作者：杨海明
出版社：辽宁科学技术出版社
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不锈钢与特殊用途钢的焊接（焊接施工工艺与操作系列丛书）试读：
前言
随着现代工业和科学技术的快速发展，焊接技术在国民经济发展和现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它广泛应用于汽车、机械工程、船舶、航空航天、石油化工、重型机械、锅炉、压力容器等领域。要掌握各种金属材料的焊接技能，就必须要了解各种金属材料的性能，掌握其相应的焊接工艺和必要的操作要领。借鉴成熟的经验，遵循合理的工艺和采用良好的操作手段进行施工生产，是控制焊接质量的必要条件。
为此，我们编写了《焊接施工工艺与操作系列丛书》，包括《碳素钢与低合金钢的焊接》《不锈钢与特殊用途钢的焊接》《有色金属的焊接》《铸铁与堆焊材料的焊接》和《异种金属的焊接》，希望能对焊接技术技能人才专业技能水平的提高提供一定的帮助。
本丛书根据焊接生产施工实际情况，结合作者多年从事生产和教学的经验，介绍了常用金属材料的焊接施工工艺与操作技法。内容以注重生产实用性、实用技术为主，理论知识为辅，特别注重了各项技能技巧的编写。本册介绍了各类不锈钢与特殊用途钢的种类、牌号、用途、焊接性、焊接材料、焊接方法和相应工艺、操作要领，以及各类不锈钢与特殊用途钢的焊接缺陷防止措施、实际工程的应用等。力求做到通俗、易读、紧贴实际应用，适合生产一线工人和技术人员以及职业院校师生等读者群使用参考。
本书由江苏省常州技师学院杨海明主编，杭明峰副主编，徐鸿、勾容、茅健、季炼平、曾鹏参编。
本书引用了大量的参考文献，在此向所引用文献的作者表示感谢。由于编者水平有限，书中误漏之处在所难免，恳请读者批评指正。编者第1章不锈钢与特殊用途钢的材料及焊接性1.1 不锈钢的材料1.1.1 不锈钢概述
不锈钢的定义是在钢中加入一定含量（质量分数应高于12%）铬元素，使钢处于钝化状态，表现为具有不锈特性的钢。此时，钢的表23面能迅速形成致密的CrO氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介质24中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化性介质（HCl、HSO）中，铬的作用不明显，除了铬外，不锈钢中还必须加入能使钢钝化的Ni、Mo等其他元素。
通常说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢一般泛指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢。耐酸钢则是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。两者化学成分上的共同特点是铬的质量分数均在12%以上，但由于合金化的差异，不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈性能。按照习惯叫法，将不锈钢和耐酸钢简称为不锈钢。1.1.2 不锈钢的种类、化学成分及其用途
不锈钢按照组织类型，可分为五类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
不锈钢的重要特性之一是耐蚀性，然而不锈钢的不锈性都是相对的、有条件的，受到诸多因素的影响，包括介质的种类、浓度、纯净度、流动状态，使用环境的温度、压力等，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。因此选用不锈钢时应根据具体的使用条件加以合理选择，才能获得良好的使用效果。
奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最为广泛，品种也最多。由于奥氏体不锈钢的铬、镍含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。奥氏体不锈钢的塑性、韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其他类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工、原子能等工业领域。
铁素体不锈钢的应用比较广泛，其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，例如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用电器等。超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感，同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等。
马氏体不锈钢应用较为广泛的是Cr13型马氏体不锈钢。为获得或改善某些性能，添加镍、钼等合金元素，形成一些新的马氏体不锈钢，例如0C13Ni4Mo、0Cr16Ni5Mo等。马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高，耐腐蚀性要求不太高的场合，如量具、刃具、餐具、弹簧、轴承、汽轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。
双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相都占有较大的比例。双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特性，韧性良好、强度较高、耐氯化物应力腐蚀。适于制作海水处理设备、冷凝器、热交换器等，在石油、化工领域应用广泛。
沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐腐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。1.1.3 不锈钢的组织特点
不锈钢的组织有以下几种组织类型。（1）奥氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。为改善某些性能，满足特殊用途要求，在一些钢中单独或复合添加了N、Nb、Cu、Si等合金元素。奥氏体不锈钢通常在室温下为奥氏体组织，也有一些奥氏体不锈钢室温下的组织为奥氏体加少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止焊接热裂纹的产生。奥氏体不锈钢不能用热处理方法强化，但由于这类钢具有显著的冷加工硬化性，可通过冷变形方法提高强度。经冷变形产生的加工硬化，可采用固溶处理使之软化。（2）铁素体不锈钢。
近年来，铁素体不锈钢逐渐向高纯度发展，使铁素体不锈钢的脆化倾向和焊接性得到明显改善。该类钢在固溶状态下为铁素体组织。当钢中铬的质量分数超过16%时，仍存在加热脆化倾向。在400～600℃温度区间停留易出现475℃脆化，在650～850℃温度区间停留易引起δ相析出而导致脆化，加热至900℃以上易造成晶粒粗化，使塑性、韧性降低。这类钢还有脆性转变特性，其脆性转变温度与钢中碳、氮含量，热处理时的冷却速度以及截面尺寸有关，碳、氮含量越低，截面尺寸越小，脆性转变温度越低。475℃脆化和δ相析出引起脆化，可通过热处理方法予以消除。采用516℃以上短时加热后空冷，可消除475℃脆化，加热到900℃以上急冷可消除δ相脆化。（3）马氏体不锈钢。
马氏体不锈钢铬的质量分数范围为12%～18%，碳的质量分数范围为0.1%～1.0%，也有一些碳含量更低的马氏体不锈钢，如0Cr13Ni5Mo等。马氏体不锈钢加热时可形成奥氏体，一般在油或空气中冷却即可得到马氏体组织。碳含量较低的马氏体不锈钢淬火状态的组织为板条马氏体加少量铁素体，如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。当碳的质量分数超过0.3%时，正常淬火温度加热时碳化物不能完全固溶，淬火后的组织为马氏体+碳化物。（4）铁素体-奥氏体双相不锈钢。
铁素体-奥氏体双相不锈钢室温下的组织为铁素体+奥氏体，通常铁素体的体积分数不高于50%。双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，具有较低的热裂倾向，而与铁素体不锈钢相比，则具有较低的加热脆化倾向，其焊接热影响区铁素体的粗化程度也较低。但这类钢仍然存在铁素体不锈钢的各种加热脆性倾向。（5）沉淀硬化不锈钢。
沉淀硬化不锈钢包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，空冷至室温即可得到马氏体加少量铁素体和残留奥氏体或马氏体加少量残留奥氏体。再通过不同的时效温度，可得到不同的强化效果。半奥氏体沉淀硬化不锈钢固溶处理后，冷却至室温得到的是不稳定的奥s氏体组织。经700～800℃加热调整处理，析出碳化铬，使m点升高至室温以上，冷却后即转变为马氏体。再在400～500℃时效，达到sf进一步强化。这类钢也可在固溶处理后直接冷却至m与m之间，得到部分马氏体组织。再经时效处理，亦可达到强化效果。奥氏体沉淀硬化不锈钢的铬、镍或锰含量较高，无论采用何种热处理，室温下均为奥氏体组织。经时效处理，在奥氏体基体上析出沉淀硬化相，从而获得更高的强度。由于这类钢中含有较多硬化元素，比普通奥氏体不锈钢的焊接性差。1.1.4 不锈钢的物理性能和力学性能（1）不锈钢的物理性能。
奥氏体不锈钢比电阻可达碳钢的5倍，线胀系数比碳钢大约50%，而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线胀系数大体上和碳钢相同。奥氏体不锈钢的导热系数为碳钢的1/2左右。奥氏体不锈钢通常是非磁性的。铬当量和镍当量较低的奥氏体不锈钢在冷加工变形量较大的情况下，会产生诱导马氏体，从而产生磁性。用热处理方法可消除这种马氏体和磁性。（2）不锈钢的力学性能。
马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低，可淬火硬化，正常使用时的回火状态的硬度又稍有所下降。铁素体钢的特点是常温冲击韧性低。当在高温长时间加热时，力学性能进一步恶化，可能导致475℃脆化、δ脆性或晶粒粗大等。奥氏体不锈钢常温具有低的屈强比（40%～50%），而伸长率、断面收缩率和冲击吸收功均很高，并具有高的冷加工硬化性。某些奥氏体不锈钢经高温加热后，会产生δ相和晶界析出碳化铬引起的脆化现象。在低温下，铁素体和马氏体不锈钢的夏比冲击吸收功均很低，而奥氏体不锈钢则有良好的低温韧性。对含有百分之几铁素体的奥氏体不锈钢，则应注意低温下塑性和韧性降低的问题。1.1.5 不锈钢的耐腐蚀性能
金属受介质的化学或电化学作用而破坏的现象称为腐蚀。不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）和局部腐蚀，局部腐蚀包括晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。据统计，在不锈钢腐蚀破坏事故中，由均匀腐蚀引起的仅占10%，而由局部腐蚀引起的则高达90%以上，由此可见，局部腐蚀是相当严重的腐蚀。（1）均匀腐蚀。
铬不锈钢在氧化性介质中容易先在表面形成富铬氧化膜。该膜将阻止金属的离子化而产生钝化作用，提高了金属的耐均匀腐蚀性能。铬不锈钢或铬镍不锈钢因铬的钝化作用而对氧化性酸、大气均有较好的耐均匀腐蚀性能。但单纯依靠铬钝化的铬不锈钢在非氧化性酸，如稀硫酸和醋酸中耐均匀腐蚀性能相对较低。高铬镍的奥氏体不锈钢，由于高镍或添加钼、铜之类元素，具有较高的耐还原性酸腐蚀的性能。该类钢又有耐酸钢之称。
沉淀硬化型不锈钢由于高铬，也有较好的耐均匀腐蚀性能。但由于强化处理，按碳化铬析出或时效的情况不同，耐蚀性能也有相应的损失或降低。（2）局部腐蚀。
①晶间腐蚀。在腐蚀介质的作用下，起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀称为晶间腐蚀。它是一种局部腐蚀。晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失，材料强度几乎消失，是一种很值得重视的危险的腐蚀现象。导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因很多，主要有碳化铬析出引起的晶间腐蚀、δ相析出引起的晶间腐蚀、晶界吸附引起的晶间腐蚀和稳定化元素高温溶解引起的晶间腐蚀等。
②点蚀及缝隙腐蚀。点蚀的形成主要是由于材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。降低碳含量，增加铬和钼以及镍的含量等都能提高抗点蚀能力。所以现在有超低碳高铬镍含钼奥氏体不锈钢和超高纯度含钼高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点蚀性能。
缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑。适当增加铬、钼含量可以改善耐缝隙腐蚀的能力。实际上只有采用钛、高钼镍合金和铜合金等才能有效地防止缝隙腐蚀的发生。
③应力腐蚀断裂（SCC）。应力腐蚀是指在静拉伸应力与电化学介质共同作用下，因阳极溶解过程引起的断裂。在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质的共同作用下，现有不锈钢均有产生应力腐蚀的可能性。1.2 不锈钢的焊接性1.2.1 奥氏体不锈钢的焊接特点
奥氏体不锈钢具有良好的焊接性。（1）热裂纹。
焊接奥氏体不锈钢时，主要是其枝晶方向性强，线膨胀系数大，焊缝冷却时收缩应力大，容易出现热裂纹，并且变形倾向大。
生产中防止热裂纹的措施有：采用焊缝金属为奥氏体-铁素体双相组织的焊条焊接奥氏体不锈钢；采用低氢焊条促使焊缝金属晶粒细化，减小焊缝中有害杂质，提高焊缝的抗裂性；采取尽量快的焊速，等待焊层冷却后再焊下一道，以减小焊缝过热；焊接结束或中断时，收弧要慢，填满弧坑，防止弧坑裂纹；选用较小的焊接电流。（2）晶间腐蚀。
当焊缝及热影响区在450～850℃温度范围保持一段时间后，可能在晶界会析出铬的碳化物，发生晶间腐蚀倾向。在焊接过程中，母材和焊缝金属的局部区域在此危险温度区间内停留时，会给焊接接头造成晶间腐蚀。有时焊后进行热处理也会造成晶间腐蚀。
生产中避免晶间腐蚀的措施有：采取尽可能快的焊接速度；焊条不横向摆动；多焊道时，等前一焊道冷却到60℃左右时再焊下一道；与腐蚀介质接触的焊缝最后焊接；尽量减少焊接接头在危险温度范围内停留的时间。1.2.2 铁素体不锈钢的焊接特点
①铁素体型不锈钢在加热和冷却过程中不发生相变，不会产生淬火硬化现象。
②被加热到950℃以上的部分（焊缝及热影响区）晶粒长大倾向严重，且不能用焊后热处理的方法使粗大晶粒细化，接头韧性降低，增加冷裂倾向。
③焊缝及热影响区如在400～600℃温度范围停留，容易出现“475℃脆性”。在650～850℃温度区间停留，则易引起δ相析出脆化。
④焊接时应注意在上述两个温度区间的加热和冷却速度。600℃以上短时加热后空冷可消除475℃脆化；加热至930～980℃急冷，可消除δ相析出脆化。
⑤焊前预热可防止裂纹产生。1.2.3 马氏体不锈钢的焊接特点
①马氏体型不锈钢具有强烈的淬硬倾向，焊接时热影响区容易产生粗大的马氏体组织，母材含碳量越高，淬硬倾向越大。
②焊后残余应力较大，极易产生冷裂纹。焊接接头中氢的含量增加会加重冷裂纹倾向。
③马氏体型不锈钢会产生较大的过热倾向，焊接接头中受热超过1150℃的区域，晶粒长大显著，过快或过慢的冷却都可能引起接头脆化。另外，马氏体型不锈钢与铁素体型不锈钢一样也有475℃时的脆性，焊前预热和焊后热处理都必须注意。1.2.4 双相不锈钢的焊接特点
双相不锈钢具有良好的焊接性，尽管其凝固结晶为单相铁素体，但在一般的拘束条件下，焊缝金属的热裂纹敏感性很小，当双相组织的比例适当时，其冷裂纹敏感性也较低。但应注意，双相不锈钢中毕竟具有较高的铁素体，当拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，还存在焊接氢致裂纹的危险。因此，在焊接材料选择与焊接过程中应控制氢的来源。1.2.5 沉淀硬化不锈钢的焊接特点
沉淀硬化马氏体不锈钢具有良好的焊接性，进行同材质等强度焊接时，在拘束度不大的情况下，一般不需要焊前预热或后热，焊后热处理采用与母材相同的低温回火时效将可获得等强度的焊接接头。当不要求等强度的焊接接头时，通常采用奥氏体类的焊接材料焊接，焊前不预热、不后热，焊接接头中不会产生裂纹，在热影响区，虽然形成马氏体组织，但由于碳含量低，没有强烈的淬硬倾向，在拘束度不大的情况下，不会产生焊接冷裂纹。值得注意的是，如果母材中强化元素偏析严重，如铸件的质量较差，将恶化焊接热影响区的焊接性与塑韧性。
析出硬化半奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，当焊缝与母材成分相同时，即要求同材质焊接时，在焊接热循环的作用下，将可能出现如下问题。
①焊缝及近缝区铁素体含量过高将可能引起接头的脆化。②焊接接头的强度难以与母材相匹配。
当不要求同材质等强度焊接时，可采用常用的奥氏体型焊接材料，焊缝及热影响区均没有明显的裂纹敏感性。
析出硬化奥氏体不锈钢A-286钢虽然有较多的时效强化合金元素，但其焊接性与半奥氏体析出强化不锈钢的焊接性相比，采用通常的熔焊工艺时，裂纹敏感性小，焊前不需要预热或后热。焊后按照母材时效处理的工艺进行焊后热处理即可获得接近等强度的焊接接头。对于17-10P钢，尽管严格控制了S的含量，但由于P的质量分数高达0.30%，高温时磷化物在晶界的富集不可避免，由此造成近缝区具有很大的热裂敏感性与脆性，致使熔化焊工艺难以采用，一些特种焊工艺，如闪光焊及摩擦焊工艺比较适合该钢的焊接。1.3 耐热钢的材料1.3.1 耐热钢的种类
碳素结构钢的强度性能随着工作温度的提高而急剧下降，其极限的工作温度为350℃。在更高的温度下必须采取含有一定合金元素的合金钢，这些合金钢统称为耐热钢。它们按照合金的成分及其质量分数，具有比普通碳素钢高得多的高温短时强度和持久强度。
耐热钢按其合金成分的质量分数可分为低合金、中合金和高合金耐热钢。合金元素总质量分数在5%以下的合金钢统称低合金耐热钢，其合金系列有：C-Mo、C-Cr-Mo、C-Cr-Mo-V-Nb、C-Mn-V、C-Cr-Mo-V、C-Mn-Mo-V、C-Mn-Ni-Mo和C-Cr-Mo-V-Ti-B等。对焊接结构用低合金耐热钢，为改善其焊接性，碳的质量分数控制在0.20%以下，某些合金成分较高的低合金耐热钢，标准规定的碳质量分数不高于0.15%。
这些低合金耐热钢通常以退火状态或正火+回火状态供货。合金总质量分数在2.5%以下的低合金耐热钢在供货状态下具有珠光体+铁素体组织，故也称珠光体耐热钢。合金总质量分数为3%～5%的低合金耐热钢，在供货状态下具有贝氏体+铁素体组织，亦称其为贝氏体耐热钢。合金总质量分数为6%～12%的合金钢系列通称中合金耐热钢。目前，用于焊接结构的中合金耐热钢的合金系列有：C-Cr-Mo、C-Cr-Mo-V、C-Cr-Mo-Nb、C-Cr-Mo-V-Nb、C-Cr-Mo-W-V-Nb等。这些中合金钢必须以退火状态或正火+回火状态供货，某些钢也可以调质状态供货。合金总质量分数在10%以下的耐热钢，在退火状态下具有铁素体+合金碳化物的组织。在正火+回火状态下，这些合金钢的组织为铁素体+贝氏体。当钢的合金总质量分数超过10%时，其供货状态下的组织为马氏体，属于马氏体级耐热钢。
合金总质量分数高于13%的合金钢称为高合金耐热钢，按其供货状态下的组织可分为马氏体、铁素体和奥氏体三种。应用最广泛的高合金耐热钢为铬镍奥氏体耐热钢，其合金系列有：Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Nb-N、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb、Cr-Ni-Si、Cr-Ni-Ce-Nb、Cr-Ni-Cu-Nb-V、Cr-Ni-Mo-Nb-Ti、Cr-Ni-Cu-W-Nb-N等。1.3.2 耐热钢的应用范围
在常规热电站、核动力装置、石油精炼设备、加氢裂化装置、合成化工容器、煤化工装置、宇航器械以及其他高温加工设备中，保证高温高压设备长期工作的可靠性和经济性具有头等重要的意义，为此应综合考虑下列因素。
①常温和高温短时强度。
②高温持久强度和蠕变强度。
③耐蚀性、抗氢能力和抗氧化性。
④抗脆断能力。
⑤可加工性，包括冷、热成形性能，热切割性和焊接性。⑥经济性。1.3.3 低合金耐热钢的化学成分、力学性能和热处理状态
目前，在动力工程、石油化工和其他工业部门应用的低合金耐热钢已有20余种。其中最常用的是Cr-Mo型、Mn-Mo型耐热钢和Cr-Mo基多元合金耐热钢，如俄罗斯钢种12X2МϕСР和我国自行研制的12Cr2MoWVTiB等。
在普通碳钢中加入各种合金元素，可提高钢的高温强度，其中以Mo、V、Ti等元素的作用最为强烈。
当在钢中再加入其他合金元素，可明显提高钢的组织稳定性，如在钼钢中加入1.0%（质量分数）以上的铬和微量的铌、钨和硼等碳化物形成元素，可进一步提高钢的蠕变强度和钢的组织稳定性。
表1-1列出了已纳入国标的10余种国产低合金耐热钢的化学成分，其标准力学性能列于表1-2。表1-1常用低合金耐热钢标准化学成分（GB5310—1995、GB6654—1996）表1-2常用低合金耐热钢的标准力学性能（GB5310—1995、GB6654—1996）1.3.4 中合金耐热钢的化学成分和力学性能
在动力、化工和石油等工业部门经常使用的中合金耐热钢有：5Cr-0.5Mo、7Cr-0.5Mo、9Cr-1MoV、9Cr-1Mo-V-Nb、9Cr-2Mo、9Cr-2Mo-V-Nb和9Cr-Mo-V-Nb等。这类耐热钢的主要合金元素是Cr，其使用性能主要决定于Cr含量，Cr含量越高，耐高温性能和抗高温氧化性能越好。在常规的碳含量下，所有中合金耐热钢的组织均为马氏体组织。为提高铬钢的焊接性，控制过冷奥氏体的转变速度，在降低含碳量的同时，加入W、V、Ti和Nb等合金元素。近年来已研制出多种焊接性尚可的低碳多元中合金耐热钢，例如w（C）为0.19%的9Cr1MoVNb、9Cr1MoWVNb和9Cr0.5Mo1.8WVNb等钢，其性能填补了低合金珠光体耐热钢和高合金奥氏体耐热钢之间的空白。这些抗氧化性和耐热性良好的中合金耐热钢在高温高压锅炉和炼油高温设备中部分取代了高合金奥氏体耐热钢，取得了较好的经济效果。
一些常用的中合金耐热钢的标准化学成分和力学性能分别列于表1-3和表1-4。
中合金耐热钢由于其合金含量较高，具有相当高的空淬特性。为保证其优良的综合力学性能，钢材轧制成材后，必须做相应的热处理。这些热处理包括：等温退火、完全退火和正火加回火。表1-3常用中合金耐热钢的标准化学成分（GB5310—1995、GB9948—2006）表1-4常用中合金耐热钢标准力学性能指标1.3.5 高合金耐热钢的化学成分和力学性能
根据现行高合金耐热钢国家标准，按其组织特征可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和弥散硬化型四类。按其基本合金体系，可分为两类，即铬镍型和高铬型。为提高这些耐热钢的抗氧化性和热强钢性并改善其加工工艺性能，这两种基本合金体系中，还分别加入Ti、Nb、Al、W、V、Mo、B、Si、Mn和Cu等合金元素。（1）合金元素对高合金耐热钢力学性能的影响。
在铬镍型奥氏体耐热钢中，铬提高了钢在氧化环境中的热强性，其作用是通过γ固溶体强化，但强化程度低于钼和钒。铬也是碳化物形成元素，因碳化铬的耐热性较低，其强化效果不明显。
碳是一种强烈的奥氏体形成元素，碳含量只增加万分之几就可以抵消18-8型奥氏体中铁素体形成元素的作用。碳和氮共同提高奥氏体钢的热强性。氮的强化作用在于时效过程中形成氮化物和碳氮化合物相。
硅和铝能提高奥氏体钢的抗氧化性。在18-8型Cr-Ni钢中，w（Si）从0.4%提高到2.4%，钢在980℃下的抗氧化性可提高近20倍，但硅严重恶化稳定型奥氏体钢的焊接性。铝对Cr-Ni型奥氏体钢热强性的强化作用不大。在弥散硬化高合金钢中，增加铝含量可提高室温和高温强度。
钛和铌的行为有较大的差别。在镍含量较低的奥氏体钢中，钛与碳结合成稳定的碳化物。加入少量的钛可提高钢的持久强度。铌与碳形成最难熔的碳化物之一NbC，当w（Nb）增加到0.5%～2.0%时可提高奥氏体耐热钢的热强性，同时也改善钢的持久塑性。但铌可能促使碳含量较低的奥氏体钢形成近缝区液化裂纹和焊缝金属的热裂纹。
钼提高了奥氏体耐热钢的热强性，其强化作用在于稳定了γ固溶体和晶界的强化。钼也改善了奥氏体钢的短时塑性和长时塑性。对焊接性产生一定的有利影响。在弥散硬化钢中，钼作为弥散强化元素，其作用最强烈。钼的不利作用是降低了奥氏体钢的冲击韧度。
钨在很多方面相似于钼。钨单独加入时，只是强化了γ固溶体，不会使钢的热强性明显提高。不过它与其他元素共同加入奥氏体钢时，可能引起固溶体的弥散硬化。在这种情况下，钨提高了钢的热强性，但降低奥氏体钢的韧性。
在Cr-Ni型奥氏体钢中，钒提高热强性的作用不大。在氧化性介质中，钒可能降低钢的抗高温氧化性。但在13%Cr钢中，V和Mo、W、Nb等元素一样，可提高钢的热强性。
硼以微量成分加入奥氏体钢时，提高了钢的热强性。例如在Cr14Ni18W2Nb型奥氏体钢中，w（B）从0.005%增加到0.015%时，钢的650℃高温持久强度从118MPa提高到176MPa。
在高合金铬镍钢中，加入Cu、Al、Ti、B、Nb、N、P等元素可促使其产生弥散硬化，从而提高钢的热强性。（2）高合金耐热钢标准化学成分和力学性能。
我国和世界主要工业国家常用的奥氏体型、铁素体型和马氏体型高合金耐热钢的标准化学成分列于表1-5。这些钢在供货状态下的力学性能分别列于表1-6、表1-7和表1-8。表1-5高合金耐热钢的标准化学成分（GB/T4238—1992）表1-6奥氏体型高合金耐热钢的标准力学性能（GB/T4238—1992）表1-7铁素体型和马氏体型高合金耐热钢的标准力学性能（GB/T4238—1992）KV
注：X20CrMoV12-1要求常温A。表1-8弥散硬化型高合金耐热钢的标准力学性能1.4 耐热钢的焊接性1.4.1 低合金耐热钢的焊接特性
首先，这些钢按其合金含量具有不同程度的淬硬倾向。在各种熔焊热循环决定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂敏感的显微组织；其次，耐热钢中大多数含有Cr、Mo、V、Nb和Ti等强碳化物形成元素，从而使接头的过热区具有不同程度的再热裂纹（亦称消除应力裂纹）敏感性。最后，某些耐热钢焊接接头，当有害的残余元素总含量超过容许极限时还会出现回火脆性或长时脆变。（1）淬硬性。
钢的淬硬性取决于它的含碳量、合金成分及其含量。低合金耐热钢中的主要合金元素铬和钼等都能显著地提高钢的淬硬性。其作用机理是延迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。（2）再热裂纹倾向。
低合金耐热钢焊接接头的再热裂纹倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊后热处理温度参数。通常可以Psr裂纹指数粗略地表征一种钢的再热裂纹敏感性。
Psr可取钢的实际合金成分含量按下式计算：
Psr=w（Cr）+w（Cu）+2w（Mo）+10w（V）+7w（Nb）+5w（Ti）-2
如Psr≥0，则就有可能产生再热裂纹。但在实际的结构中，再热裂纹的形成还与焊接热参数、接头的拘束应力以及热处理的工艺参数有关。对于某些再热裂纹倾向较高的耐热钢，当采用高热输入焊接方法时，如多丝埋弧焊或带极埋弧焊，即使焊后未做消除应力热处理，在接头高拘束应力作用下也会形成焊缝层间或堆焊层下过热区再热裂纹。（3）回火脆性（长时脆变）。
铬钼钢及其焊接接头在370～565℃温度区间长期运行过程中会发生渐进的脆变现象，称为回火脆性或长时脆变。这种脆变归因于钢中的微量元素，如磷、砷、锑和锡沿晶界的扩散偏析。1.4.2 中合金耐热钢的焊接特性（1）淬硬倾向。
中合金耐热钢普遍具有较高的淬硬倾向，在w（Cr）为5%～10%的钢中，如w（C）高于0.10%，其在等温热处理状态下的组织均为马氏体。
马氏体的硬度则取决于钢中的碳含量和奥氏体化温度。降低碳含量可使奥氏体化温度变化对硬度的影响减小。当w（C）低于0.05%时，其最高硬度可降低到350HV以下，即不会导致焊接冷裂纹的形成。但对耐热钢十分重要的是，过低的碳含量将使钢的蠕变强度急剧下降。为保证耐热钢的高温蠕变强度，又兼顾焊接性，中合金耐热钢的w（C）一般控制在0.10%～0.20%的范围内。在这种情况下，接头热影响区的组织均为马氏体组织。其硬度一方面取决于母材的实际碳含量和合金成分，另一方面亦取决于焊接和焊后热处理的温度参数和冷却条件。（2）焊接温度参数。
焊接温度参数对中合金耐热钢焊接成败起着关键的作用。对于壁厚在10mm以上的焊件，为防止冷裂纹和高硬度区的形成，200～300℃的预热是必要的。当中合金耐热钢的w（C）在0.1%～0.2%范围内时，可将预热温度控制在ms点以下，使一部分奥氏体在焊接过程中转变为马氏体。由于焊接层间温度始终保持在230℃以上，因此不会形成裂纹。焊接结束后将工件冷却到100～125℃，使部分未转变的残留奥氏体转变为马氏体。接着立即将焊件作720～780℃温度范围内的回火处理。如合金耐热钢的w（C）低于0.1%，则可在焊件焊接结束后，将焊件缓慢冷却至室温，使接头各区完全转变成马氏体，接着立即进行750℃的回火处理。
焊后的回火温度和保温时间对中合金耐热钢接头的力学性能，特别是对韧性有较大的影响。一般的规律是，回火的温度越高，保温时间越长，低温缺口冲击韧度就越高。但过高的回火温度对接头的抗拉强度不利。当回火温度从700℃提高到775℃，屈服强度和抗拉强度降低200～250MPa。回火参数的选择应兼顾强度和韧性。1.4.3 高合金耐热钢的焊接特性
高合金耐热钢与中低合金耐热钢相比，具有独特的物理性能。表1-9列出马氏体、铁素体、奥氏体和弥散硬化型高合金耐热钢的典型理化性能数据。对焊接产生较大影响的物理性能有热膨胀系数、热导率和电阻。由表中数据可见，与碳钢相比，奥氏体耐热钢的热膨胀系数较高，将引起较大的焊接变形，而各种高合金耐热钢的热导率均较低，要求采用较低的焊接热输入。表1-9高合金耐热钢退火状态下的典型物理性能数据
奥氏体耐热钢的另一重要特性是非磁性（磁导率1.02）。但冷作加工可提高强度和磁导率。铁素体和马氏体型耐热钢的磁导率为600～1100，弥散硬化型耐热钢的磁导率在100以下。
这四类高合金耐热钢的焊接性因其金相组织的不同而异。马氏体型耐热钢的焊接性主要因高的淬硬性而恶化；铁素体型耐热钢焊接时，由于不发生同素异构转变，导致重结晶区晶粒长大，结果使接头的韧性降低；奥氏体型耐热钢焊接的主要问题是热裂倾向较高；而弥散硬化型耐热钢的焊接特性与弥散过程中的强化机制有关。（1）马氏体型高合金耐热钢的焊接特性。
马氏体耐热钢基本上是Fe-Cr-C系合金。通常w（Cr）在 11%～18%范围内。为提高其热强性还加入Mo、V等合金元素。这些钢几乎在所有的实际冷却条件下均转变成马氏体组织。
马氏体耐热钢由于含有足够数量的铬，使其自820℃以上温度冷却时具有空淬倾向，而从960℃以上温度淬火可达到最高的硬度。
对于高铬耐热钢，铬含量对钢的焊接行为有明显的影响。当w（Cr）从11%增加到17%时，钢的淬硬特性会发生重大变化。当钢的w（C）约为0.08%时，12%铬钢的焊接热影响区为全马氏体组织。而在15%铬钢中，由于铬具有稳定铁素体的作用，可能阻止其完全转变为奥氏体而残留部分未转变为铁素体。这样在快速冷却的热影响区内有一部分转变为马氏体，其余为铁素体。在马氏体组织中存在软的铁素体降低了钢的硬度和裂纹倾向。
马氏体高铬钢可在退火、淬火，消除应力处理或回火状态下焊接。当w（C）超过0.15%时，热影响区的硬度急剧提高，冷裂纹敏感性加大，韧性下降。由于这种钢的导热性较低，导致热影响区的温度梯度更为陡降，加上组织转变时的体积变化，可能引起较高的内应力，从而进一步提高了冷裂倾向。
马氏体耐热钢焊接接头在焊后状态的工作能力取决于热影响区的综合力学性能，包括硬度和韧性之间的合适匹配。但实现这点，往往是相当困难的。因此为保证马氏体耐热钢焊接接头的使用可靠性，通常总是规定做焊后热处理。（2）铁素体型高合金耐热钢的焊接特性。
铁素体高合金耐热钢是一组低碳高铬Fe-Cr-C合金。为阻止加热时形成奥氏体，在钢中可加入Al、Nb、Mo和Ti等铁素体稳定元素。普通铁素体耐热钢焊接过热区有晶粒长大倾向，使接头的韧性和塑性急剧降低。为改善其焊接性，在降低碳含量的同时增加少量铝，以阻止在高温区内奥氏体的形成和晶粒过分长大。但为获得塑性较高的接头，焊后仍需退火处理。
在某些铁素体高铬耐热钢中，820℃以上温度可能形成少量的奥氏体。从高温冷却时，奥氏体转变为马氏体，造成轻微的淬硬。因为钢中只有一部分马氏体，其余还是软的铁素体，而能经受马氏体相变应力。马氏体主要在铁素体的晶界形成，对接头的塑性可能起不利的作用。对于这些铁素体铬钢，焊后最好在760～820℃温度范围做退火处理。（3）奥氏体型高合金耐热钢的焊接特性。
奥氏体耐热钢与奥氏体系列不锈钢具有基本相同的焊接特点。总的来说，这类钢由于塑性和韧性较高，且不可淬硬，与低合金、中合金及高合金马氏体和铁素体耐热钢相比，具有较好的焊接性。奥氏体耐热钢焊接的主要问题有：铁素体含量的控制、焊接热裂纹、接头各种形式的腐蚀和δ相的脆变等。
①铁素体含量的控制。奥氏体耐热钢焊缝金属中铁素体含量关系到抗热裂性、δ相脆变和热强性能。从提高抗热裂性出发，要求焊缝金属中含有一定的铁素体，但从防止δ相脆变和热强性考虑，铁素体含量越低越好。从焊接冶金和焊接工艺上妥善和合理地解决这一矛盾是奥氏体耐热钢焊接的核心技术。
②δ相的脆变。铬镍奥氏体钢和焊缝金属在高温持续加热过程中会发生δ相的脆变。δ相的析出温度范围为650～850℃。Cr18Ni8钢在700～800℃温度下，Cr25Ni20钢在800～850℃温度下δ相析出的敏感性最大。Cr25Ni20钢在800℃以下加热时，δ相的析出速度要慢得多，在900℃以上高温下，δ相不再析出。在Cr18Ni8钢中，当温度超过850℃时，δ相不再析出。
焊缝金属与轧制材料不同，在奥氏体组织内总含有一定量的铁素体。在高温加热过程中，铁素体逐渐转变为δ相。随着转变温度的提高，δ相倾向于球化。δ相亦能直接从奥氏体中析出，或者在奥氏体晶体内以魏氏组织形式析出。1.5 低温钢的材料1.5.1 低合金低温用钢的种类、用途、标准和性能
普通低合金钢虽温度降低强度有所增加，塑韧性却急剧降低，这类钢不能用于低温下工作的结构上，而低温用钢在相应的低温条件下仍具有良好的韧性和抗脆断能力，能够确保结构的使用安全。低温钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如石油化工设备（化肥、乙烯、煤液化、液化石油气等）、冷冻设备、食品工业及液态气体储存设备等。低合金低温用钢一般用于-110～-20℃工况条件。按适用温度范围，低合金低温用钢可分为-40℃、-70℃、-90℃、-110℃钢；按照钢材的合金体系，低合金低温用钢可分为不含镍及含镍的两大类。不含镍的低温用钢一般工作温度在-40℃以上，而含镍的低温钢根据镍含量的高低，可以工作在较低的温度下，如2.5%Ni钢可以用于-60℃以下，3.5%Ni钢可以用于-110～-90℃。表1-10和表1-11列出了我国常用低合金低温压力容器用钢的化学成分及力学性能。低合金低温用钢一般是通过合金元素的固溶强化、晶粒细化，并通过正火或正火+回火处理细化组织晶粒，从而获得良好的低温韧性。在低温用钢中常用合金元素是Mn、Ni、V、Nb等，如我国低温压力容器用钢09Mn2VDR、15MnNiDR及09MnNiDR等，为保证低温韧性，在低温用钢中尽量降低碳含量，并严格控制S、P含量。低合金低温用钢还有相应的铸件、锻件及管材，JB4727—2000中对5种常用的低合金低温钢锻件的化学成分、力学性能做出了规定，见表1-12及表1-13所示。表1-10低温压力容器用低合金钢板的牌号和化学成分（GB3531—1996、GB150—1998）表1-11低温压力容器用低合金钢板的力学性能（GB3531—1996、GB150—1998）
注：钢板以正火或正火+回火状态交货。表1-12低温压力容器用低合金钢锻件的化学成分（JB4727—2000）
注：1.对真空碳脱氧钢，允许w（Si）小于或等于0.12%。cm
2. 08MnNiCrMoVD钢的焊接冷裂纹敏感性指数P≤0.25%，cmP=C+Si/30+ Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（元素符号表示该元素的质量分数）。
3.各钢号的残余铬、铜含量（表中只规定上限者），供方如能保证，可不作分析。表1-13低温压力容器用低合金钢锻件的力学性能（JB4727—2000）1.5.2 马氏体低温用钢用途、性能和化学成分
马氏体低温用钢主要是指制造、运输及储存液化气体的机械设备、超导设备、核聚变反应设备等所用的超高强度、超低温材料。这里只涉及常压下液化温度在-103℃以下的常用气体（乙烯：-103℃；天然气：-165℃；氧：-183℃；空气：-190℃；氮：-196℃；氢：-253℃；氦：-269℃）及一些液化温度在-180～-80℃之间的碳氢化合物（如甲烷、乙烷）等所用的高合金细晶粒铁素体钢。
作为低温用钢，应具有如下性能：低温下组织稳定，不产生相变，以保持力学性能及物理性能较为稳定；有良好的低温韧性；良好的焊接性和加工性能；有时还有其他特殊要求，如无磁性等。
9%Ni钢是低碳马氏体型低温用钢，作为液化天然气（LNG）及液氮用钢，已被世界各国普遍采用，其使用温度可达-196℃。
9%Ni钢的化学成分如表1-14所示。表1-149%Ni钢的化学成分
钢中镍含量对韧性有很大影响，随着Ni含量的提高，脆性转变，温度不断下降，而韧性提高。钢中碳含量增大，其韧性下降，低温转变温度升高，焊接性恶化。钢中硅是重要的脱氧剂，但又容易形成夹杂物而危害韧性。锰可以细化晶粒，又可提高Mn/C比，提高韧性，降低低温转变温度。氧是降低韧性、提高低温转变温度的元素，因此必须控制。磷不仅与氧有类似的作用，即降低韧性，提高脆性转变温度，而且还恶化焊接性，所以必须严格控制。1.5.3 奥氏体低温无磁不锈钢
0Cr21Ni6Mn9N钢是Cr-Ni-Mn-N系超高强度奥氏体低温无磁不锈钢，它在超低温（-269℃）无磁环境中有广泛的应用。（1）化学成分。
钢的化学成分见表1-15。表1-150Cr21Ni6Mn9N钢的化学成分（质量分数）（%）（2）合金元素的作用。
在超低温工程中，一般的奥氏体不锈钢由于组织的不稳定，在低温下易发生马氏体相变而降低韧性。这种情况下，主要应用超低碳不锈钢、含钼不锈钢、含氮的奥氏体不锈钢以及某些镍基合金。但在无磁场合，马氏体还会增大磁性。作为无磁钢，除要求奥氏体组织稳定，不发生马氏体相变外，还要在低温下不呈顺磁性和铁磁性。因此要求奈尔（Neel）转变温度要尽量高。（3）物理性能。
钢的物理性能见表1-16。表1-160Cr21Ni6Mn9N钢的物理性能（4）热处理。
该钢一般只需经过1050℃的固溶处理。（5）力学性能。
0Cr21Ni6Mn9N钢室温和低温的力学性能见表1-17。此钢被N合金化，因而强度高，塑性好，断裂韧性也好。N能增强组织稳定性，因此低温性能也较好。表1-170Cr21Ni6Mn9N钢的力学性能1.5.4 锰-铝系高锰奥氏体低温无磁钢
这类钢是奥氏体型低温无磁用钢，主要用于超低温（-253℃）及无磁条件下。我国为节约Ni、Cr而研制了Mn-Al系低温用钢。15Mn26Al4钢及20Mn23Al钢即属于此类低温无磁用钢。（1）化学成分。
钢及钢的化学成分见表1-18。表1-1815Mn26Al4钢及20Mn23Al钢的化学成分（质量分数）（%）（2）合金元素的作用。
15Mn26Al4钢和20Mn23Al钢的主要合金元素是Mn和Al。
锰是奥氏体形成元素，但在冷变形及低温下，Fe-Mn合金的奥氏体并不稳定。当w（Mn）＜10%时，与一般合金钢一样，会发生铁素体或马氏体相变。当w（Mn）在10%～15%之间时，会发生α马氏体及ε马氏体相变。锰含量越高，ε相的比例越大。当w（Mn）在15%～28%之间时，主要发生ε马氏体相变。无论是α马氏体，还是ε马氏体，都会导致钢的冷脆。
提高Fe-Mn合金奥氏体组织的稳定性一般有两条途径，实际上是一条途径，即添加其他元素：一是当锰含量较低时增加碳的含量，如Mn13钢；二是锰含量高时，加入合金元素，如Ni、Cr、Mo、Al、Ns等。其中以加入Al最有效。在Fe-Mn25%中从0增加到4%时，m点及fm点将降低到-253℃以下，而且韧性也会随之增大。
铝能稳定Fe-Mn合金体系的奥氏体组织，还能降低加工硬化能力，从而改善切削性能和冷加工性能。同时还改善了其耐腐蚀性，提高了抗氧化性。（3）热处理和力学性能。
此类钢可以热轧、冷轧或固溶。15Mn26Al4钢力学性能见表1-19。表1-1915Mn26Al4钢力学性能（4）物理性能。
该钢的物理性能见表1-20。表1-2015Mn26Al4钢的主要物理性能1.6 低温钢的焊接性1.6.1 低合金低温用钢的焊接性
低合金低温钢中w（C）≤0.2%，同时合金元素的总质量分数不超过5%，碳当量较低，淬硬倾向较小，因此冷裂敏感性不大。薄板焊接时一般可不预热，但应避免在低温下施焊。当板厚超过25mm或焊接接头的拘束较大时，应采用适当的预热措施，以防止焊接冷裂纹，但预热温度不能过高，一般控制在100～150℃，预热温度过高会导致焊接接头组织粗化，致使焊接接头韧性降低。低合金低温钢中Ni可能增大热裂倾向，焊接过程中应注意防止热裂纹的产生，但由于这类钢及焊接材料中的C、S及P的含量控制较低，采用合理的焊接参数，增大焊缝成形系数，可以避免热裂纹的产生。某些低温钢中，由于含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素，在焊后消除应力热处理时，如果加热温度处于回火脆性敏感温度区间（450～550℃）会析出脆性相，而使低温韧性降低，选择合理的焊后热处理工艺，减少在敏感温度区间的保留时间，可以避免回火脆性的产生。对低温钢焊接接头的评定中，最重要的是必须保证焊接接头在使用温度下具有足够的冲击韧度和抗脆断能力，确保结构的使用安全。因此正确选择焊接
材料，制定优化的焊接工艺，确保焊接接头中焊缝金属和热影响
区的低温韧性是低温钢焊接时的技术关键。1.6.2 马氏体低温用钢的焊接性
9%Ni钢以其优异的低温韧性被认为是制造低温压力容器的优良
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]