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通常使用的奥氏体不锈钢由于铬、镍等合金含量高的产品

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-13  浏览次数:43 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网继昨日获悉:采用不锈钢作为铁路货车车体材料无疑是最为有效的解决耐腐蚀问题的方法,但是通常使用的奥氏体不锈钢

  中华不锈钢网继昨日获悉:采用不锈钢作为铁路货车车体材料无疑是最为有效的解决耐腐蚀问题的方法,但是通常使用的奥氏体不锈钢由于铬、镍等合金含量高、价格昂贵而无法应用于货车车体的制造。国外从上世纪80年代开始,采用铬、镍含量相对较少的铁素体不锈钢(经济型不锈钢)312或5Ci.12制造铁路货车车体20世纪90年代开始,这类不锈钢在南非和澳大利亚运煤货车中大量使用。由于铁素体不锈钢与耐候钢的耐大气腐蚀机理不同,不锈钢的耐大气腐蚀能力远远高于耐候钢,因此使用的结果极为理想。据有关介绍采用铁素体不锈钢制造的运煤货车,经过25年的使用,车体的耐腐蚀、耐磨损性能良好;车体内表面没有观察到明显的锈蚀点,磨损量也极小。
  
  某钢铁有限公司于2004年在312的基础上,研发了铁路货车车体用TCS不锈钢。由于TCS不锈钢的材质、性能与耐候钢(或普通结构钢)相比有较大差异,虽然有良好的耐大气腐蚀性能,但该材料的焊接性能明显存在差距。一般认为,铁素体不锈钢在焊接热循环的作用下,少量经过奥氏体转变,但多数铁素体经过热循环后,晶粒发生剧烈长大,强度有所下降,冲击韧性剧烈下降,因此,有必要对TCS不锈钢进行全面的焊接性能分析。
  
  反应堆压力容器的制造过程中需进行大量的不锈钢焊接,包括不锈钢堆焊层、不锈钢隔离层以及不锈钢的对接焊。虽然奥氏体不锈钢具有较好的焊接性,但如果预防措施不当可能会出现很多焊接性问题,如夹渣、凝固裂纹、液化裂纹,也可能出现固态裂纹,包括失延裂纹、再热裂纹等。其中,对焊缝质量危害最大的是裂纹,尤其是凝固裂纹,这与不锈钢焊材的铁素体含量密切相关,因此有必要通过对铁素体含量的控制研究初步预测焊缝凝固时的组织成分,以实现对不锈钢焊缝质量的预测和控制。
  
  1不锈钢焊缝金属的凝固模式反应堆压力容器用不锈钢多为耐腐蚀性优良的奥氏体不锈钢,焊材采用309L型和308L型低碳奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢焊缝金属有4种凝固和固态相变的可能模式(见表1.奥氏体不锈钢焊缝凝固时析出的初始相决定焊缝的凝固模式,初始析出相可以是奥氏体,也可以表1凝固模式、反应和得到的微观组织凝固模式反应微观组织全奥氏体,规整的凝固组织晶铁素体存在于胞晶晶界和枝晶界F+A包晶由铁素体―奥氏体共晶相变后形成的骨架状和板条状铁素体针状铁素体或者是铁素体母相上有晶粒边界奥氏体和魏氏体形式的侧板条是铁素体。A和AF凝固模式均是以奥氏体为初始析出相的凝固过程,而FA和F凝固模式则是以铁素体为初始析出相的凝固过程。实际上以F模式凝固在奥氏体不锈钢焊缝金属中是很少见的,大部分焊接填充材料的成分均设计为在FA模式凝固范围内。
  
  2铁素体对不锈钢焊缝质量影响分析2.1铁素体对焊缝力学性能的影响奥氏体不锈钢焊缝金属在焊接过程中容易形成名义成分为FeCr相,a相为富Cr相,其质硬而脆,当a相体积含量较高时会降低韧度和延性。在全奥氏体的微观组织中a相析出较慢,起韧度和延性的明显降低,但铁素体的存在会显着加速a相形成,从而降低焊缝的韧性。在压力容器的制造过程中,曾出现309L型熔敷金属拉伸延伸率低,导致室温冲击吸收功不到20J的情况,原因就在于309L型熔敷金属中铁素体含量较高(!2%~22%%,致使焊接及热处理过程中加速析出了硬脆相一a脆化相。a相的特性为:3在含有铁素体的焊缝金属中很快形成。
  
  4可能在大型构件进行焊后热处理时形成。
  
  中华不锈钢网继昨日获悉:对百万千瓦级反应堆压力容器安全端焊接用多批次不同成分的308L型焊材进行试验,结果表明不同化学成分的焊缝金属中铁素体含量不同,对焊缝金属的力学性都存在明显影响。在室温~650丈温度范围内对不同铁素体含量的熔敷金属极低和高(FN=16铁素体含量进行拉伸试验,随熔敷金属中的铁素体含量的增加,焊缝室温强度明显增加,对焊缝高温强度的影响相对较小见表2. 2.2铁素体对凝固裂纹的抑制作用1裂纹的敏感性取决于焊缝金属中的化学成分,以奥氏体作为初始析出相A或AF模式时对裂纹敏感性最高,而以FA模式凝固时抗凝固裂纹能力最强,可见,通过调整化学成分可以有效控表2铁素体含量对不同温度下力学性能的影响温度w屈服强度抗拉强度断后伸长率室温制焊接凝固裂纹。因此,如能以FA模式凝固,首先析出铁素体成分,即可保证焊缝金属有良好的抗凝固裂纹能力。
  
  对室温下焊缝金属,可以用铁素体含量来近似判断其凝固模式。根据WRC-1992相图,如果FN是0,则可以假定以A模式凝固;FN在0~3之间,凝固模式可能是AF;FN在3~20之间,则凝固模式最可能为FA,该FN区间具有最强的抗凝固裂纹能力。
  
  2焊接凝固裂纹优先沿凝固晶粒边界产生,以A模式凝固时,凝固晶粒边界很直,没有残留铁素体,如果液体薄膜浸润了边界,则对裂纹传播的阻力减小;相反,以FA模式凝固的晶粒边界由铁素体和奥氏体混合组成,晶粒边界凹凸不平,减弱了液体薄膜的浸润,使裂纹扩展困难见。
  
  2.3不锈钢焊缝的热老化焊缝中铁素体含量的增加,可以提高焊缝室温的拉伸强度,抑制凝固裂纹的扩展,但也并非越多越好。不锈钢焊缝长期在高温下服役时,其中的铁素体有逐步相变为马氏体的倾向,根据对双相不锈钢热老化的研究,铁素体含量超过20%时,不锈钢焊缝容易出现热老化倾向,普通铸造的含铁素体的奥氏体不锈钢比离心铸造的含铁素体的奥氏体不锈钢更为明显,而焊接过程则类似于普通的铸造过程,因此,不锈钢焊缝中的铁素体含量不宜超过3铁素体含量在不锈钢焊缝中的应用铁素体含量在RCC-M规范中体现为体积分数百分比,在ASME规范中体现为铁素体数,均与化学成分有直接的关系,在使用过程中,可直接利用Creq/Nieq比值判定不锈钢焊缝的裂纹敏感性见。可见,Ceq/Nieq比值高于1.5时,初始析出相为铁素体,比值越高,析出的铁素体越多。
  
  促使奥氏体作为初始析出相A和AF模式的合金成分范围使裂纹敏感性最高,而促使以F模式凝固,裂纹敏感性高于FA模式但低于A和AF模式。
  
  在奥氏体不锈钢焊缝金属中,在Cr、Ni当量值之比高于某一临界值1.5后,抗裂纹阻力会急剧增加见。在极低的S+P含量时,在整个成分范围内抗裂性都很高,但要达到这样低的S+P含量水平,用传统的熔炼方法通常是不经济的,如氩-氧脱碳熔炼可以有效降低S含量,但对P无效。反应堆压力容器焊接用不锈钢焊材成分要求S、P杂质元素的质量分数均不得超过0.02%见表3,但如果Cr、Ni当量值之比低于临界值时,即使杂质元素含量很低,焊缝也具有开裂倾向,因而控制凝固裂纹最好的方法是控制焊材化学成分,尤其是Cr、Ni当量中的合金元素。
  
  间。而根据所示,当不锈钢焊材形成的焊缝金属凝固模式为FA模式,初始析出铁素体时,焊缝具有最强的抗凝固裂纹性能。
  
  在ASME核电规范中对铁素体含量的测定图中见,线1和线3为以FA模式凝固的不锈钢铁素体FN数,而线2为裂纹敏感性最小的Cr、Ni当量比值,随着Cr、Ni当量比值的增大,即在线2及线3之间的区域,应是最适宜以FA模式凝固,且裂纹敏感性最小的铁素体含量范围FN5~耐蚀层采用的308L型焊材的铁素体含量在FN5~FN15之间,凝固模式为FA形式,凝固初始析出相为铁素体,凝固终了阶段铁素体和奥氏体并表3不锈钢焊带及不锈钢埋弧焊丝熔敷金属化学成分Wt呦308L焊带矣308L焊丝矣存,具有较强的抗裂纹性能。
  
  在压力容器焊接中起过渡作用的309L型焊材,般用作与低合金钢直接过渡、防止C元素迁移的隔离层,其化学成分与低合金钢成分混合相溶,铁素体含量难以确定。在压力容器堆焊中,般采用埋弧堆焊或电渣堆焊,热输入量很大,容易对低合金钢母材及热影响区产生热影响,引起晶粒粗大或其它缺陷的产生。经过以上分析,对309L型不锈钢的堆焊层难以用控制铁素体含量来控制和预测凝固模式及堆焊质量。但为起到隔离、防止C迁移的作用,过渡层金属中的铁素体含量应控制在略高于308L耐蚀层熔敷金属中的铁素体含量,但为防止热老化、降低焊缝的韧性,铁素体含量不应超过20%. 4铁素体含量的测定方法铁素体含量的测定方法有化学成分法、金相法及磁性测定法。
  
  化学成分法是核电设计常用的铁素体测定方法,通过焊缝成分分析Cr、Ni当量,借助Delong图或WRC图进行分析,但结果存在较大的偶然性。因为不同的化学成分分析方法得到的成分上较小的差异,都可能导致预测结果有很大变化。特别是C和N的成分,二者均是强奥氏体生成元素,对精确测量焊缝中的铁素体至关重要,因此该方法对化学成分分析的位置和精度要求较高。般来说,只用化学成分测定铁素体含量是不充分的。
  
  通过金相组织的面积分数来估算铁素体含量,要求多个截面和特殊规定的表征方法。缺点是:第,有破坏性,需要从实际的焊缝中切片进行金相观察;第二,费时间,除非在各个部位和取向上取多个截面进行测定,否则不精确;第三,重复性差,在不同实验室中用金相方法对铁素体含量的测定难以重复。
  
  用磁性测量技术测定铁素体含量已被广泛接受且标准化,AWSA4.2和ISO8249均规定了磁规的标定程序,且可对同一条焊缝进行不同位置、多次的测定求平均值,方法较为科学。
  
  通过对比分析,对反应堆压力容器中不锈钢焊缝的铁素体含量进行测量时,应该采用化学计算和磁性测定相结合的方法进行测定。
  
  5结语焊缝凝固模式为FA模式,初始析出相为铁素体时,凝固终了阶段同时出现铁素体和奥氏体,产生了凹凸不平的晶界,减弱了液体薄膜的浸润,使裂纹扩展困难。
  
  中华不锈钢网继昨日获悉:通过有效控制反应堆压力容器用不锈钢母材及焊材的化学成分,将铁素体含量FN控制在5~15之间,利用铁素体含量简单而有效地预测焊缝金属的初始析出相,可避免或减少不锈钢凝固裂纹的产生。

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