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(ao)氏(shi)體(ti)耐熱鋼的(de)另一(yi)重要特性(xing)是非磁(ci)(ci)性(xing)（磁(ci)(ci)導(dao)率(lv)1.02)。但冷作加工(gong)可(ke)提高強度和磁(ci)(ci)導(dao)率(lv)。鐵素(su)體(ti)和馬氏(shi)體(ti)型耐熱鋼的(de)磁(ci)(ci)導(dao)率(lv)為600~1100,彌散硬化型耐熱鋼的(de)磁(ci)(ci)導(dao)率(lv)在100以下。
這四類高(gao)合金耐(nai)(nai)熱(re)鋼的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)性因其(qi)金相組織的(de)(de)不同而異。馬氏體型耐(nai)(nai)熱(re)鋼的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)性主要因高(gao)的(de)(de)淬硬性而惡(e)化；鐵素體型耐(nai)(nai)熱(re)鋼焊(han)接(jie)(jie)時，由于(yu)不發生(sheng)同素異構轉變，導致(zhi)重結晶區晶粒(li)長大，結果使接(jie)(jie)頭的(de)(de)韌性降低；奧(ao)氏體型耐(nai)(nai)熱(re)鋼焊(han)接(jie)(jie)的(de)(de)主要問題是熱(re)裂傾向較(jiao)高(gao)；而彌散(san)硬化型耐(nai)(nai)熱(re)鋼的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)特性與(yu)彌散(san)過程中的(de)(de)強化機制有(you)關(guan)。
1. 馬(ma)氏體型高(gao)合金耐熱鋼的焊接(jie)特性(xing)
馬氏(shi)體耐熱鋼(gang)基本上是Fe-Cr-C系合(he)金。通常碳在(zai)11%~18%范圍內。為提高(gao)其熱強性還加入(ru)鉬(mu)、釩等(deng)合(he)金元素這些鋼(gang)幾乎在(zai)所(suo)有的實際冷卻(que)(que)條(tiao)件(jian)下均轉變成馬氏(shi)體組織(zhi)。馬氏(shi)體耐熱鋼(gang)由于(yu)含有足(zu)夠(gou)數量的鉻，使其自820℃以(yi)(yi)上溫度(du)冷卻(que)(que)時具有空(kong)淬(cui)傾向，而(er)從960℃以(yi)(yi)上溫度(du)淬(cui)火可(ke)達到最高(gao)的硬(ying)度(du)。
對(dui)于高鉻耐熱鋼(gang)，鉻含量對(dui)鋼(gang)的焊接(jie)行為有明(ming)顯的影響。當鉻從11%增加(jia)到17%時(shi)，鋼(gang)的淬硬特(te)性會發生(sheng)重大(da)變(bian)化。
當鋼(gang)的(de)碳約為0.08%時，12%鉻(ge)鋼(gang)的(de)焊(han)接(jie)熱影(ying)(ying)響區為全馬(ma)氏體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)。而在(zai)15%鉻(ge)鋼(gang)中，由(you)于鉻(ge)具有穩定鐵素體(ti)(ti)(ti)的(de)作用，可能阻止其完全轉(zhuan)變(bian)為奧氏體(ti)(ti)(ti)而殘留部分未轉(zhuan)變(bian)為鐵素體(ti)(ti)(ti)。這樣(yang)在(zai)快速冷卻(que)的(de)熱影(ying)(ying)響區內(nei)有一部分轉(zhuan)變(bian)為馬(ma)氏體(ti)(ti)(ti)，其余為鐵素體(ti)(ti)(ti)。在(zai)馬(ma)氏體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)中存(cun)在(zai)軟的(de)鐵素體(ti)(ti)(ti)降低了鋼(gang)的(de)硬(ying)度和裂(lie)紋傾向。
馬氏體高(gao)鉻鋼可在退火、淬火，消除應(ying)力(li)處理或回火狀態下焊接。當碳超過(guo)0.15%時，熱(re)影(ying)響區的(de)硬度急劇提高(gao)，冷(leng)裂紋敏感性加大，韌(ren)性下降(jiang)(jiang)。由于這種(zhong)鋼的(de)導熱(re)性較低，導致熱(re)影(ying)響區的(de)溫度梯度更為陡降(jiang)(jiang)，加上組織(zhi)轉變時的(de)體積(ji)變化，可能引起較高(gao)的(de)內應(ying)力(li)，從而進(jin)一步(bu)提高(gao)了冷(leng)裂傾向。
馬氏(shi)體(ti)耐熱(re)(re)鋼焊接接頭(tou)在焊后狀態的(de)(de)(de)工(gong)作能力(li)(li)取決于(yu)熱(re)(re)影(ying)響(xiang)區的(de)(de)(de)綜合(he)力(li)(li)學性(xing)能，包括硬度和(he)韌性(xing)之間的(de)(de)(de)合(he)適匹配。但實現這點，往往是相當(dang)困難的(de)(de)(de)。因(yin)此為(wei)保證馬氏(shi)體(ti)耐熱(re)(re)鋼焊接接頭(tou)的(de)(de)(de)使用可靠性(xing)，通常總是規定做焊后熱(re)(re)處(chu)理。
2. 鐵素(su)體型高合金耐熱(re)鋼的焊接(jie)特(te)性
鐵素(su)體(ti)高(gao)合(he)金(jin)耐熱(re)鋼是一(yi)組(zu)低碳高(gao)鉻Fe-Cr-C合(he)金(jin)。為(wei)阻止(zhi)加熱(re)時形成(cheng)奧氏體(ti)，在(zai)鋼中可加入Al、Nb、Mo和(he)Ti等鐵素(su)體(ti)穩定元素(su)。普通鐵素(su)體(ti)耐熱(re)鋼焊(han)接過(guo)熱(re)區有晶粒(li)長大(da)傾向。使接頭的韌性和(he)塑性急劇降低。為(wei)改善其焊(han)接性，在(zai)降低碳含量的同時增加少量鋁，以阻止(zhi)在(zai)高(gao)溫區內奧氏體(ti)的形成(cheng)和(he)晶粒(li)過(guo)分長大(da)。但為(wei)獲得塑性較高(gao)的接頭，焊(han)后仍需(xu)退火處理。
在(zai)(zai)某些鐵(tie)(tie)素體(ti)高鉻耐熱鋼中(zhong)，820℃以上(shang)溫度(du)可能(neng)形(xing)成(cheng)(cheng)少量(liang)的(de)奧氏(shi)體(ti)。從高溫冷(leng)卻時，奧氏(shi)體(ti)轉變(bian)為(wei)馬(ma)氏(shi)體(ti)，造成(cheng)(cheng)輕(qing)微(wei)的(de)淬硬。因為(wei)鋼中(zhong)只有一部(bu)分(fen)馬(ma)氏(shi)體(ti)，其余還是軟的(de)鐵(tie)(tie)素體(ti)，而能(neng)經(jing)受(shou)馬(ma)氏(shi)體(ti)相(xiang)變(bian)應力。馬(ma)氏(shi)體(ti)主(zhu)要在(zai)(zai)鐵(tie)(tie)素體(ti)的(de)晶界形(xing)成(cheng)(cheng)，對接頭的(de)塑性(xing)可能(neng)起不利的(de)作用(yong)。對于這些鐵(tie)(tie)素體(ti)鉻鋼，焊后最好在(zai)(zai)760~820℃溫度(du)范圍做退(tui)火(huo)處理。
3. 奧氏體型高合金(jin)耐熱鋼(gang)的(de)焊接特性
奧氏體耐(nai)(nai)熱鋼(gang)(gang)與奧氏體系列不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)具有(you)基本(ben)相(xiang)同的(de)焊(han)(han)接特點。總的(de)來說，這(zhe)類鋼(gang)(gang)由于塑性(xing)和韌性(xing)較高，且不(bu)可淬硬，與低合(he)金(jin)、中合(he)金(jin)及高合(he)金(jin)馬氏體和鐵(tie)素體耐(nai)(nai)熱鋼(gang)(gang)相(xiang)比(bi)，具有(you)較好(hao)的(de)焊(han)(han)接性(xing)。奧氏體耐(nai)(nai)熱鋼(gang)(gang)焊(han)(han)接的(de)主要問題(ti)有(you)：鐵(tie)素體含量的(de)控制(zhi)、焊(han)(han)接熱裂紋(wen)、接頭各(ge)種形(xing)式的(de)腐蝕和δ相(xiang)的(de)脆變等。
①. 鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)含量(liang)的(de)控(kong)制(zhi)。奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)耐熱鋼(gang)焊(han)(han)縫金屬中鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)含量(liang)關系到(dao)抗熱裂(lie)性(xing)、δ相(xiang)脆變和(he)熱強(qiang)性(xing)能。從提高抗熱裂(lie)性(xing)出發，要(yao)求焊(han)(han)縫金屬中含有一定的(de)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)，但(dan)從防(fang)止δ相(xiang)脆變和(he)熱強(qiang)性(xing)考慮，鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)含量(liang)越低越好。從焊(han)(han)接冶金和(he)焊(han)(han)接工(gong)藝上妥善和(he)合理地(di)解決(jue)這一矛盾(dun)是(shi)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)耐熱鋼(gang)焊(han)(han)接的(de)核心技(ji)術。
②. δ相的脆變。鉻鎳(nie)奧氏體鋼(gang)和焊縫(feng)金(jin)屬在(zai)高溫持續(xu)加(jia)熱過程中會發生δ相的脆變。δ相的析出溫度范圍為650~850℃。
304不銹(xiu)鋼(gang)在700~800℃溫度下，310S不銹鋼在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(feng)金屬與軋制材料不同，在奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)內總含有一定量的(de)鐵素(su)體(ti)(ti)。在高溫加(jia)熱過程中(zhong)，鐵素(su)體(ti)(ti)逐漸轉(zhuan)變為δ相。隨著轉(zhuan)變溫度(du)的(de)提高，δ相傾向于(yu)球化。δ相亦能直接從奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)析出，或者(zhe)在奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)晶體(ti)(ti)內以魏氏(shi)組織(zhi)形式析出。
