技能培训专题 焊接冶金原理课件 06热影响区的组织与性能4.pptx

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1、6.1焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区组织转变特点6.2焊接热影响区组织转变焊接热影响区组织转变6.3焊接热影响区的性能焊接热影响区的性能6.4焊接热焊接热/力物理模拟技术力物理模拟技术第六章第六章 热影响区的组织与性能热影响区的组织与性能6.3.3 焊接热影响区的耐蚀性焊接热影响区的耐蚀性1、不锈钢及耐热钢的类型、不锈钢及耐热钢的类型1）定义问题）定义问题原义型原义型仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢；仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢；习惯型习惯型指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称；指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称；广义型广义型泛指耐蚀和耐热钢，统

2、称为不锈钢。泛指耐蚀和耐热钢，统称为不锈钢。 主要成分为主要成分为Cr和和Ni，一般，一般Cr含量不低于含量不低于12%在大气中不生锈，在大气中不生锈，含含Cr量不低于量不低于17%可耐酸腐蚀，增加可耐酸腐蚀，增加Ni含量或再提高含量或再提高Cr含量，耐腐含量，耐腐蚀性或耐热性均可提高。本章涉及的是高合金钢，属蚀性或耐热性均可提高。本章涉及的是高合金钢，属Cr系和系和Cr-Ni系系铁基合金，包括少数铁基合金，包括少数Cr-Mn-N系节系节Ni不锈钢，一般，不锈钢，一般，Ni不高于不高于35%，Cr不低于不低于12%。2）分）分类类 按空冷后室温组织来分类，是最古老、又是至今应用最广的最基本按空

3、冷后室温组织来分类，是最古老、又是至今应用最广的最基本分类方法：分类方法： 奥氏体钢奥氏体钢应用最广，以高应用最广，以高Cr-Ni刚最为典型，如刚最为典型，如Cr18Ni8系列系列（18-8型）和型）和Cr25Ni20系列（系列（25-20型）等；型）等； 铁素体钢铁素体钢含含Cr为为17%30%的高的高Cr钢。主要用作耐热钢，也可作钢。主要用作耐热钢，也可作为耐蚀钢，如为耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2等，通常以退火状态供货；等，通常以退火状态供货； 马氏体钢马氏体钢以以Cr13系列最为典型，如系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17Ni12，常用作

4、不锈钢；以，常用作不锈钢；以Cr12为基的为基的1Cr12MoWV，用作热强钢。热处理对马氏体钢影响很大，需要规定供货状态（退用作热强钢。热处理对马氏体钢影响很大，需要规定供货状态（退货和淬火）；货和淬火）； 沉淀硬化钢沉淀硬化钢均为经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，均为经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈钢，最典型的有马氏体沉淀硬化钢，如主要用作高强度不锈钢，最典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简称，简称17-4PH；半奥氏体（奥氏体；半奥氏体（奥氏体+马氏体）沉马氏体）沉淀强化钢，如淀强化钢，如0Cr17Ni7Al，简称，简称17-7PH；

5、 铁素体铁素体-奥氏体双相钢奥氏体双相钢铁素体铁素体60%40%，奥氏体，奥氏体40%60%，具有极其优异的抗腐蚀性能，典型的有具有极其优异的抗腐蚀性能，典型的有18-5型、型、22-5型、型、25-5型型等，与等，与18-8钢相比，提高钢相比，提高Cr而降低而降低Ni，同时常添加，同时常添加Mo和和N，通常，通常固溶处理态供货。固溶处理态供货。2、不锈钢焊接热影响区的耐蚀性、不锈钢焊接热影响区的耐蚀性1）不锈钢晶）不锈钢晶间腐间腐蚀机理蚀机理 在晶粒边界附近发生有选择性的腐蚀现象。不锈钢晶间腐蚀多半与在晶粒边界附近发生有选择性的腐蚀现象。不锈钢晶间腐蚀多半与晶界晶界“贫铬贫铬”现象有关。现象

6、有关。“贫铬贫铬”理论：在晶界处形成理论：在晶界处形成Cr23C6化合物，导致晶界化合物，导致晶界Cr含量低于含量低于12%。晶间铬的碳化物析出（a）透射电子显微镜照片；（b）沿晶界铬元素的分布敏化奥氏体不锈钢中晶界微观组织模型304不锈钢中Cr23C6的等温析出曲线304不锈钢中Cr23C6和TiC的溶解曲线解决措施：解决措施：n固溶处理；固溶处理；n适当提高钢中铁素体化元素（适当提高钢中铁素体化元素（Cr、Mo、Nb、Ti、Si等）同时降奥等）同时降奥氏体化元素（氏体化元素（Ni、C、N）；）；n含有一定数量的含有一定数量的铁素体。铁素体。2）不锈钢接头晶间腐蚀问题）不锈钢接头晶间腐蚀问题

7、18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位2-焊缝区，1-HAZ敏化区，3-熔合区 腐蚀类型主要包括晶间腐蚀、点蚀和应力腐蚀三种，点蚀问题主要发生在焊缝的未混合区，焊缝中心也有一定的点蚀倾向，一般可以采用超合金化的方法解决；而应力腐蚀问题将在焊接裂纹一章中阐述。热影响区晶间腐蚀类型：热影响区晶间腐蚀类型：奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢铁素体不锈钢稳定化处理不锈钢稳定化处理不锈钢热影响区敏化腐蚀热影响区敏化腐蚀熔合区刀口腐蚀熔合区刀口腐蚀位置：位置：敏化区腐蚀不是在紧邻熔化边界处发生，即不是发生于焊接峰值温度最高的熔化边界上。而是发生在距离其一定距离处，此处峰值温度较低。奥氏体不锈钢热影

8、响区敏化腐蚀奥氏体不锈钢热影响区敏化腐蚀所谓HAZ敏化区晶间腐蚀，指的是焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀。温度区间：温度区间：对于含碳量为0.1%的18-8钢热影响区，发生敏化区间并非平衡加热时450850，而是有一个过热度，可达6001000。不锈钢焊接热影响区敏化示意图(a)相图，(b)热循环，(c)析出曲线，(d)微观组织特征解决措施解决措施焊后热处理焊后热处理 在焊接之后对不锈钢焊件进行10001100之间的后热处理，随后淬火。降低含碳量降低含碳量使用低碳不锈钢如304L和316L不锈钢，碳含量应低于0.0035%在腐蚀介质草酸作用下316

9、和316L不锈钢晶间腐蚀行为添加强碳化物形成元素添加强碳化物形成元素添加与C的结合力比Cr更强的元素，如Ti和Nb等，通过形成这些元素的碳化物，而实现不锈钢焊接敏化区腐蚀问题的控制。抗敏化区腐蚀更强的321和347不锈钢本质上与304不锈钢相同，其差别仅仅是这两种不锈钢中分别添加了Ti和Nb。两种奥氏体不锈钢焊缝腐蚀倾向比较(a) 304不锈钢中有敏化腐蚀，(b) 在321不锈钢中无敏化腐蚀采用高速焊接减小敏化区停留时间采用高速焊接减小敏化区停留时间电弧焊与激光焊热影响区附近热循环比较（实际测量）a)电弧焊，b)激光焊特点：特点：奥氏体不锈钢刚好相反，由于高的敏化温度范围，铁素体的敏化区腐蚀发

10、生在靠近焊缝金属的热影响区处。铁素体不锈钢热影响区敏化腐蚀铁素体不锈钢热影响区敏化腐蚀产生条件：产生条件：温度在925以上消除处理：消除处理：650815温度范围的1060min的退火处理奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢于1065固溶处理后TTS曲线示意图a) 奥氏体不锈钢，b）铁素体不锈钢机理：机理：C和Cr在铁素体不锈钢中的扩散系数高于奥氏体不锈钢，当温度冷却至427-927时，碳化物迅速析出Cr在低温下的扩散速度比较慢，沉淀物消耗的铬元素不能得到很好的补充，在晶界形成贫铬区。防止措施：防止措施： 650815温度范围的焊后退火、中添加Ti或Nb稳定化处理：稳定化处理：为避免碳与铬形成高铬碳化物

11、，在奥氏体钢中加入稳定化元素(如Ti和Nb)，在加热到875以上温度时，能形成稳定的碳化物(由于Ti和Nb能优先与碳结合，形成TiC或NbC)，大大降低了奥氏体中固溶碳的浓度(含量)，从而起到了牺Ti和Nb保Cr的目的。稳定化不锈钢刀口腐蚀尽管着些稳定化等级的奥氏体不锈钢如321和347不易发生敏化区腐蚀，但易于发生另一种类型的晶间腐蚀，被称为刀口腐蚀刀口腐蚀，有时又称刀状腐蚀刀状腐蚀。对于一般的电弧焊，刀口腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。熔合区刀口腐蚀熔合区刀口腐蚀稳定化不锈钢刀口腐蚀机理：机理：在稳定的奥氏体不锈钢中的刀口腐蚀主要与稳定化元素的碳化物与铬的碳化物

12、溶解和析出温度不一致有关。例如，Cr23C6的析出温度大约为600850，而TiC的析出温度大约为8501000。特点：特点：刀口腐蚀发生在紧邻敏化区腐蚀的狭窄区域；刀口腐蚀发生在稳定化（奥氏体）不锈钢中。焊后热处理。焊后重新进行了稳定化处理使用低碳不锈钢调整焊接工艺防止措施防止措施稳定化奥氏体不锈钢双道焊接a) 刀口腐蚀裂纹，b）无裂纹添加稀土金属元素 在稳定极不锈钢中添加镧和铈等稀土金属元素能够减小其刀口腐蚀倾向。添加稀土金属对347不锈钢刀状裂纹敏感性的影响添加稀土元素对不锈钢熔化边界附近的透射电子显微镜照片a) 为添加稀土元素，b）添加稀土元素6.4焊接热焊接热/力物理模拟技术力物理模

13、拟技术 焊接热/力物理模拟技术的实质是采用试验的方法研究焊接热影响区的某一特征组织区域方法，以方便评估该区域的力学性能6.4.1焊接热模拟试验的原理与设备焊接热模拟试验的原理与设备 焊接热模拟试验技术是利用特定的装置在试样的大部分区域上产生与实际焊接时相同或相近的热循环，使得试样的金相组织与所需研究的热影响区特定部位的组织相同或相近，但这一组织区域大小比实际焊接接头热影响区要放大很多倍。也就是说在模拟试样上有一个相当大的范围获得这一特定部位的均匀组织，从而可以制备足够尺寸的试样，对其进行各种性能的定量测试。电阻加热式热模拟试验机示意图高频感应加热式热模拟试验机示意图Gleeble-3500型热

14、模拟试验机包括加热系统、机械系统和控制系统。1）加热系统）加热系统 Gleeble3500的电阻加热系统能以10000/s的速度加热试样，或保持不变的稳态温度。同时具有很高的冷却速度，可以淬火。2）机械系统）机械系统 Gleeble 3500的机械系统是一个具有10吨静态拉伸/压缩力的全集成液压伺服控制系统。最快可以达到1000mm/s的移动速度。3）控制系统）控制系统 Gleeble 3500系统的核心是型数字控制系统。设备通过它来实现热-力伺服系统的闭环数字控制，同时提供了所有控制热和机械测试所必需的信号。必须给出焊接热循环的三个基本参数：不同温度的加热速度不同温度的加热速度、峰值温峰值温度度及某一温度区间的冷却时间或冷却速度某一温度区间的冷却时间或冷却速度。Gleeble-3500型焊接热模拟试验机6.4.2 焊接热模拟技术的应用焊接热模拟技术的应用1、研究焊接热影响区不同区段的组织及力学性能2、研究各类焊接裂纹的形成条件及产生机理3、绘制模拟焊接热影响区连续冷却转变图(SHCCT图)6.4.3 焊接热模拟技术的局限性焊接热模拟技术的局限性1、约束条件的差异2、热力循环条件的差异