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第4章不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr（wCr≥12%）、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊性。4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性4.1.1不锈钢的基本定义不锈钢的定义不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称，对其含义有以下三种理解：(1)原义型仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢。(2)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。(3)广义型泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢我国目前所谓不锈钢是指习惯型含义。不锈钢及耐热钢的主要成分为Cr和Ni。4.1.2不锈钢及耐热钢的分类1．按主要化学成分分类(1)铬不锈钢指Cr的质量分数介于12%～30%之间的不锈钢，其基本类型为Cr13型。(2)铬镍不锈钢指Cr的质量分数介于12%～30%，Ni的质量分数介于6%～12%和含其他少量元素的钢种，基本类型为Cr18Ni9钢。(3)铬锰氮不锈钢属于节镍型奥氏体不锈钢，化学成分中部分镍被锰、氮替代，可减少镍的含量。氮作为固溶强化元素，可提高奥氏体不锈钢的强度而并不显著损害钢的塑性和韧性，同时提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。这类钢种如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。2．按用途分类(1)不锈钢（指习惯型含义）包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的钢，工作温度一般不超过500℃，要求耐腐蚀，对强度要求不高。(2)抗氧化钢在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。工作温度可高达900～1100℃。常用的钢有高Cr钢（如1Cr17、1Cr25Si2）和Cr-Ni钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）。(3)热强钢在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度可高达600～800℃。广泛应用的是Cr-Ni钢，以Cr12为基的多元合金化高Cr钢（如1Cr12MoWV）也是重要的热强钢。3．按组织分类按空冷后室温来分类，是应用最广泛的分类方法。(1)奥氏体钢是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为8%～25%）而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。(2)铁素体钢显微组织为铁素体，铬的质量分数在11.5%～32.0%范围。主要用作耐热钢（抗氧化钢），也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2。铁素体钢以退火状态供货。(3)马氏体钢显微组织为马氏体，这类钢中铬的质量分数为11.5%～18.0%。Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni12，常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。(4)铁素体－奥氏体双相钢钢中铁素体δ占60﹪～40﹪，奥氏体γ占40﹪～60﹪，故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。(5)沉淀硬化钢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。典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简称17-4PH；半奥氏体（奥氏体＋马氏体）沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称17-7PH。所以，也常称这类钢为PH不锈钢（PrecipitationHardeningStainlessSteels）。随着冶金技术的进步，上述五类钢种也得到较大发展，突出表现为陆续诞生超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、超级双相不锈钢以及马氏体时效不锈钢。4.1.3不锈钢及耐热钢的特性1．不锈钢的物理性能不锈钢及耐热钢的物理性能与低碳钢有很大差异，如表4-1所示。组织状态同类的钢，其物理性能也基本相同。一般地说，合金元素含量越多，热导率λ越小，而线膨胀系数α和电阻率μ越大。马氏体钢和铁素体钢的λ约为低碳钢的1/2，其α与低碳钢大体相当。奥氏体钢的λ约为低碳钢的1/3，其α则比低碳钢大50%，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种金属焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性；奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性；18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件能显示出强磁性。2．不锈钢的耐蚀性能不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。(1)均匀腐蚀均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件而言，会使其承受的真实应力逐渐增加，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。(2)点腐蚀点腐蚀是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生高度的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀（PittingCorrosion），常见蚀点的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。不锈钢常因Cl－的存在而使钝化层局部破坏以至形成腐蚀坑。(3)缝隙腐蚀在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞现象，以至溶液局部Cl－浓化，形成浓差电池，从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl－而被局部破坏的现象称为缝隙腐蚀(4)晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件，外观虽呈金属光泽，但因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。(5)应力腐蚀也称应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking，简称SCC），是指不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。3．不锈钢及耐热钢的高温性能耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性，同时又有足够的强度即热强性。(1)高温性能不锈钢表面形成的钝化膜不仅具有抗氧化和耐腐蚀的性能，而且还可提高使用温度。例如，当在某种标准评定的条件下，若单独应用铬来提高钢的耐氧化性，介质温度达到800℃时，则要求铬的质量分数需达到12%；而在950℃下耐氧化时，则要求铬的质量分数为20%；当铬的质量分数达到28%时，在1100℃也能抗氧化。(2)合金化问题耐热钢的高温性能中首先要保证抗氧化性能。为此钢中一般均含有Cr、Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。热强性是指在高温下长时间工作时对断裂的抗力（持久强度），或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能力（蠕变抗力）。为提高钢的热强性，其措施主要是：1)提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力。2)形成稳定的第二相，主要是碳化物相（MC、M6C、或M23C6）。因此，为提高热强性希望适当提高碳含量（这一点恰好同不锈钢的要求相矛盾）。如能同时加入强碳化物形成元素Nb、Ti、V等就更有效。3)减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等，如奥氏体钢0Cr15Ni26Ti2MoVB中添加wB0.003%。(3)高温脆化问题耐热钢在热加工或长期工作中，可能产生脆化现象。除了Cr13钢在550℃附近的回火脆性、高铬铁素体钢的晶粒长大脆化，以及奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成的脆化之外，值得注意的还有475℃脆性和σ相脆化。475℃脆性主要出现在Cr的质量分数超过15%的铁素体钢中。在430～480℃之间长期加热并缓冷，就可导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称之为475℃脆性。σ相是Cr的质量分数约45%的典型FeCr金属间化合物，无磁性，硬而脆。在纯Fe-Cr合金中，wCr＞20％即可产生σ相。当存在其他合金元素，特别是存在Mn、Si、Mo、W等时，会促使在较低Cr含量下即形成σ相，而且可以是三元组成4.1.4Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影响1．Fe-Cr相图图4-1是Fe-Cr二元合金状态图。铬是缩小奥氏体相区的元素，在其质量分数约大于12%时，奥氏体相区完全消失。这就意味含wCr12%的合金不发生γ-α转变，因而也不会发生晶粒细化和硬化。Cr是强铁素体形成元素，因此在整个的合金范围内，铁素体都可以从液体金属中析出。当含Cr量较高时，脆硬的σ相在约820℃从δ铁素体开始析出。σ相中Cr含量高，所以会发生脆化。由于σ相在晶界析出，消耗了基体中的大量铬，使抗蚀性下降。在低于600℃时，α(δ)铁素体偏析形成低Cr的α铁素体和高Cr的α′铁素体，这就是我们所说的不锈钢的475℃脆化。2．Fe-Ni相图图4-2为Fe-Ni二元合金状态图。与Cr相反，Ni是强奥氏体形成元素。例如，当含wNi5%时,金属熔液就不再凝固为δ铁素体，而是形成奥氏体。铁素体的形成被限制在一个很小的铁素体相区角上。随后再冷却到1400～1500℃时，铁素体又转变成奥氏体。这个转变是包晶反应。凝固形成的γ奥氏体相当稳定，但这一过程有时易于形成偏析图4-1Fe-Cr二元合金状态图图4-2Fe-Ni二元合金状态图3．合金元素对相图的影响(1)碳的影响不锈钢中，碳首先和铬形成化合物，其次是铁。碳是强奥氏体化元素，会使γ相区增大，而δ相区减小。在723℃的纯铁中，碳在γ相中的溶解度是α相中的40倍，可以认为不锈钢中的奥氏体晶粒对碳具有良好的溶解性。但是，由于铬元素具有强烈的形成M23C6碳化物倾向，即使是在碳含量很低的情况下也可以生成，使得碳在奥氏体中活性降低，不锈钢中碳的溶解度大大降低。碳还影响σ相的形成。增加碳含量将使碳化物含量增加，部分铬转变为M23C6高铬碳化物。因而基体中铬的含量减少，σ相析出减缓。从相图上看，σ相区缩小。(2)氮的影响氮是强奥氏体化元素。氮比碳在奥氏体铬－镍不锈钢中的溶解度高得多，并随着铬含量的增加而快速增加，因此氮在奥氏体不锈钢中不易形成脆性析出相。(3)钼的影响同Cr元素一样，Mo也是铁素体形成元素。Mo对γ相区有强烈的缩小作用，C对γ相区有强烈的扩大作用，通过调整Cr、Mo、C的相对含量，就完全可以避免或保留一定量的铁素体。Mo的存在还会使γ相区的边界向高温区迁移。因此，含钼的铬不锈钢比不含钼的铬不锈钢转变成γ相的温度更高。(4)锰的影响Mn是奥氏体形成元素，与Ni相似，会扩大γ相区，使γ-α的转变向低温移动，使得奥氏体组织在室温下也很稳定，但其对奥氏体化的影响比镍弱。锰的影响有两方面：一是可以防止在奥氏体焊缝中的热裂纹；二是提高氮的溶解度。4.2奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。4.2.1奥氏体不锈钢的类型常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同，可分为如下三类：(1)18-8型奥氏体不锈钢是应用最广泛的一类奥氏体不锈钢，也是奥氏体型不锈钢的基本钢种，其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生出来的。(2)18-12Mo型奥氏体不锈钢这类钢中钼的质量分数一般为2%～4%。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素，为了固溶处理后得到单一的奥氏体相，在钢中Ni的质量分数要提高到10%以上(3)25-20型奥氏体不锈钢这类钢铬、镍含量很高，具有很好的耐腐蚀性能和耐热性能。4.2.2奥氏体不锈钢焊接性分析1．奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性(1)晶间腐蚀18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，如图4-3所示。在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决于钢和焊缝的成分。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要决定于图4-318-8钢焊接接头晶间腐蚀现象焊接材料。在正常情况下