不锈钢手册

不锈钢手册内容摘要：

温开裂被分为各种各样的种类，在此对凝固开裂进行叙述。 凝固开裂是由于残存于凝固前或凝固后结晶晶界的液相或固相比较脆弱的原因，通过焊缝凝固时引起的收缩，受拉伸应力产生开口的开裂形式。 在奥氏体钢中容易引起这样高温开裂的原因是由于其凝固温度范围很宽。 作为开裂的特点：除在晶间传导以外，开裂的表面附有氧化皮，并且开裂的大小、深度比低温开裂小。 作为防止这种高温开裂的方法有以下几种： （ a） 熔敷金属转变为奥氏体单相组织时，容易开裂，因此使用至少含有数百分比铁素体的焊棒、焊丝有很好的效果。 （参照图 4） 图 4 焊缝的铁素体量和开裂敏锐性（菲斯科抗裂试验） （ b）尽量少使用会出现像 S、 P、 Si 会促进凝固开裂的不纯物的焊丝、焊棒。 在高 Si 的情况下，增加 C 就难引起焊接开裂，因此像耐热钢等含 C 量高的钢种（例如 SUS 310S）比较适当。 （ c）为了使凝固时尽可能地少变形，采用低温焊接，焊缝宽度窄一些，此外还不要使焊接余高成凹状，使其成凸状进行焊接。 （ d）板厚比较厚的情况下，拘束越少越令人满意，但薄板时由于受焊接过程中的变形，倒还不如拘束些更难开裂。 （ 2）焊接部位的性能 （ a）机械性能 以及低温韧性 在奥氏体组织里析出少量的铁素体相，熔敷金属几乎不会硬化，而且热影响区域即使有碳化铬物析出也不会硬化，因此机械性能与母材比较相似，加工性优越。 但是在接手拉伸试验下，表现出延伸低的结果，这正如表 2 所示，是因为熔敷金属与母材相比延伸相当低的原因。 15 表 2 所有熔敷金属的机械性能 另外，奥氏体系不锈钢的低温韧性极其优越，作为高级极低温用钢被广泛应用。 经过熔化热处理后的母材（成品）即使在极低温下也完全不会脆化。 可是受冷加工影响会析出碳化物造成低温脆化，但只要 注意这一点进行设计、加工的话，母材是十分富有韧性的。 另一方面，熔敷金属由于凝固组织含有少量的铁素体，因此在低温下也会有一点脆化。 图 5 表示各种溶敷金属在热处理后，进行夏氏冲击试验（摆锤式冲击试验）的结果。 接下来也如同所了解的，脆化程度在不同钢种以及热处理状态下是不一样的，铁素体越多越易脆化。 从而，在严竣的条件下使用时，希望使用完全呈奥氏体组织的 310 型焊棒。 在进行去除焊接后应力的低温退火时，熔敷金属与焊接状态相比进一步脆化，这一点需要引起注意。 特别是在熔敷金属中有许多 铁素体时（例如 309 型钢）更为明显，另 外含 Mo、 Nb 等元素的钢种容易析出 相促进脆化。 图 5 氩弧焊焊缝的低温冲击性 16 （ 3）晶间腐蚀 在焊接的热履历里，由于加热冷却时会通过 500℃ 800℃碳化铬的析出范围，从而像含 C 量较多的 S US 30 30 30 31 30310S 等钢种在其热影响区域会析出 Cr 的碳化物，使晶间腐蚀变得敏感，也就是说容易引起所谓的 weld decay。 热影响区域的敏化程度主要取决于母材的含 C 量以及焊接时的温度或冷却速度。 这一系列的状况如图 7 所示，即：热影响区域的敏化程 度随含 C 量的增加，晶间腐蚀敏感性明显地增加；随着焊接时冷却速度的放慢，敏感性成比例地增加。 因此，焊接像 S US301 等高含 C 材料时，尽可能用低温焊接，同时有必要尽量使用冷的金属板等。 还有，即使含 C 量较少的 S US30316 等也最好不要使用发热量大的潜弧焊等。 图 6 C 和热履历对焊接时 图 7 焊接用连续冷却敏化图 敏化状态的影响 而且，不知什么原因，熔敷金属难被敏化。 另一方面，有害 C 量极低的 S US304L、 316L、 316J2 等通过添加Ti、 Nb 将 C 固定下来的稳定性不锈钢 S US 32 347 等，在焊接的状态下不显示晶间腐蚀敏感性。 但是，这些钢在进行去应力退火后或在敏化温度下长时间曝露时，比如说成分即使在标准内的也会发生一定程度的敏化，所以要引起注意。 例如稳定性不锈钢靠近焊缝的热影响区域，其被固定的 TiC、 NbC 在高温下分解，固溶碳就相应增多。 从而，这一部分如果被加热到 700℃以下的低温时，固溶碳比 Ti 先与 Cr结合在晶间析出 Cr的碳化物发生敏化，就容易引起沿焊缝的刃状腐蚀（参照下图刃线状侵蚀）。 因此，对于这种情况，必须在 750℃以上进行退火。 17 （ 4）应力腐蚀开裂 如前所述，应力腐蚀开裂在事故事例中最多，且焊接部位的事例较多。 焊接部位在焊接后存在着如图 8 所示的残余应力。 残余拉伸应力最大的位置是熔敷钢处， 但由于熔敷钢对应力腐蚀开裂 比较迟钝，因此通常发生于靠 近焊缝的热影响区。 开裂的伸 展方向与主应力成起直角，因 此在焊缝直角方向容易发展开 裂，但碰到有焊缝余高时，由 于应力集中于焊缝边界，因此 也会沿着焊缝的边界线产生纵 向开裂。 一般而言，拘束越大或者 板厚越厚、熔敷钢量越多，焊 图 8 发生于焊接部的残余应力分布 接残余应力就变 得越大，成了 （ AB 线上焊接方向的应力） 应力腐蚀开裂的恰好条件。 但是，也有其它现象，例如极薄板（比如 厚）在无拘束、受热极小的条件下（等离子焊接），进行焊接也会简单地发生应力腐蚀。 因此，在那种环境下被使用时，用阴极防蚀、喷射硬化等方法有防止效果，但由于适用限度有限，所以主要的还是采用除应力退火的方法比较多。 不锈钢去除应力退火温度如果不达到比低合金钢等高的高温，就没有去除效果，因此通常要求在 870℃附近（参照图 9），对焊接构造的物体进行退火时，必须采用急热急冷方式来防止敏化 ，但由于热处理变形会变大所以就不得不采用缓加热、缓冷却。 因此，尽量不要使用易敏化的钢，尽可能地使用极低碳或稳定化不锈钢。 （ 5）异材焊接 不锈钢与普碳钢、低合金钢焊接的情况很多，但是根据使用的焊棒，有时会引起焊接开裂，另外在使用过程中尤其是在高温下使用，也有焊缝断裂的现象。 18 图 9 去应力退火温度和应力去除率（ S US 3 04） （ a）焊接开裂 从 shaffler 组织图上可以一清二楚地看到，普碳钢跟奥氏体系不锈钢融合的情况下，前者多马氏体就多，容易引起低温开裂；后者多在高温下就会转变成完全的奥氏体组织，容易发生高温开裂。 从而，在这样的异材焊接时，如果能选择适当的焊棒以及焊接条件，使溶敷金属变为稍微含有铁素体的奥氏体组织，那么无论哪种焊接开裂都难发生。 一般在普碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢或 Cr 系不锈钢和 CrNi系不锈钢等的异材焊接时，常使用 309 或 309Mo 等焊棒。 图 1 0 S h a f fle r 组织图 19 （ b）异材焊接部位的性能 异材焊接部在常温下使用基本上不成问题，但在高温下使用时，容易引起下述的 问题。 ο 碳素移动 以如同在前一项所述的组合进行焊接，即铁素体材料，用奥氏体熔敷钢被结合的情况，加热至高温后，就会从两侧的成份以及不同组织之间引起 C 的扩散移动。 即，引起从铁素体到奥氏体，低 Cr侧到高Cr的 C 移动。 因此，铁素体钢的结合部由于脱碳现象而软化，在高温强度下降的同时，结晶晶粒粗大化，在常温下脆化。 在高温下被使用的锅炉管的异材接手（例〈 347 型〉 +〈 2C r Mo 钢〉）是前者现象的典例。 针对 于从铁素体 到奥氏体有 C 移 动，有可 能的话用 因科内尔（ Inconel）系合金进行堆叠后，用奥氏 体系焊棒焊接，铁素体坯料的C 就难向因科内尔侧移动，脱碳现象不易产生，由此夹紧强度也不会劣化，有着很好的效果。 针对于低 Cr侧向高 Cr 侧的 C 移动希望尽可能地使用同合金系的焊棒。 ο 热疲劳 奥氏体的热膨胀系数与铁素体的相比，大 40%左右，所以像这样的异材接手在快速加热冷却时会经受热冲击，在反复加热时会经受热疲劳。 这种情况，开裂通常容易在较弱的铁素体侧沿着焊接缝产生。 为防止这样的事故，希望采用在铁素体钢中比较类似膨胀系数的因科内尔系合金的焊棒进行堆焊（将因科内尔系合金涂放于要焊接的母材的中间）。 另外， 为防止同高 Cr 钢的焊接从焊接开裂以及脆化，经常使用奥氏体系焊棒，在反复加热频繁的场合尽可能要用同金属焊棒。 25 不锈钢的钎焊 所谓钎焊，就是熔融添加持有比要焊接的母材的金属熔点还低的熔点的非铁金属或者其合金，并且不熔化其母材进行焊接的方法。 使用于这种焊接的添加金属叫做钎材，一般把熔融温度在 450℃以上的叫做硬钎， 450℃以下的叫做软钎进行区分。 钎焊的特点：钎材通过毛细管现象向极窄的间隙扩散，起到作为连接材的功能。 因此，为提高改善钎材的扩散，清洁母材表面，使用提高融洽性为目的的助溶剂和调节 钎焊部间隙是相当重要的。 这个间隙从接手的强度方面来说也是很重要的。 不锈钢的钎焊因为母材自身有着以下的特征，所以比起普碳钢等要复杂。 （ a）由于含有许多的 Cr，会形成强固的氧化膜。 20。