高合金耐熱鋼與中低合金耐熱鋼相比，具有獨特的物理性能。表1-9列出馬氏體、鐵素體、奧氏體和彌散硬化型高合金耐熱鋼的典型理化性能數據。對焊接產生較大影響的物理性能有熱膨脹系數、熱導率和電阻。由表中數據可見，與碳鋼相比，奧氏體耐熱鋼的熱膨脹系數較高，將引起較大的焊接變形，而各種高合金耐熱鋼的熱導率均較低，要求采用較低的焊接熱輸入。
奧氏體(ti)耐(nai)(nai)熱鋼(gang)的另一(yi)重要(yao)特性(xing)是非磁(ci)性(xing)（磁(ci)導(dao)率1.02)。但冷(leng)作加(jia)工可提高強度和(he)磁(ci)導(dao)率。鐵素體(ti)和(he)馬氏體(ti)型耐(nai)(nai)熱鋼(gang)的磁(ci)導(dao)率為600~1100,彌散硬化型耐(nai)(nai)熱鋼(gang)的磁(ci)導(dao)率在100以下。
這(zhe)四類(lei)高(gao)合金(jin)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)性因其金(jin)相組織的(de)不(bu)同(tong)而(er)異。馬氏體(ti)型(xing)(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)性主(zhu)要(yao)因高(gao)的(de)淬(cui)硬(ying)性而(er)惡化(hua)；鐵素體(ti)型(xing)(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)時，由于(yu)不(bu)發生同(tong)素異構轉變，導致重結晶(jing)區晶(jing)粒長大，結果使(shi)接(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)韌性降低；奧氏體(ti)型(xing)(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)主(zhu)要(yao)問題是熱(re)裂傾向較高(gao)；而(er)彌(mi)散(san)硬(ying)化(hua)型(xing)(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)特性與彌(mi)散(san)過程中的(de)強化(hua)機制有關。
1. 馬氏(shi)體型高合金(jin)耐熱鋼的焊接特(te)性
馬氏體耐(nai)熱(re)鋼(gang)基本上是(shi)Fe-Cr-C系合金(jin)。通常碳(tan)在(zai)11%~18%范圍(wei)內。為提高其熱(re)強性還加入鉬、釩等合金(jin)元素這些鋼(gang)幾乎在(zai)所(suo)有的實(shi)際冷卻(que)條(tiao)件下均轉(zhuan)變成馬氏體組織。馬氏體耐(nai)熱(re)鋼(gang)由于含有足夠數量的鉻，使其自820℃以(yi)上溫度冷卻(que)時具有空淬傾(qing)向，而(er)從960℃以(yi)上溫度淬火可(ke)達到最高的硬度。
對(dui)于高鉻(ge)耐熱鋼(gang)(gang)，鉻(ge)含量對(dui)鋼(gang)(gang)的焊接行為(wei)有明顯的影(ying)響。當(dang)鉻(ge)從11%增加(jia)到17%時，鋼(gang)(gang)的淬硬特性會發生重大變化。
當(dang)鋼的碳約為(wei)(wei)(wei)0.08%時(shi)，12%鉻鋼的焊接(jie)熱(re)(re)影(ying)響(xiang)區為(wei)(wei)(wei)全馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)。而在(zai)(zai)15%鉻鋼中，由(you)于鉻具(ju)有(you)穩定(ding)鐵素體(ti)(ti)(ti)的作(zuo)用，可(ke)能阻止(zhi)其完全轉變(bian)為(wei)(wei)(wei)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)而殘留(liu)部分(fen)(fen)未轉變(bian)為(wei)(wei)(wei)鐵素體(ti)(ti)(ti)。這樣在(zai)(zai)快速冷卻(que)的熱(re)(re)影(ying)響(xiang)區內有(you)一部分(fen)(fen)轉變(bian)為(wei)(wei)(wei)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)，其余(yu)為(wei)(wei)(wei)鐵素體(ti)(ti)(ti)。在(zai)(zai)馬氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)中存在(zai)(zai)軟的鐵素體(ti)(ti)(ti)降低了鋼的硬度和裂(lie)紋傾向。
馬氏體高鉻鋼可在退火、淬(cui)火，消(xiao)除(chu)應力處(chu)理(li)或(huo)回火狀態下(xia)焊接。當碳超(chao)過(guo)0.15%時，熱影響區的(de)(de)硬度急(ji)劇(ju)提高，冷裂紋敏感性(xing)加大(da)，韌性(xing)下(xia)降。由(you)于(yu)這種鋼的(de)(de)導熱性(xing)較(jiao)低(di)，導致(zhi)熱影響區的(de)(de)溫(wen)度梯度更為(wei)陡降，加上組(zu)織轉變時的(de)(de)體積變化(hua)，可能引起較(jiao)高的(de)(de)內(nei)應力，從而進一步提高了冷裂傾向(xiang)。
馬氏體耐熱鋼焊接接頭(tou)在(zai)焊后(hou)狀(zhuang)態的工作能力取(qu)決于熱影響區的綜合力學(xue)性能，包括硬度和韌性之(zhi)間的合適(shi)匹配。但實現這(zhe)點，往(wang)(wang)往(wang)(wang)是相當(dang)困(kun)難的。因此為(wei)保證(zheng)馬氏體耐熱鋼焊接接頭(tou)的使用可靠性，通常總是規(gui)定做焊后(hou)熱處理(li)。
2. 鐵素體型高合金耐熱(re)鋼的焊接特性(xing)
鐵素體(ti)(ti)高(gao)(gao)(gao)合(he)金耐(nai)熱(re)(re)鋼(gang)(gang)是一組低碳高(gao)(gao)(gao)鉻Fe-Cr-C合(he)金。為阻止(zhi)加熱(re)(re)時(shi)形成奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)，在鋼(gang)(gang)中可(ke)加入Al、Nb、Mo和Ti等鐵素體(ti)(ti)穩定元素。普通(tong)鐵素體(ti)(ti)耐(nai)熱(re)(re)鋼(gang)(gang)焊接(jie)過(guo)(guo)熱(re)(re)區有晶粒長(chang)大(da)傾向。使接(jie)頭的(de)韌(ren)性和塑(su)性急劇降低。為改善其焊接(jie)性，在降低碳含量(liang)的(de)同時(shi)增(zeng)加少量(liang)鋁，以阻止(zhi)在高(gao)(gao)(gao)溫區內奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)的(de)形成和晶粒過(guo)(guo)分長(chang)大(da)。但為獲(huo)得塑(su)性較高(gao)(gao)(gao)的(de)接(jie)頭，焊后(hou)仍需退火處理。
在某些鐵素(su)(su)體(ti)(ti)(ti)高鉻耐熱鋼中，820℃以上溫度(du)可能(neng)(neng)形(xing)成(cheng)少量(liang)的奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)。從高溫冷卻時，奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)轉變為(wei)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)，造成(cheng)輕微的淬(cui)硬。因為(wei)鋼中只有一部分(fen)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)，其余(yu)還是(shi)軟的鐵素(su)(su)體(ti)(ti)(ti)，而能(neng)(neng)經受馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)相變應力。馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)主(zhu)要(yao)在鐵素(su)(su)體(ti)(ti)(ti)的晶(jing)界形(xing)成(cheng)，對接頭的塑性可能(neng)(neng)起不利的作用。對于這些鐵素(su)(su)體(ti)(ti)(ti)鉻鋼，焊后(hou)最好在760~820℃溫度(du)范圍做退火處理。
3. 奧氏體型高合金耐熱鋼的(de)焊(han)接(jie)特性
奧氏體(ti)耐(nai)熱(re)(re)鋼(gang)與奧氏體(ti)系列不銹鋼(gang)具(ju)有基本相(xiang)同的焊(han)接特點。總的來(lai)說，這類鋼(gang)由于塑性和(he)韌性較高，且不可淬硬，與低合(he)金、中(zhong)合(he)金及高合(he)金馬(ma)氏體(ti)和(he)鐵素體(ti)耐(nai)熱(re)(re)鋼(gang)相(xiang)比，具(ju)有較好的焊(han)接性。奧氏體(ti)耐(nai)熱(re)(re)鋼(gang)焊(han)接的主要(yao)問題有：鐵素體(ti)含量的控制、焊(han)接熱(re)(re)裂紋、接頭各種形式(shi)的腐蝕和(he)δ相(xiang)的脆(cui)變等。
①. 鐵素(su)體(ti)含量的(de)控制(zhi)。奧氏體(ti)耐熱鋼焊(han)縫(feng)金屬中鐵素(su)體(ti)含量關系到抗熱裂性(xing)、δ相(xiang)脆(cui)變(bian)和熱強性(xing)能(neng)。從提高抗熱裂性(xing)出(chu)發，要求焊(han)縫(feng)金屬中含有一定的(de)鐵素(su)體(ti)，但從防止δ相(xiang)脆(cui)變(bian)和熱強性(xing)考慮，鐵素(su)體(ti)含量越(yue)低(di)越(yue)好(hao)。從焊(han)接冶金和焊(han)接工(gong)藝上妥善和合理地解決這一矛盾是奧氏體(ti)耐熱鋼焊(han)接的(de)核(he)心技術。
②. δ相(xiang)的脆變(bian)。鉻鎳(nie)奧氏體鋼(gang)和焊縫金(jin)屬在高溫持(chi)續加(jia)熱過(guo)程中會發生δ相(xiang)的脆變(bian)。δ相(xiang)的析出溫度范圍為650~850℃。
304不(bu)銹(xiu)鋼在700~800℃溫度下，310S不銹(xiu)鋼(gang)在800~850℃溫度下δ相析出的敏感性最大。310S不銹鋼在800℃以下加熱時，δ相的析出速度要慢得多，在900℃以上高溫下，δ相不再析出。在304不銹鋼中，當溫度超過850℃時，δ相不再析出。
焊(han)縫金(jin)屬與軋制(zhi)材料(liao)不同，在(zai)(zai)(zai)奧氏體(ti)(ti)組織內總含(han)有一定量的鐵(tie)素體(ti)(ti)。在(zai)(zai)(zai)高(gao)溫加(jia)熱過(guo)程中，鐵(tie)素體(ti)(ti)逐漸(jian)轉(zhuan)(zhuan)變為δ相。隨著轉(zhuan)(zhuan)變溫度的提高(gao)，δ相傾向于(yu)球化。δ相亦能直接從奧氏體(ti)(ti)中析出(chu)，或(huo)者在(zai)(zai)(zai)奧氏體(ti)(ti)晶體(ti)(ti)內以魏氏組織形式析出(chu)。
