奧氏體不銹鋼是在線亞洲日產一區二區:不銹鋼中最重要的鋼種。由于其在高溫、極低溫度(-196℃)下均具有優良的塑韌性和冷熱加工性能和耐腐蝕性能,因此大量用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結構。在線亞洲日產一區二區:奧氏體不銹鋼管焊接中(zhong)的主要問(wen)題(ti)是(shi)焊接接頭熱(re)裂紋(wen)和(he)耐蝕性。


 奧氏體不銹鋼(gang)管焊接(jie)接(jie)頭的熱裂紋中最常見的是結晶(凝固)裂紋、熱影響區(液化(hua))裂紋和高溫低塑性裂紋。


1. 焊(han)縫凝固裂紋


 在奧氏體不銹鋼管(guan)焊接接頭中常常發現的凝固裂紋有焊縫縱向、橫向及火口裂紋(圖2-1)。這種裂紋是焊縫凝固過程在結晶后期產生的,所以稱凝固裂紋。凝固裂紋首先與奧氏體不銹鋼導熱系數小、線膨脹系數大有關,它使焊縫在結晶過程產生較大的收縮變形和拉伸應力,這是產生凝固裂紋的必要條件。結晶裂紋的另一個主要原因是某些容易形成低熔點共晶的元素例如S、P、B、Si、Nb等,在奧氏體基體中的溶解度很低,容易在粗大的方向性很強的柱狀晶、樹枝狀晶體之間偏析和形成低熔點共晶液態薄膜。當在結晶后期,基體已經結晶之后,低熔點共晶仍然以液態形式存在,受收縮拉應力的作用,發生沿晶的開裂。圖2-2是00Cr25Ni20Nb奧氏體焊縫的結晶裂紋及其斷口上柱狀晶的形貌。


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 采用國際焊接學會(IIW)推薦的可調拘束裂紋試驗機對常用的奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性進行了試驗,測出表示凝固裂紋敏感程度的BTR(脆性溫度區間)和Emin(臨界最小應變)。BTR越大Emin越小,表明凝固裂紋越敏感,表2-1中以304不銹鋼321不銹鋼(gang)347不銹鋼316不銹鋼310S不銹鋼為序,凝固裂紋敏感性加強。說明不同成分的奧氏體不銹鋼,凝固裂紋的敏感性也是不同的。表中 304不銹鋼、321不銹鋼、347不銹鋼的敏感性相當且最小,310S不銹鋼最強,316不銹鋼居中。


 由上述凝固裂紋(wen)產生的(de)原因可知防(fang)止(zhi)凝固裂紋(wen)的(de)措施(shi)之(zhi)一,即是要盡可能地減(jian)少母材、焊材中有害元素(su)的(de)含量。


 奧氏體鋼焊縫中存在少量δ鐵素體(4%以上),對防止凝固裂紋有顯著的效果,表2-1中304不銹鋼、321不銹鋼、347不銹鋼的焊縫凝固裂紋敏感性較小,其主要原因就是即使是本身自熔焊縫中,焊后也會存在少量的δ鐵素體的緣故。所以奧氏體不銹鋼的配套焊接材料常常在制造時即已考慮合金元素的含量匹配,使焊縫中形成符合要求的少量鐵素體。鐵素體的有利作用是對硫、磷、硅、鈮等元素溶解度較大,能防止這些元素的偏析和形成低熔點共晶。焊縫中的鐵素體數量是有控制的,過多的鐵素體相使焊縫塑韌性降低。而且假如在焊后又經受熱處理時,可能發生δ→σ+γ'的轉變引起焊縫脆化,所以通常18-8、18-12-2等鋼的相應焊材鐵素體的含量控制在4%~12%之間。


 另一方面在(zai)某(mou)些腐蝕(shi)環境,即使(shi)輕(qing)微的(de)鐵素(su)(su)體(ti)(ti)也可(ke)(ke)(ke)能引起嚴重的(de)問(wen)題,例如在(zai)尿素(su)(su)、醋酸等介質中,焊縫(feng)中的(de)鐵素(su)(su)體(ti)(ti)會發(fa)生(sheng)選擇性腐蝕(shi)。純(chun)奧氏體(ti)(ti)的(de)焊縫(feng)金屬(shu),通過加入Mn、Mo、W、V、Ti可(ke)(ke)(ke)以改(gai)善(shan)其凝(ning)(ning)固(gu)(gu)裂(lie)紋敏(min)感(gan)性,如尿素(su)(su)級不(bu)銹(xiu)鋼的(de)焊材00Cr25Ni22Mn4Mo2N、00Cr18Ni15Mn5Mo2N 鋼和耐硫(liu)酸、磷酸,有機酸抗孔蝕(shi)、應力腐蝕(shi)用的(de)00Cr20Ni24Mo5Cu等焊縫(feng)金屬(shu)雖(sui)然并不(bu)含(han)有鐵素(su)(su)體(ti)(ti)相,但因(yin)Mn、Mo含(han)量較高(gao),仍具有良好的(de)抗熱裂(lie)性能,焊接時不(bu)會產生(sheng)凝(ning)(ning)固(gu)(gu)裂(lie)紋。Mn在(zai)焊縫(feng)金屬(shu)中可(ke)(ke)(ke)與S結合生(sheng)成高(gao)熔(rong)點的(de)MnS從(cong)而防止S的(de)偏析和產生(sheng)低熔(rong)點共晶,而Mo、W可(ke)(ke)(ke)提高(gao)熔(rong)池的(de)結晶溫(wen)度,縮(suo)小(xiao)結晶溫(wen)度范圍(wei),V、Ti可(ke)(ke)(ke)以縮(suo)小(xiao)脆性溫(wen)度區(qu)間(jian)BTR(表2-1)。因(yin)此均對防止凝(ning)(ning)固(gu)(gu)裂(lie)紋起良好作用。


2. 熱影響(xiang)區(液化)裂紋


 奧氏體不銹鋼焊接熱影響區常常可見到緊鄰熔合線處的熱裂紋。這種裂紋與焊縫凝固裂紋(wen)形成的(de)(de)(de)原因(yin)相同(tong),是(shi)由于母(mu)材中(zhong)奧氏體晶(jing)界殘存(cun)著(zhu)比基體熔(rong)點低的(de)(de)(de)低熔(rong)點共(gong)晶(jing)薄膜(mo),在(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)電(dian)弧加熱(re)中(zhong)發生熔(rong)化(hua),并在(zai)隨(sui)后(hou)冷(leng)卻中(zhong)受收縮拉應力的(de)(de)(de)作用(yong)而發生開裂。圖2-3是(shi)含硼304鋼熱(re)影(ying)響區(qu)的(de)(de)(de)液化(hua)裂紋(wen)。在(zai)多(duo)層(多(duo)道)焊(han)(han)(han)縫中(zhong)也(ye)會遇到液化(hua)裂紋(wen),這種情況往往是(shi)先(xian)焊(han)(han)(han)的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)道中(zhong)鐵素(su)體含量(liang)少(shao)或無(wu)鐵素(su)體而存(cun)在(zai)低熔(rong)點共(gong)晶(jing)薄膜(mo),在(zai)隨(sui)后(hou)的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)道的(de)(de)(de)熱(re)影(ying)響下發生開裂。同(tong)樣防(fang)止(zhi)熱(re)影(ying)響區(qu)液化(hua)裂紋(wen)的(de)(de)(de)主要(yao)對策是(shi)盡可能減少(shao)可生成低熔(rong)點共(gong)晶(jing)的(de)(de)(de)有害(hai)元(yuan)素(su)和(he)(he)偏析(xi)程度。因(yin)此在(zai)選用(yong)鋼材和(he)(he)焊(han)(han)(han)材時,特別要(yao)注意有害(hai)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)含,焊(han)(han)(han)接(jie)時應采(cai)用(yong)小的(de)(de)(de)線能量(liang)的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)工藝和(he)(he)規(gui)范,防(fang)止(zhi)熱(re)影(ying)響區(qu)過熱(re),以(yi)及注意接(jie)頭設(she)計和(he)(he)焊(han)(han)(han)接(jie)程序,盡可能減少(shao)焊(han)(han)(han)接(jie)殘余應力。


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3. 高(gao)溫低(di)塑(su)性裂紋


  這種裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)多(duo)數(shu)發生(sheng)(sheng)在(zai)(zai)(zai)單(dan)相奧氏(shi)體鋼(gang)(gang)及合金的(de)(de)(de)(de)熱(re)影響(xiang)區或多(duo)層(ceng)焊(han)縫中先一(yi)層(ceng)(道(dao))焊(han)縫上(shang),其產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍(wei)相當于(yu)再結晶溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du),因此高(gao)溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)在(zai)(zai)(zai)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)比液(ye)化裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)更低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)熱(re)影響(xiang)區。對于(yu)奧氏(shi)體鋼(gang)(gang),在(zai)(zai)(zai)低(di)(di)于(yu)固相線溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)以下的(de)(de)(de)(de)加熱(re)過程(cheng)(cheng)和(he)冷(leng)卻過程(cheng)(cheng),其塑性(xing)變(bian)化是(shi)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(見圖2-4).在(zai)(zai)(zai)加熱(re)過程(cheng)(cheng)中,起初隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)升高(gao),塑性(xing)(ψ值)略有(you)增加,在(zai)(zai)(zai)達到(dao)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)t3時(shi)塑性(xing)開始降(jiang)(jiang)低(di)(di)。到(dao)達tnp時(shi)降(jiang)(jiang)至零。在(zai)(zai)(zai)冷(leng)卻過程(cheng)(cheng)中,塑性(xing)開始恢復,當溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)降(jiang)(jiang)至t3時(shi)已接近原來(lai)加熱(re)時(shi)的(de)(de)(de)(de)水平。但在(zai)(zai)(zai)t2~t1溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍(wei)出(chu)(chu)(chu)現(xian)塑性(xing)降(jiang)(jiang)低(di)(di)。此時(shi)如果存在(zai)(zai)(zai)較大(da)的(de)(de)(de)(de)收(shou)縮應(ying)變(bian),就會引(yin)起裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)。表(biao)2-1中DTR是(shi)用可調拘(ju)束裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)試驗測出(chu)(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)奧氏(shi)體不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)。從表(biao)2-1的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)開始和(he)終了(le)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)及其范(fan)圍(wei)可知,310、316鋼(gang)(gang)分(fen)別在(zai)(zai)(zai)1200~840℃和(he)1180~1050℃產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)高(gao)溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen),其溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍(wei)相應(ying)為350℃和(he)130℃.而347、321、304三(san)種鋼(gang)(gang),既未發現(xian)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)也沒有(you)測出(chu)(chu)(chu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)DTR溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du),表(biao)明(ming)穩定型奧氏(shi)體鋼(gang)(gang)具有(you)較大(da)的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)傾向。而亞穩奧氏(shi)體鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)敏感(gan)性(xing)較小,一(yi)般(ban)焊(han)接過程(cheng)(cheng)中不(bu)(bu)會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)這種裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)。

 

  奧氏體鋼及合金(jin)(jin)冷卻過(guo)程中(zhong)出現塑性(xing)降(jiang)低(di)(di)和(he)產(chan)生高溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂紋(wen)的(de)機制(zhi)相當復雜,簡單(dan)說(shuo)與熱影響區在“再(zai)結晶(jing)(jing)溫(wen)(wen)度”二(er)次晶(jing)(jing)界的(de)形成有(you)(you)關。二(er)次晶(jing)(jing)界又(you)與金(jin)(jin)屬在高溫(wen)(wen)下點陣缺陷(空位、位錯(cuo))的(de)運動(dong)和(he)晶(jing)(jing)界遷移等(deng)(deng)擴散行為(wei)有(you)(you)關。因此(ci)凡是能提高“再(zai)結晶(jing)(jing)溫(wen)(wen)度”和(he)增(zeng)加(jia)(jia)擴散激活能的(de)因素都可以(yi)阻礙二(er)次晶(jing)(jing)界的(de)形成,從而(er)降(jiang)低(di)(di)高溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂紋(wen)的(de)敏感性(xing)。焊縫中(zhong)的(de)鐵素體可以(yi)有(you)(you)效阻止(zhi)位錯(cuo)運動(dong),使(shi)多層焊縫防(fang)止(zhi)高溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂紋(wen)。合金(jin)(jin)元素Mo、W、Ta、Ti等(deng)(deng)可有(you)(you)效地增(zeng)加(jia)(jia)多邊化(hua)激活能,提高再(zai)結晶(jing)(jing)溫(wen)(wen)度,在鋼和(he)焊縫中(zhong)添(tian)加(jia)(jia)這些元素,都有(you)(you)利于防(fang)止(zhi)高溫(wen)(wen)低(di)(di)塑性(xing)裂紋(wen)。


  奧氏體不銹鋼的裂紋問題,曾經是這類鋼最擔心的問題。因此也就成為奧氏體鋼工藝焊接性的指標。事實上,早期不銹鋼中,熱裂紋是經常出現的,相當多的焊接結構存在隱患,是“帶病”工作。隨著對奧氏體鋼管(guan)焊接裂紋的成因、不銹鋼及焊接材料中元素對裂紋的影響、焊縫中鐵素體作用的研究以及新型焊接工藝的開發等,現在奧氏體不銹鋼管(guan)的熱裂紋,在實際焊接產品上已經很少發現,顯著改進了焊接性,提高了焊接結構的安全程度,可以說奧氏體不銹鋼熱裂紋已經有辦法避免和清除。