用516以上短時加熱后空冷，可消除475脆化，加熱到900以上急冷可消除相脆化。3）馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼w（Cr）范圍在12%18%，w（C）范圍在0.1%1.0%，也有一些含碳量更低的馬氏體不銹鋼，如0Cr13Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼加熱時可形成奧氏體，一般在油或空氣中冷卻即可得到馬氏體組織，含碳量較低的馬氏體不銹鋼淬火狀態的組織為板條馬氏體加少量鐵素體，如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。當w（C）超過0.3%時，正常淬火溫度加熱時碳化物不能完全固溶，淬火后的組織為馬氏體加碳化物。

8、4）鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼室溫下的組織為鐵素體加奧氏體，通常鐵素體的體積分數不低于50。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，具有較低的熱裂傾向，而與鐵素體不銹鋼相比，則具有較低的加熱脆化傾向，其焊接熱影響區鐵素體的粗化程度也較低。但這類鋼仍然存在鐵素體不銹鋼的各種加熱脆性傾向。5）沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼包括馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和奧氏體沉淀硬化不銹鋼。馬氏體沉淀硬化不銹鋼固溶處理后，空冷至室溫即可得到馬氏體少量鐵素體和殘余奧氏體或馬氏體加少量殘余奧氏體。再通過不同的時效溫度，可得到不同的強化效果。半奧氏體沉淀硬化不銹鋼固溶處理后，冷卻至室溫下得到

9、的是不穩定的奧氏體組織。經700800加熱調整處理，析出碳化鉻，使Ms點升高至室溫以上，冷卻后即轉變為馬氏體。再在400500時效，達到進一步強化。這類鋼也可在固溶處理后直接冷卻至Ms與Mf之間，得到部分馬氏體組織。再經時效處理，亦可達到強化效果。奧氏體沉淀硬化不銹鋼的Cr、Ni或Mn含量較高，無論采用何種熱處理，室溫下均為穩定的奧氏體組織。經時效處理，在奧氏體基礎上析出沉淀硬化相，從而獲得更高的強度。由于這類鋼中含有較多硬化元素，比普通奧氏體不銹鋼的焊接性差。不銹鋼的物理性能和力學性能1）不銹鋼物理性能奧氏體不銹鋼比電阻可達碳鋼的5倍，線膨脹系數比碳鋼的約大50%，而馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹

10、鋼的線膨脹系數大體上和碳鋼的相等。奧氏體不銹鋼的熱導率為碳鋼的1/2左右。奧氏體不銹鋼通常是非磁性的。鉻當量和鎳當量較低的奧氏體不銹鋼在冷加工變形較大的情況下，會產生形變誘導馬氏體，從而產生磁性。用熱處理方法可消除這種馬氏體和磁性。2）不銹鋼的力學性能馬氏體不銹鋼在退火狀態下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用時的回火狀態的硬度又稍有下降。鐵素體鋼的特點是常溫沖擊韌性低。當高溫長時間加熱時，力學性能將進一步惡化，可能導致475脆化、脆性或晶粒粗大等。奧氏體不銹鋼常溫具有低的屈強比（40%50%），伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奧氏體不銹鋼經高溫加熱后，會產生相和晶

11、界析出碳化鉻引起的脆化現象。在低溫下，鐵素體和馬氏體不銹鋼的夏比沖擊吸收功均很低，而奧氏體不銹鋼則有良好的低溫韌性。對含有百分之幾鐵素體的奧氏體不銹鋼，則應注意低溫下塑性和韌性降低的問題。不銹鋼的耐腐蝕性能金屬受介質的化學及電化學作用而破壞的現象稱為腐蝕，不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕（表面腐蝕）和局部腐蝕，局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕等。據統計，在不銹鋼腐蝕破壞事故中，由均勻腐蝕引起的僅占約10%,而由局部腐蝕引起的則高達90%以上，由此可見，局部腐蝕是相當嚴重的。1）均勻腐蝕均勻腐蝕是指接觸的金屬表面全部產生腐蝕的現象。檢查方法多半使用失重法。鉻不銹鋼在氧化性介質中容易

12、先在表面形成富鉻氧化膜。該膜將阻止金屬的離子化而產生鈍化作用，提高了金屬的耐均勻腐蝕性能。鉻不銹鋼或鉻鎳不銹鋼因鉻的鈍化作用而對氧化性酸、大氣均有較好的耐均勻腐蝕性能。但單純依靠鉻鈍化的鉻不銹鋼在非氧化性酸，如稀硫酸和醋酸中耐均勻腐蝕的性能相對較低。高鉻鎳的奧氏體不銹鋼，由于高鎳或添加鉬、銅之類元素，具有較高的耐還原性酸腐蝕的性能。該類鋼又有耐酸鋼之稱。沉淀硬化型不銹鋼由于高鉻，亦有較好的耐均勻腐蝕性能。但由于強化處理，按碳化鉻析出或時效的情況不同，耐蝕性也有相應的損失或降低。2）局部腐蝕（1） 晶間腐蝕在腐蝕介質作用下，起源于金屬表面沿晶界深入金屬內部的腐蝕稱為晶間腐蝕。它是一種局部性腐蝕。

13、晶間腐蝕導致晶粒間的結合力喪失，材料強度幾乎消失，是一種很值得重視的危險的腐蝕現象。導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因很多，概括有以下幾種：A碳化鉻析出引起的晶間腐蝕奧氏體不銹鋼在500800溫度區間進行敏化處理時，過飽和固溶的碳向晶粒間界的擴散比鉻的擴散的快，在晶界附近和鉻結合成（Cr、Fe）23C6的碳化物并在晶界沉淀析出，形成了晶粒邊界附近區域的貧鉻現象。當該區鉻含量降低導鈍化所需的極限（w（Cr）12.5%）以下時，就會加速該區的腐蝕而發生了晶間腐蝕。為了防止這種晶間腐蝕的產生，可以采取如下措施：采用超低碳（w（C）<0.03%以下或更低）或加Ti、Nb等；固溶處理（10101120

14、）；調整相比例，使之含有5%10%的鐵素體；采用穩定化處理使晶內鉻擴散均勻化以消除局部貧鉻現象。B相析出引起的晶間腐蝕試驗證明，超低碳已解決了晶界析出（Cr、Fe）23C6引起的晶間腐蝕，但某些超低碳含鉬奧氏體不銹鋼，如00Cr17Ni13Mo2（316L）在敏化溫度區間在晶界析出相，在沸騰的65%硝酸溶液中可發現相析出引起的晶間腐蝕。C晶界吸附引起的晶間腐蝕普通的Cr18Ni8奧氏體不銹鋼在強氧化性的硝酸溶液中會產生晶間腐蝕，而高純度的奧氏體不銹鋼未發生這種現象。已查明Cr14Ni14不銹鋼中雜質P在晶界吸附是引起硝酸溶液中產生晶間腐蝕的原因。D穩定元素高溫溶解引起的晶間腐蝕含鈦和含鈮奧氏體

15、不銹鋼焊后在敏化溫度加熱處理再放入強氧化性的硝酸溶液中工作，將在熔合線上出現很窄區域的選擇性腐蝕。它是一種沿晶界的腐蝕。常稱為“刀狀腐蝕”。熔焊接時，熔合線附近由于過熱，大部分碳化物被溶解。當第二次加熱到敏化溫度區間（或多層焊或熱處理）時，主要沿晶界析出了鉻的碳化物，由此引起晶間腐蝕。鐵素體不銹鋼也會發生晶間腐蝕。將這種鋼加熱到925以上急冷后就有晶間腐蝕傾向，但經650815短時間加熱便可消除。在比鄰焊接熔合線處可出現該類腐蝕。只有w（CN）降低到0.01%以下時，才能避免這種晶間腐蝕。和奧氏體不銹鋼一樣，也有溫度時間敏化（TTS）曲線關系。也可用貧鉻理論加以解釋。在925以上保溫時，碳在相

16、中固溶，冷卻過程中即使在水淬冷速度條件下也不能抑制碳化物沿晶界析出而引起晶間腐蝕。又由于鉻在相中的擴散速度高于在相中的速度，所以在較低的溫度下，如650815區間內退火，便可通過鉻的擴散，降低近晶界區的貧鉻程度而避免晶間腐蝕。點蝕及縫隙腐蝕點蝕及縫隙腐蝕的共同機理是腐蝕區間產生“閉塞電池腐蝕”作用所致，但各自的具體原因不相同。點蝕是指在金屬材料表面產生的尺寸約小于1.0mm的穿孔性或蝕坑性的宏觀腐蝕。點蝕的形成主要是由于材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的。試驗表明，材料的Ea值越正，抗點蝕能力越好；介質中Cl的濃度越低，越不容易引起點蝕；增加材料的均勻性，即減少夾雜物（特別是硫夾雜物）、晶界析出

17、物（晶間碳化物或相等）以及提高鈍化膜的穩定性，如降低碳含量，增加鉻和鉬以及鎳含量等都能提高抗點蝕能力。所以，現在有超低碳高鉻鎳含鉬奧氏體不銹鋼和超高純度含鉬高鉻鐵素體不銹鋼均有較高的耐點蝕性能?？p隙腐蝕是金屬構件縫隙處發生的斑點狀或潰瘍形宏觀蝕抗。它是以腐蝕部位的特征命名的。常發生在墊圈、鉚接、螺釘連接縫、搭接的焊接接頭、閥座、堆積的金屬片間等處。由于連接處的縫隙被腐蝕產物覆蓋以及介質擴散受到限制的原因，該處的介質成分和濃度與整體有很大差別，形成了“閉塞電池腐蝕”的作用。和點蝕形成機理有差異之點在于縫隙腐蝕主要是由介質的電化學不均勻性引起的。從現有材料試驗結果分析，0Cr18Ni9及00Cr1

18、7Ni14Mo2型奧氏體不銹鋼、鐵素體及馬氏體不銹鋼在海水中均有縫隙腐蝕的傾向。適當增加鉻、鉬含量可以改善抗縫隙腐蝕的能力。實際上只有采用鈦、高鉬鎳基合金和銅合金等才能有效的防止縫隙腐蝕的發生。因此，改善運行條件、改變介質成分和結構形式是防止縫隙腐蝕的重要措施。應力腐蝕斷裂（SCC）應力腐蝕是指在靜拉伸應力與電化學介質共同作用下，因陽極溶解過程引起的斷裂。在應力與腐蝕介質共同作用下有三種不同類型的局部腐蝕應力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞。氫脆也是在靜拉伸應力與電化學介質作用下產生的，但它是由于陰極吸氫而引起的斷裂。腐蝕疲勞的應力，不僅是靜拉伸應力，更主要地是交變的周期性的拉拉、拉壓的動態應力，和上述兩

19、種類型是根本不相同的。應力腐蝕斷裂在斷裂部位和形貌上有如下特征：一般在近介質表面出現，一般沒有總體均勻腐蝕；宏觀裂紋較平直，常常有分枝、花紋和龜裂；微觀裂紋一般有分枝特征，裂紋尖端較銳利，根部較寬，且常起源于點蝕坑底和表面，有沿晶、穿晶與混合型的裂紋；斷口形貌一般無顯著的塑性變形，宏觀斷口粗糙，多呈結晶狀、層片狀、放射狀和山口形貌；微觀斷口穿晶型為準解理斷裂，有河流花樣、扇形花樣、魚骨狀花樣、羽毛狀花樣、流水狀花樣、泥狀花樣以及石塊狀堆積花樣等，有撕裂嶺，沿晶型呈冰糖塊狀花樣。不銹鋼的焊接方法許多焊接方法都可用于不銹鋼的焊接，但對于不同類型的不銹鋼，由于其組織與性能存在較大的差異，焊接性也各不

20、相同，因此，不同的焊接方法對于不同類型的不銹鋼具有不同的適用性。在選擇焊接方法時，要根據不銹鋼母材的焊接性，對焊接接頭力學性能、耐腐蝕性能的綜合要求來確定。例如埋弧焊是一種高效優質的焊接方法，對于含有少量鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫來講，通常不會產生焊接熱裂紋，但對于純奧氏體不銹鋼焊縫，由于許多焊劑向焊縫金屬中增硅，焊縫金屬容易形成粗大的單相奧氏體柱狀晶，焊縫金屬的熱裂紋敏感性大，因此一般不采用埋弧焊焊接純奧氏體不銹鋼，除非采用特殊的焊劑。當焊接接頭的腐蝕性要求高時，鎢極氬焊等惰性氣體保護焊具有明顯的優勢。對于一些特種焊接方法，如電阻點焊、縫焊、閃光焊及螺柱焊，也可用于不銹鋼的焊接，與普通低碳鋼相

21、比，由于不銹鋼具有較高的電阻和較高的強度，因此需要較低的焊接電流和較大的壓力或頂鍛力。釬焊也廣泛應用于不銹鋼的連接，母材類型不同，釬焊溫度也不同，與普通碳鋼相比，不銹鋼用釬劑有較強的腐蝕性，為了防止殘留的釬劑對釬焊接頭的腐蝕，需對釬焊接頭予以仔細的清理。奧氏體不銹鋼的焊接與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接是比較容易的。在焊接過程中，對于不同類型的奧氏體不銹鋼，奧氏體從高溫冷卻到室溫時，隨著C、Cr、Ni、Mo含量的不同、金相組織轉變的差異及穩定化元素Ti、NbTa的變化，焊接材料與工藝的不同，焊接接頭各部位可能出現下述一種或多種問題，在實際焊接工藝方法的選擇及焊接材料的匹配方面應予以足夠的重

22、視。1）焊接接頭的熱裂紋A熱裂紋的一般特性與其它不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區都有產生熱裂紋的可能。熱裂紋通?？煞譃槟塘鸭y、液化裂紋和高溫失塑裂紋三大類，由于裂紋均在焊接過程的高溫區發生，所以又稱高溫裂紋。凝固裂紋主要發生在焊縫區，最常見的弧坑裂紋就是凝固裂紋。液化裂紋多出現在靠近熔合線的近縫區。在多層多道焊縫中，層道間也有可能出現液化裂紋。對于高溫失塑裂紋，通常發生在焊縫金屬凝固結晶完了的高溫區。B產生熱裂紋的基本原因奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數大，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高

23、的拉伸應力與拉伸應變，這是產生熱裂紋的基本條件之一。2）焊接接頭的耐蝕性A晶間腐蝕根據不銹鋼及其焊縫金屬化學成分、所采用的焊接工藝方法，焊接接頭可能在三個部位出現晶間腐蝕，包括焊縫的晶間腐蝕、緊靠熔合線的過熱區“刀蝕”及熱影響區敏化溫度區的晶間腐蝕。B應力腐蝕開裂奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式，通常表現為無塑性變形的脆性破壞，危害嚴重，它也是最為復雜和難以解決的問題之一。影響奧氏體應力腐蝕開裂的因素有焊接殘余拉應力，焊接接頭的組織變化，焊前的各種熱加工、冷加工引起的殘余應力，酸洗處理不當或在母材上隨意打弧，焊接接頭設計不合理造成應力集中或腐蝕介質的局部濃度提高等等。3）焊接接頭的脆化A焊縫金屬的低溫脆化對于奧氏體不銹鋼焊接接頭，耐蝕性或抗氧化性并不總是最為關鍵的性能，在低溫使用時，焊縫金屬的塑韌性就成為關鍵性能。為了滿足低溫韌性的要求，焊縫組織通常希望獲得單一的奧氏體組織，避免鐵素體的存在。鐵素體的存在，總是惡化低溫韌性。B焊接接頭的相脆化相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。在奧氏體焊縫中，相與相均可發生