应力腐蚀开裂SCC课件.ppt
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1、 不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr(wCr12%)、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。4.1.1 不锈钢的基本定义不锈钢的基本定义 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4.1.2 不锈钢及耐热钢的分类不锈钢及耐热钢的分类1按主要化学成分分类按主要化学成分分类(1)铬不锈钢铬不锈钢 指指Cr的质量分数介于的质量分数介于12%30%之间之间的不锈钢,其基本类型为的不锈钢,其基本类型为
2、Cr13型。型。(2)铬镍不锈钢铬镍不锈钢 指指Cr的质量分数介于的质量分数介于12%30%,Ni的质量分数介于的质量分数介于6%12%和含其他少量元素的和含其他少量元素的钢种,基本类型为钢种,基本类型为Cr18Ni9钢。钢。(3)铬锰氮不锈钢铬锰氮不锈钢 属于节镍型奥氏体不锈钢,化学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。成分中部分镍被锰、氮替代,可减少镍的含量。这类钢种如这类钢种如1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn6Ni5N等。等。2按用途分类(1)不锈钢(指习惯型含义)(2)抗氧化钢(3)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。
3、(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
4、)铁素体奥氏体双相钢 钢中铁素体占6040,奥氏体占4060,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。典型钢种,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(Precipitation Hardening Stainless Steels)。4.1.3 不锈钢及耐热钢的特性不锈钢及耐热钢的特性1不锈钢的物理性能不锈钢的物理性能对焊接性构成影响的主要有两方不锈钢的物理性能对焊接性构成影响的主要有
5、两方面:面:1、导热系数、导热系数小,仅为低碳钢的小,仅为低碳钢的1/3 2、热膨胀系数大,比低碳钢大、热膨胀系数大,比低碳钢大50%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。(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(Pitting Corrosion),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
6、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(Stress Corrosion Cracking,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
7、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。(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
8、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wB 0.003%。(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脆性和相脆化。1)475脆性主要出现在脆性主要出现在Cr的质量分数超的质量分数超过过15%的铁素
9、体钢中。在的铁素体钢中。在430480之之间长期加热并缓冷,就可导致在常温时间长期加热并缓冷,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或负温时出现强度升高而韧性下降的现象,称之为象,称之为475脆性。脆性。2)相脆化:在高温条件下由相脆化:在高温条件下由相中析出相中析出一种硬度高达一种硬度高达68HRC的的脆性相导致的脆脆性相导致的脆化。化。4.2 4.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接l奥氏体钢由高温冷却下来时不发生任何组织变化,直到室温或更低的温度下仍保持奥氏体组织。l显微组织显微组织:奥氏体 一般属于耐蚀钢l成分成分:高铬不锈钢+适量的Ni 825%l典型钢种典型钢种:1
10、8-8钢 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Til25-20钢 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni20l25-35钢 0Cr21Ni32 4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb4.2.2 奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体不锈钢焊接性分析奥氏体钢的焊接性问题主要有:热裂纹、接奥氏体钢的焊接性问题主要有:热裂纹、接头耐蚀性、脆化头耐蚀性、脆化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。图4-3 18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象 1)焊缝区晶间腐蚀焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论,为防止焊缝发生晶间腐蚀:根据贫铬理论,为防止焊缝发生晶
11、间腐蚀:一是通过焊接材料,使焊缝金属或者成为超低碳情况,或者一是通过焊接材料,使焊缝金属或者成为超低碳情况,或者含有足够的稳定化元素含有足够的稳定化元素Nb(因(因Ti不易过渡到焊缝中而不采用不易过渡到焊缝中而不采用Ti),一般希望),一般希望wNb8wC或或wNb1;二是调整焊缝成分以获;二是调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体(得一定数量的铁素体()相。)相。焊缝中铁素体焊缝中铁素体()的作用:其一,可打乱单一的作用:其一,可打乱单一 相柱状晶的方相柱状晶的方向性,不形成连续贫向性,不形成连续贫Cr层;其二,铁素体层;其二,铁素体()富富Cr,有良好,有良好的供的供Cr条件,可减少条件,可减
12、少 相相 晶粒形成贫晶粒形成贫Cr层,一般铁素体层,一般铁素体()在在412左右左右 铬当量铬当量 Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+3Al+5V 镍当量镍当量 Nieq=Ni+30C+0.87Mn+K(N-0.045)+0.33Cu2)热影响区敏化区晶间腐蚀 指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位(故称敏化区)所发生的晶间腐蚀。和恒温加热不同,由于焊接是一个快速连续加热的过程,所以有一个过热度,敏化区温度范围不是450-850,而是600-1000。l只有普通的只有普通的18-8钢才会有敏化区,含有钛、铌的奥氏钢才会有敏化区,含有钛、铌的奥氏体不锈钢、含有一定数量铁素
13、体的双相不锈钢、以至体不锈钢、含有一定数量铁素体的双相不锈钢、以至超低碳的奥氏体不锈钢母材,不易有敏化区出现。超低碳的奥氏体不锈钢母材,不易有敏化区出现。l为防止敏化区腐蚀,一般倾向采用含钛、铌或低碳为防止敏化区腐蚀,一般倾向采用含钛、铌或低碳18-8钢,比如钢,比如1Cr18Ni9Ti,也可以采用超低碳不锈钢也可以采用超低碳不锈钢00Cr18Ni11;在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊;在焊接工艺上应采取小热输入、快速焊过程,以减少处于敏化加热的时间。过程,以减少处于敏化加热的时间。图4-5 0Cr18Ni9钢热影响区敏化区晶间腐蚀l3)刀状腐蚀 在熔合区产生的晶间腐蚀,有如刀削切口形式,故
14、称为“刀状腐蚀”(Knife-line Corrosion),简称刀蚀,如图4-7所示。腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒,逐步扩展到1.01.5mm。图4-7 刀状腐蚀l发生材质:发生材质:含有铌、钛的18-8钢的过热区l产生原因:产生原因:加入钛的18-8型不锈钢材料,固溶处理态(供货态)时,钢中只有很少量的碳和钛溶入固溶体,其余大部分碳和钛结合成游离的TiC。焊接时,这种钢的焊接接头的过热区内,加热温度超过1200的部位,NbC或TiC将全部或大部固态溶解于奥氏体晶粒内。冷却时,体积小且活泼的碳原子向奥氏体晶界扩散并聚集于此,而Ti来不及扩散留在晶内。这种状态如果再经历6001000中温敏化
15、加热,就会在晶界产生Cr23C6沉淀,造成该区晶粒边界的贫铬。在一定腐蚀介质作用下,将从表面开始产生晶间腐蚀,直至形成刀切状腐蚀破坏。形成刀蚀的必要条件是高温过热和中温敏化。不含钛或不含铌的18-8钢不应有刀蚀发生,超低碳不锈钢不但不发生敏化区腐蚀,也不会有刀蚀。图4-6 Cr23C6、TiC的析出温度对于含有稳定化元素的不锈钢,可以采取以下方法来减对于含有稳定化元素的不锈钢,可以采取以下方法来减少或避免晶间腐蚀的发生:少或避免晶间腐蚀的发生:含碳量。含碳量。近缝区的过热近缝区的过热 避免在敏化温度下工作避免在敏化温度下工作 焊后热处理焊后热处理l固溶处理:固溶处理:T1050-1150,使,
16、使Cr23C6分解固溶。分解固溶。淬火冷却,消除贫铬层淬火冷却,消除贫铬层l稳定化退火处理:稳定化退火处理:T850-9002h,使,使Cr23C6充充分析出,分析出,Cr也扩散均匀,消除贫铬层。也扩散均匀,消除贫铬层。(2)应力腐蚀开裂(应力腐蚀开裂(SCC)应力腐蚀开裂是构件在应力和腐蚀介质共同作用下所应力腐蚀开裂是构件在应力和腐蚀介质共同作用下所发生的脆性开裂现象。发生的脆性开裂现象。l引起应力腐蚀开裂须具备三个条件引起应力腐蚀开裂须具备三个条件:首先是金属在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向;其次是由这种材质组成的结构接触或处于选择性的腐蚀介质中;最后是有高于一定水平的拉应力。l 要减小要
17、减小SCC的倾向,具体可以采取下列措施:的倾向,具体可以采取下列措施:选择合适的材料选择合适的材料改进结构设计和加工工艺改进结构设计和加工工艺注意保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜注意保护奥氏体不锈钢表面的钝化膜 残余应力消除程度与残余应力消除程度与“回火参数回火参数”LMP(Larson Miller Parameter)有关,即:)有关,即:LMP=T(lgt+20)10-3 (4-4)式中式中 T加热温度();加热温度();t保温时间(保温时间(h)。)。LMP越大,残余应力消除程度越大。越大,残余应力消除程度越大。图4-10 应力腐蚀裂纹(3)点蚀点蚀 奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向,其实即使耐
18、点蚀性奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向,其实即使耐点蚀性优异的双相钢有时也会有点蚀产生。优异的双相钢有时也会有点蚀产生。提高耐点蚀性能,措施:提高耐点蚀性能,措施:1.不能进行自熔焊接;不能进行自熔焊接;2.采用较采用较母材更高母材更高Cr、Mo含量的含量的“超合金化超合金化”焊接材料;焊接材料;3.必须必须考虑母材的稀释作用,以保证足够的合金含量;考虑母材的稀释作用,以保证足够的合金含量;4.提高提高Ni量有利于减少微观偏析,必要时考虑采用量有利于减少微观偏析,必要时考虑采用Ni基合金焊丝。基合金焊丝。2热裂纹l奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性焊缝结晶焊
19、缝结晶裂纹和裂纹和HAZ液化裂纹。液化裂纹。25-20型奥氏体钢焊接热裂倾向最型奥氏体钢焊接热裂倾向最大,其次是大,其次是18-8钢。钢。l18-8型不锈钢的热裂纹主要是产生在焊缝中,如果钢中含型不锈钢的热裂纹主要是产生在焊缝中,如果钢中含有铌有铌HAZ也可以产生液化裂纹。也可以产生液化裂纹。奥氏体钢焊接易于热裂的原因奥氏体钢焊接易于热裂的原因 1 导热系数小、线膨胀系数大,焊缝凝固时产生的拉导热系数小、线膨胀系数大,焊缝凝固时产生的拉应力较大;应力较大;2 奥氏体焊缝为方向性强的柱状晶,易形成偏析奥氏体焊缝为方向性强的柱状晶,易形成偏析 3 焊缝成分复杂(焊缝成分复杂(S、P、Sn、Sb、S
20、i、Nb)易形成多)易形成多种低熔共晶。种低熔共晶。热裂纹与凝固模式热裂纹与凝固模式 所谓凝固模式,首先是指以何种初生相(所谓凝固模式,首先是指以何种初生相(或或)开始)开始结晶进行凝固过程,其次是指以何种相完成凝固过程。结晶进行凝固过程,其次是指以何种相完成凝固过程。1.全铁素体凝固模式全铁素体凝固模式(F)晶粒界面:晶粒界面:-2.先铁素体凝固模式先铁素体凝固模式(FA)晶粒界面:晶粒界面:(不会有热不会有热裂倾向)裂倾向)3.先奥氏体凝固模式先奥氏体凝固模式(AF)晶粒界面:晶粒界面:4.全奥氏体凝固模式全奥氏体凝固模式(A)晶粒界面:晶粒界面:-图4-13 凝固模式对热裂纹的影响 图4
21、-14 Fe-Cr-Ni三元合金一个70%Fe的伪二元相图 图4-17 热裂倾向 (3)化学成分对热裂纹的影响化学成分对热裂纹的影响 调整成分归根结底还是通过调整成分归根结底还是通过组织发生作用。对于焊缝金属,调整化学成分是控制焊缝组织发生作用。对于焊缝金属,调整化学成分是控制焊缝性能(包括裂纹问题)的重要手段。但如何进行冶金化,性能(包括裂纹问题)的重要手段。但如何进行冶金化,还未能获得完全有规律的认识。因为,任何钢种都是一个还未能获得完全有规律的认识。因为,任何钢种都是一个复杂的合金系统,某一元素单独作用和其他元素共存时发复杂的合金系统,某一元素单独作用和其他元素共存时发生的作用,往往不尽
22、相同,甚至可能相反。生的作用,往往不尽相同,甚至可能相反。1)Mn的影响的影响 2)S、P的影响的影响3)Si的影响的影响 4)铌的影响)铌的影响 5)钛的影响)钛的影响6)碳的影响)碳的影响7)硼的影响)硼的影响 (4)焊接工艺的影响焊接工艺的影响 应尽量采用小焊接热输入快速应尽量采用小焊接热输入快速焊工艺,而且不应预热,并降低层间温度。不过,焊工艺,而且不应预热,并降低层间温度。不过,为了减小焊接热输入,不应过分增大焊接速度,为了减小焊接热输入,不应过分增大焊接速度,而应适当降低焊接电流。增大焊接电流,焊接热而应适当降低焊接电流。增大焊接电流,焊接热裂纹的产生倾向也随之增大。裂纹的产生倾向
23、也随之增大。3.析出现象 在不锈钢中,在不锈钢中,相通常只有在铬的质量分数大于相通常只有在铬的质量分数大于16%时时才会析出,由于铬有很高的扩散性,才会析出,由于铬有很高的扩散性,相在铁素体中的析相在铁素体中的析出比奥氏体中的快。出比奥氏体中的快。的转变速度与的转变速度与相的合金化程度相的合金化程度有关,而不单是有关,而不单是相的数量。凡铁素体化元素均加强相的数量。凡铁素体化元素均加强转变,即被转变,即被Cr、Mo等浓化了的等浓化了的相易于转变析出相易于转变析出相。相。相是指一种脆硬而无磁性的金属间化合物相,具有变成分相是指一种脆硬而无磁性的金属间化合物相,具有变成分和复杂的晶体结构。和复杂的
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