奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀行为研究.doc

目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 选题的背景及意义.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 奥氏体不锈钢的应用及特点.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3 奥氏体不锈钢腐蚀性能.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.1 奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.2 奥氏体不锈钢焊接接头的点蚀.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4 奥氏体不锈钢焊接性.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.1 奥氏体不锈钢焊的物理性能.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.2 焊接工艺要点.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.3 TIG 焊简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5 极化曲线.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.1 概念.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.2 极化现象.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.3 极化因素.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.6 本文研究的重要内容.错误错误!未定义书签。未定义书签。第二章 实验方法、条件及原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 焊接方法、材料及规范.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.1 焊接材料.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.2 焊接方法的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.3 焊缝接头形式.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.4 焊接工艺参数的选取.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 金相组织观测实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.1 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.2 实验试样制备及观测.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 显微硬度测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.1 显微硬度测量原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.2 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.3 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.4 显微硬度实验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4 焊接接头点腐蚀实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.1 点腐蚀机理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.2 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.3 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.4 实验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5 极化曲线与电化学腐蚀测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.1 极化曲线实验原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.2 电化学腐蚀原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.3 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.4 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.5 实验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6 X-射线测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.1 x-ray 简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.2 X-射线衍射方法.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.3 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.4 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。第三章 实验结果与分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 金相实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.1 金相组织观测.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.2 焊缝及 HAZ 组织特性分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 硬度实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.1 硬度曲线.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.2 数据分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 点腐蚀实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.1 实验结果.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.2 结果分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.3 防止点蚀的措施.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4 极化实验.错误错误!未定义书未定义书签。签。3.4.1 实验数据.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4.2 曲线分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5 X-射线实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5.1 实验结果.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5.2 结果分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。第四章 结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。致 谢.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。第一章第一章 绪绪 论论 1.1.1 1 选题的背景选题的背景及意义及意义 不锈钢自 192023 发明以来，取得迅猛发展。至今全球仍以每年 3%5%的速度递增。我国正处在不锈钢生产和高速增长期，2023 年我国不锈钢的使用量已跃居世界第一1。不锈钢焊接也会经常碰到。不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常具有 Cr、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，适于制造规定耐腐蚀、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。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%1。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、船舶、食品、生物医学、石油化工等领域得到了广泛的应用。长春轨道客车公司配件厂生产的材质为 0Cr18Ni9 壁厚为 2.0mm 的贮水箱，应用在铁路客车上，在设计使用寿命内（设计使用寿命为七年）经常发生渗漏，经由现场解决发现，渗漏点大部分为水箱防波板焊接处，小部分为供水管路渗漏，与水箱自身无关。渗漏点形貌均为圆形小孔（如图 1-1），且周边失去钝化膜，已看到凹突不平的金属颗粒，由此推断为腐蚀所致，形式为点蚀，在其附近尚有许多细微裂纹存在（如图 1-2）。通过研究发现，在水箱生产过程中，由于飞溅和不对的焊接参数（重要是电流），不锈钢箱体表层钝化膜被破坏同时焊接接头区形成贫铬层，同时由于水箱的介质为自来水因而具有大量的氯离子，贫铬层区域在氯离子及应力的作用下，便会引起腐蚀和开裂。渗漏点重要集中在水箱防波板和箱体焊接处。渗漏点形貌为贯穿板厚的圆形小孔,用立式显微镜放大至 20 倍观测,发现小孔周边已失去了钝化膜,其边沿和内表面凸凹不平,十分粗糙。此外,在水箱防波板和箱体焊接处附近还发现多处裂纹。实验就 0Cr18Ni9 不锈钢列车贮水箱点蚀与开裂问题展开研究与分析。测试两种焊接接头形式及三种不同焊接参数（不同电流）对不锈钢接头腐蚀性能的影响。图 1-1 水箱点蚀形貌 图 1-2 水箱裂纹形貌 铁路客车上的水箱是典型的薄壁箱型结构，其壳体承受内压载荷的能力很弱。由于在客车运营的过程中产生了内压载荷作用，无加强筋的薄壁箱型壳体将产生很大的变形。因此，水箱内设立主拉筋以承担来自壳体的水平方向的压力载荷，防止壳体过大的横向变形。不锈钢水箱的加强侧拉筋与模压板各折边采用氩弧焊连接。在水箱的受载时，由于壳体与各侧拉筋变形不协调，使得各侧拉筋既受到拉伸载荷，又受到弯曲载荷作用。使得侧拉筋的焊接接头成为水箱的一个薄弱之处。并且在加强筋焊接接头易产生腐蚀，如图 1-3 所示。图 1-3 发生电化腐蚀的连接 本文通过在具有氯离子和铁离子的腐蚀溶液中对几种不同焊接线能量的试样进行点腐蚀实验，最终得出结论，焊接线能量太小或太大都不利于抗点腐蚀。本文的研究对延长薄板不锈钢水箱的使用寿命具有重要的意义。1.21.2 奥氏体不锈钢的应用及特点奥氏体不锈钢的应用及特点 不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数（WCr）大于 12%合金元素的钢材，它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈的特性。这由于在这类钢中具有一定量的铬合金元素，能使钢材表面形成一层不溶解于某介质的坚固的氧化薄膜（钝化膜），使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。常用的奥氏体型不锈钢根据其重要的合金元素 Cr 和 Ni 的含量不同可分为如下三种1：18-8 型奥氏体不锈钢，重要钢号有 1Cr18Ni9 和 0Cr18Ni9；18-12Mo 型奥氏体不锈钢，这类钢的钢号有 0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti 等；25-20 型奥氏体不锈钢，牌号有 0Cr25Ni20 等。奥氏体不锈钢中最有代表性的是 18Cr-8Ni，它是不锈钢中用量最多，使用范围最广的优秀耐腐蚀材料，在大气、淡水、中性盐、有机酸、氧化能力很强的硝酸以及碱性环境中具有很强的耐腐蚀性，不仅如此，并且也具有在高温下抗氧化的优点，所以合用性很强。但是奥氏体不锈钢焊接时由于热影响的部位容易产生铬碳化合物晶界析出现象，这样在晶界附近的铬含量就减少了，也就减少了耐腐蚀性能，在焊接部位周边易产生晶界腐蚀裂纹。由于奥氏体不锈钢其表面可以形成一层钝化膜，因而具有良好的耐腐蚀性能，同时它又具有较好的低温韧性等力学性能，因此被广泛的用于石油、化工、能源、海洋及各种车辆的加工制造上。特别是在轨道车辆上的运用，不锈钢车辆有相称大的优点：不锈钢对能量的吸取优于铝或碳钢；有高的屈服强度；高的加工硬化率；高的延展性。同时，不锈钢重量比碳钢轻 20%可减少车体的重量；且与碳钢相比更耐腐蚀。因而现在不锈钢被越来越多的用在了汽车火车的制造上，增长了车辆的使用寿命，进而减少了车辆运营的成本。但是在车辆加工制造过程中需要进行焊接，不锈钢焊接接头区常发生晶间腐蚀、刀口腐蚀、点蚀、应力腐蚀等腐蚀现象2。因此不锈钢焊接性问题是十分重要的。1940年，Hodge 和 Miller 一方面提出了不锈钢的腐蚀与氯化物有关3。随着工业上的大量使用及不锈钢品种的增长、产量的增长和使用范围的扩大，腐蚀断裂事故的不断发生4，不锈钢，特别是大量使用的 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂问题才成为许多部门的重要问题。文献6最早总结了化工、石油、动力等工业部门中 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的腐蚀破坏的实例。目前，不锈钢，特别是 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的腐蚀问题成了不锈钢领域中最重要而又急待解决的实际工程问题5，例如长春轨道客车厂热水箱箱体设备因腐蚀开裂而导致的漏水问题，仅此项事例就引起高达数百万元的经济损失。为了解决奥氏体不锈钢焊后产生的缺陷，在 18-8 的基础上有了以下几方面的重要发展。（1）加 Mo 改善了钢的点蚀和耐缝隙腐蚀性；（2）减少碳含量或加 Ti 或Nb、Ta 稳定化元素，减小焊接材料的晶间腐蚀倾向；（3）加 Ni 和 Cr 改善高温抗氧化性和强度；（4）加 Ni 改善了抗应力腐蚀性能；（5）加 S、Se 改善了切削性和构件表面精度。由于奥氏体不锈钢具有全面、良好的综合性能，在工业上获得了越来越广泛的应用。1.1.3 3 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢腐蚀腐蚀性性能能 1.1.3 3.1 1 奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性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，在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决与钢和焊缝的成分9。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀重要取决于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。晶间腐蚀的形貌如图 1-4、1-5。图 1-4 焊接件的晶间腐蚀 图 1-5 晶间腐蚀的微观示意图 焊缝区晶间腐蚀：根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者具有足够的稳定化元素 Nb，一般希望 Nb8WC或 Nb1%；二是调整焊缝成分获得一定数量的铁素体相10。假如母材不是超低碳不锈钢，采用超低碳焊接材料未必可靠，由于熔合比的作用会使母材向焊缝增碳。焊缝中 相的有利作用如下：可打乱单一奥氏体相柱状晶的方向不至于形成连续贫铬层。相富 Cr，有良好的共 Cr 条件，可减少奥氏体晶粒形成贫 Cr 层。因此，常希望焊缝中存在 4%12%的铁素体相。过量铁素体存在，多层焊时易促使形成 相，且不利于高温工作。在尿素之类介质中工作的不锈钢，如含 Mo 的 18-8 钢，焊缝最佳不含 相，否则易产生 相的选择腐蚀。为了获得 相，焊缝成分必然不会与母材完全相同，一般须适当提高铁素体化元素的含量，或者说提高 Creq/Nieq的值。Creq称为铬当量，为把每一铁素体化元素，按其铁素体化的强烈限度折合成相称若干铬元素后的总和。已知 Creq及 Nieq即可拟定焊缝金属的室温组织。如图 1-6 是应用最广的焊缝组织图。图 1-6 不锈钢舍夫勒组织图 热影响区敏化区晶间腐蚀：所谓的热影响区（HAZ）敏化区晶间腐蚀是指焊接热影响区中加热峰值温度处在敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀11。显然只有 18-8 钢才有敏化区存在，含 Ti 和 Nb 的 18-8Ti 或 18-8Nb，以及超低碳 18-8钢不易有敏化区出现。对于 WC=0.5%和 0Cr18Ni9 不锈钢来说，Cr23C6的析出温度为600850,TiC 的则高达 1100。可见，假如冷却速度快，铬碳化物就不会析出。为防止 18-8 钢敏化区腐蚀，在焊接工艺上应采用小热输入、快速焊接过程，以减少处在敏化加热的时间。刀状腐蚀：在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口形式，故称为“刀状腐蚀”，简称刀蚀，腐蚀区宽度初期不超过 35 个晶粒，逐步扩展到 1.01.5mm。刀状腐蚀只发生在含 Nb 或 Ti 的 18-8Ti 和 18-8Nb 钢的熔合区，其实指也是与 M23C6沉淀而形成贫 Cr 层有关。以 18-8Ti 为例焊前为 10501150水淬固溶解决态，M23C6所有固溶，TiC 则呈现沉淀游离态。通过焊接后，在焊态下的熔合区，由于经历了 1200以上的高温过热作用，发生的变化是 TiC 将大部分固溶，峰值温度越高，TiC 固溶量越大，TiC 溶解时分离出来的碳原子插入到奥氏体点阵间隙中，Ti 则占据奥氏体点阵节点空缺位置。冷却时活泼的碳原子越向奥氏体周边运动，Ti 来不急扩散而保存在原地，因而碳将析集于晶界附近而成为过饱和状态，这已为示踪原子 C14自射线照相所证实。这种状态如在经 450850中温敏化加热，将发生 M23C6沉淀，与之相相应地形成了晶界贫 Cr 区。越靠近熔合区，贫 Cr 越严重，因此可形成“刀状腐蚀”。显然，高温过程和中温敏化相继作用，是刀口腐蚀的必要条件，但不含 Ti 或 Nb 的 18-8 钢不应有刀状腐蚀发生。超低碳不锈钢不仅不发生敏化区腐蚀，也不会有刀状腐蚀。18-8Ti 和 18-8Nb 钢，最佳控制 WcFe2+2e 还原（阴极）反映：2H+2e H2 Fe3+e Fe2+,两个反映在不锈钢表面同时发生，且速度相同，保持着电荷守恒。凡可提成两个或更多个氧化、还原分反映的腐蚀过程，都可叫做电化学反映。钢铁、铝等在酸中的腐蚀反映均属于电化学反映。如腐蚀电池的阳极反映可写成通式：MeMen+ne 每个反映中单个原子产生的电子数（n）等于元素的价数。腐蚀原电池的阴极反映可写成通式：D+neDne 2.5.2.5.3 3 实验实验药品与设备药品与设备 （1）实验设备：LK9805-电化学分析仪、烧杯、天平、玻璃棒、砂轮机、砝码、量筒（2）实验药品：FeCl3、浓 HCl、NaCl、酒精、丙酮、砂纸（3）腐蚀液配方：30gFeCl3+15gNaCl+7.5ml 浓 HCl+600mlH2O 2.5.2.5.4 4 实验实验试样制备试样制备 从焊接电流分别为35A、70A、80A，焊接接头为角焊缝的样板上截取20mm20mm20mm六块试样，然后用砂轮机进行粗磨，再用砂纸将其中电流不同的三块试样的焊缝磨光，再将剩下的三块试样用砂纸将HAZ区磨光。然后用水冲洗，在用酒精冲洗，最后用丙酮去表面油污。然后将做好的每一个试样钻个孔，再将六个试样用铜丝拧紧，最后在前三个试样的焊缝处留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好，在将后三个试样的HAZ区留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好。同样焊接接头为平焊缝试样制备亦如此。2.2.5.5.5 5 实验实验过程过程 电化学实验采用常规的三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pn 电极,电解质为100ml的30gFeCl3+15g NaCl+7.5m浓lHCl+600mlH2O腐蚀液室温(20)测量。采用电化学腐蚀设备LK9805-电化学分析仪,以50 mV/min 的扫描速率;电位范围从-3mV 到+3mV,测示电流的变化;并进行电流、电位的数据采集,然后通过数据解决得到电流与电位变化的Tafel 曲线。（装置如图2-6）图 2-6 恒电流法测量极化曲线的装置示意图 1-待测电极；2-辅助电极；3-直流电源；4-可变电阻；5-换向开关 6-电流表；7-电位差计；8-参比电极；9-盐桥；10-毛细管 2.6 X2.6 X-射线测试射线测试 2.6.1 x2.6.1 x-rayray 简介简介225 5 衍射又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。假如采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，互相之间产生干涉作用，引起互相加强或减弱的物理现象。衍射的条件，一是相干波（点光源发出的波），二是光栅。衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍射方向（角度）和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光珊的情况。为了使光能产生明显的偏向，必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。用于可见光谱的光栅每毫米要刻有约 500 到 500 条线。192023，劳厄想到，假如晶体中的原子排列是有规则的，那么晶体可以当作是 X 射线的三维衍射光栅。X 射线波长的数量级是 10-8cm,这与固体中的原子间距大体相同。果然实验取得了成功，这就是最早的 X 射线衍射。显然，在 X 射线一定的情况下，根据衍射的把戏可以分析晶体的性质。但为此必须事先建立 X 射线衍射的方向和强度与晶体结构之间的相应关系（如图2-7）。图 2-7 X 射线衍射示意图 2.6.2 X2.6.2 X-射线衍射方法射线衍射方法 衍射方向问题事实上就是衍射条件问题。如何建立衍射条件呢？根据几何光学的做法只要计算光程差就可以了。让我们来看一下布拉格是如何建立衍射条件的。波长为 的入射束 P,Q 分别照射到处在相邻晶面的 A、A两原子上，晶面间距为 d，在与入射角相等的反射方向上其散射线为 P、Q。光程差 Ae+Af=2dsin。由于干涉加强（即发生“衍射”）的条件是 等于波长的整数倍 n，因此可以写出衍射条件式为：2dsinn 图 2-8 X 射线衍射光路图 上述方程是英国物理学家布拉格父子于 192023 导出，故称布拉格方程（如图2-8）。选择反射 X 射线在晶体中的衍实质上是晶体中各原子散射波之间的干涉结果，只是由于衍射线的方向恰好等于原子面对射入射线的反射，所以才借用镜面反射规律来描述 X射线的衍射几何。必须注意，X 射线的原子面反射和可见光的镜面反射不同。一束可见光以任意角度透射到镜面上都可以产生反射，而原子面对 X 射线的反射并不是任意的，只有当、和 d 三者之间满足布拉格方程时才干发生反射，所以将 X 射线的这种反射称为选择反射。产生衍射的极限条件 从方程式中可以看出，由于 sin 不能大于 1,因此 n/(2d)=sin1,即 n2d。对衍射而言，n 的最小值为 1（n=0 相称于透射方向上的衍射线束无法观测），所以在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为/2，即只有晶面间距大于入入 X 射线波长一半的晶面才干发生衍射。因此可以用这个关系来判断一定条件下所能出现的衍射数目的多少。反射级数 n 为整数，称为反射级数。若 n=1,晶体的衍射称为一级衍射，n=2 则称为二级衍射，依此类推。布拉格方程把晶体周期性的特点 d、X 射线的本质 与衍射规律 结合起来，运用衍射实验只要知道其中两个，就可以计算出第三个。在实际工作中有两种使用此方程的方法。已知，在实验中测定，计算 d 可以拟定晶体的周期结构，这是所谓的晶体结构分析。已知 d，在实验中测定，计算出，可以研究产生 X射线特性波长，从而拟定该物质是由何种元素组成的，含量多少。这种方法称为 X射线波谱分析。2.6.32.6.3 实验实验药品与设药品与设备备 （1）实验设备：日本理学 D/MAX-2023/PC X 射线衍射仪、砂轮机、吹风机（2）实验药品：酒精、丙酮、砂纸 2.6.42.6.4 实验实验试样制备试样制备 从焊接电流分别为 35A、60A、70A，焊接接头为平焊缝的样板上截取 20mm20mm三块试样，然后用砂轮机进行粗磨，再用粒度为 280#，400#，600#砂纸对其焊缝细磨，并将其中的一个试样的基体进行细磨。第三章第三章 实实验结果与分析验结果与分析 3.13.1 金相实验金相实验 3.1.13.1.1 金相组织金相组织观测观测 图3-1到图3-14为焊接接头的微观形貌。在显微镜下可以清楚地看到焊缝组织呈现铸造组织形态,有明显的外延生长特性,焊缝中部的晶粒方向几乎是平行的。焊缝晶粒始于母材晶粒,止于焊缝中心。晶粒沿原晶粒方向生长,在向焊缝中心生长的过程中生长方向趋于垂直焊缝的上下表面,焊缝靠近母材处显微组织为等轴树枝晶，晶粒细小，次外层为柱状晶，中心为等轴树枝晶。随着焊接线能量的增长,热量输入增长,温度升高,散热速度慢,柱状晶和枝晶变粗。焊缝金相组织为奥氏体+沿柱状晶和枝晶晶界分布的铁素体。HAZ区晶粒较粗大。图3-1平焊缝I=35A HAZ区组织 图3-2平焊缝I=35A焊缝区等轴晶 图3-3平焊缝I=60A焊缝中心组织 图3-4平焊缝I=70A焊缝中心组织 图 3-5 平焊缝 I=70A HAZ 区组织 图 3-6 平焊缝 I=70A 焊缝柱状晶 图 3-7 角焊缝 I=35A HAZ 区组织 图 3-8 角焊缝 I=35A 焊缝柱状晶 图 3-9 平焊缝 I=60A HAZ 区组织 图 3-10 平焊缝 I=60A 焊缝柱状晶 图 3-11 角焊缝 I=70A HAZ 区粗晶组织 图 3-12 角焊缝 I=70A 焊缝区组织 图 3-13 角焊缝 I=80A HAZ 区粗晶组织 图 3-14 角焊缝 I=80A 焊缝区组织 3.1.23.1.2 焊缝及焊缝及 HAZHAZ 组织特性分析组织特性分析 焊接时由于冷却速度快，焊缝组织是铸态组织，成分偏析较明显。受热的金属处在过热状态并在动态下结晶，柱状树枝晶和等轴晶并存，并且很明显，由于柱状晶生成后，便以靠近熔合线即与原材料接触处联生的长大起来，但是长大的趋势各不相同，有的柱状树枝晶一直长到焊缝中心，有的则长到半途就停止了，这是由于晶体是沿着散热最快的方向长大的14，并沿着晶体自身101晶向方向成长，有的晶体101晶向与散热最快方向一致，它就垂直熔合线一直长到焊缝中心，有的不与散热方向一致形成夹角，于是就不垂直熔合线而与其成一定角度的成长。图 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10、3-11、3-12、3-13、3-14 为不同焊接线能量时焊缝及 HAZ 区组织形态。由图 3-14 可以看到此处焊缝组织由于热输入量大（I=80A），焊缝柱状树枝晶组织粗大，使柱状晶各向异性明显，同时结晶时的成分偏析使柱状树枝晶晶界区成分不均匀，这将导致焊缝中心产生热裂纹的危险提高，与图 3-10（I=60A）规范焊接电流时的焊缝柱状晶相比，后者柱状晶粒相对较细小，并且各向异性不太明显，使最后结晶时偏析区域有所改善，减少了产生热裂纹的倾向。由图 3-14 可以看出，大线能量时（I=80A）由于冷却速度下降，使焊缝HAZ 区粗晶区长大倾向明显，于是出现了较大的粗晶组织，使 HAZ 区性能明显减少，增长了此区域的危险性，与图 3-9（I=60A）相比，后者由于热输入量相对小，HAZ区粗晶倾向小并且晶粒大小类似于母材，此处性能较好。同时，由于大线能量时在450-850敏化区停留时间延长，敏化倾向增长，更易形成贫铬层。由图 3-8 可以看出，当使用小线能量时（I=35A），由于冷却速度下降较快，使 HAZ 区元素成分及组织明显不均匀，偏析严重，此处力学性能下降，结合强度较小。同时产生脆性组织倾向增大容易导致脆断，且偏析区成分不均匀更易腐蚀。3.23.2 硬度硬度实验实验 3.2.13.2.1 硬度曲线硬度曲线 焊缝区、HAZ 区硬度值及 HAZ 区的宽度见表 3-1，硬度曲线见图 3-15、3-16、3-17、3-18、3-19、3-20。表 3-1 硬度曲线数据表 电流值 焊缝区（HV）HAZ 区(HV)HAZ 区的宽度(mm)平焊缝 I=35A 168.58-214.78 179.19-219.83 1.3 I=60A 190.57-230.25 212.53-259.24 1.5 I=70A 241.31-280.01 232.91-279.86 1.62 角焊缝 I=35A 190.75-235.62 194.70-224.95 1.2 I=70A 188.69-212.53 182.79-219.94 1.65 I=80A 184.75-235.50 173.72-229.79 2 图 3-15 从焊缝中心到母材（平焊缝）图 3-16 从焊缝中心到母材（平焊缝）图 3-17 从焊缝中心到母材（平焊缝）图 3-18 从焊缝中心到母材（角焊缝）图 3-19 从焊缝中心到母材（角焊缝）图 3-20 从焊缝中心到母材（角焊缝）3.2.23.2.2 数据分析数据分析 有图可以看出，电流为 35A 时焊缝宽度较窄焊缝及 HAZ 区硬度相对偏小、强度相对减小。电流为 80A 时焊缝及 HAZ 区宽度较大，于是过热区晶粒长大倾向大，此区域的硬度显著偏低。电流为 60A、70A 时焊缝及 HAZ 区与前两者相比强度比 35A 时的大，而粗晶区明显比 80A 时的减少。3.33.3 点腐蚀实验点腐蚀实验 3 3.3.1.3.1 实验结果实验结果 通过点蚀实验得到了焊接线能量不同的试样的点蚀结果如下图。如图 3-21、3-23和图 3-22 所示，电流为 80A 在 HAZ 区有五个直径0.0250.05mm 的点蚀坑和一个直径为大约 0.46mm 的点蚀坑，在焊缝区有一个直径0.025mm 的点蚀坑；如图 3-24所示电流为 70A 在焊缝区有两个点蚀坑，直径0.0150.025mm；如图 3-25 所示，电流 60A 只在 HAZ 区有两个微小的点蚀坑，直径为 0.0210.023mm；如图 3-26 所示，电流为 35A 只在未焊透处有一个点蚀坑。如图 3-27、3-28 所示，起弧处形成的点腐蚀坑的宏观形貌。图 3-21 角焊缝 I=80A HAZ 区腐蚀 图 3-22 角焊缝 I=80A 焊缝区腐蚀 图 3-23 角焊缝 I=80A HAZ 区腐蚀 图 3-24 I=70A 焊缝区腐蚀 图 3-25 I=60A HAZ 区腐蚀 图 3-26 I=35A 未焊透腐蚀 图 3-27 平焊缝起弧处点腐蚀 图 3-28 角焊缝起弧处点腐蚀 3.3.3.23.2 结果分析结果分析 根据第二章第四节介绍的钝化膜破坏和吸附两大理论可知，不锈钢表面的钝化膜上的某点发生破坏，破坏区下的金属基体与膜未破坏区形成活化-钝化腐蚀电池，钝化表面为阴极并且面积比活化区大很多，腐蚀就向深处发展而形成小孔。在具有特殊介质中会发生点蚀，不锈钢在具有卤素离子特别敏感，其作用顺序为 Cl-Br-I-，这些阴离子在金属表面不均匀吸附导致膜的不均匀破坏，当介质中具有这些活性阴离子(如 Cl-)时,破坏不锈钢表面钝化膜发生.由于钝化膜破坏处的基体金属显露出来使其呈活化状态,而钝化膜处为钝态,这样就形成了活性-钝性腐蚀电池13。.由于阳极面积比阴极面积小得多,阳极电流密度大,所以阳极金属不久腐蚀成小孔，最终导致点蚀的发生。3.3.33.3.3 防止点蚀的措施防止点蚀的措施 （1）改善介质条件：如减少溶液中 Cl-含量，减少氧化剂减少温度等皆可减少点蚀的发生。（2）选用耐点蚀的合金材料：在奥氏体不锈钢中，耐点蚀性能高低的顺序为近几年来还发展了很多耐点蚀不锈钢，这些钢中都具有较多的，有的具有 N，而碳的含量都低于 0.03%。双相钢及高纯铁素体不锈钢抗点蚀性能都是良好的。钛和钛合金有最佳的抗点蚀性能。（3）阴极保护：阴极极化使电位低于 Eb，使不锈钢处在稳定钝化区，但实际应用困难。（4）对合金表面进行钝化解决：提高材料钝态稳定性。（5）使用缓蚀剂：特别在封闭系统中使用缓蚀剂最有效果，用于不锈钢的缓蚀剂有硝酸盐、铬酸盐、硫酸盐和碱，最有效的是亚硝酸盐。但要注意，缓蚀剂用量局限性，反而会加速腐蚀。3.43.4 极化实验极化实验 3.4.13.4.1 实验数据实验数据 如下图所显为各试样电极化式样分析结果曲线图 图 3-27 平焊缝不同热输入量式样 HAZ 区极化曲线叠加曲线 图 3-29 平焊缝不同热输入量式样焊缝区极化曲线叠加曲线 图 3-28 角焊缝不同热输入量式样 HAZ 区极化曲线叠加曲线 图 3-30 角焊缝不同热输入量式样焊缝区极化曲线叠加曲线 -3-2-10123-202468lg(l)/lg(毫安)电位/伏 I=35A I=60A I=70A 图 3-27 平焊缝 HAZ 区 -3-2-10123-202468lg(l)/lg(毫安)电位/伏 I=35A I=70A I=80A 图 3-28 角焊缝 HAZ 区 -3-2-10123-202468lg(l)/lg(毫安)电位/伏 I=35A I=60A I=70A 图 3-29 平焊缝焊缝区-3-2-10123-20246lg(l)/lg(毫安)电位/伏 I=35A I=70A I=80A 图 3-30 角焊缝焊缝区 如图（3-27、3-28、3-29、3-30）为本次实验测得的极化曲线图。图 3-27、3-28 曲线为不同电流时 HAZ 区对比极化曲线。图 3-29、3-30 曲线为不同电流时焊缝对比极化曲线。电极电位越高抗腐蚀性能越强。表 3-2 平焊缝电极电位数值图 焊缝区 电位（伏）HAZ 区 电位（伏）I=35A-0.525 I=35A-0.504 I=60A-0.499 I=60A-0.517 I=70A-0.523 I=70A-0.505 表 3-3 角焊缝电极电位数值图 焊缝区 电位（伏）HAZ 区 电位（伏）I=35A-0.579 I=35A-0.467 I=70A-0.573 I=70A-0.484 I=80A-0.542 I=80A-0.499 3.4.23.4.2 曲线分析曲线分析 从图中可以看出，图 3-27、3-28 中热输入量太大或太小它们 HAZ 区电位都比相对合适热输入量的小而更容易发生腐蚀。图 3-29、3-30 中热输入量太大或太小它们焊缝区电位都比相对合适热输入量的小而更容易发生腐蚀。由于电极电位低的部位容易失去电子13，发生氧化反映为阳极，反映式为 FeFe2+2e。电极电位较高的部位，则吸取电子发生还原反映 为阴极，反映式为 2Cl-+2e Cl2。它们构成微电池，阳极不断失去电子，被不断腐蚀。3.5 X3.5 X-射线实验射线实验 3.5.13.5.1 实验结果实验结果 不同焊接线能量和基体的 X-射线衍射图结果如图 3-31 至 3-34 所示。根据布拉格方程=2dsin，运用已知波长的特性 X 射线，通过测量 角，可以计算出晶面间距 d。奥氏体的 d 值一般为 2.08、1.80、1.27、1.08、1.03；铁素体的 d 值一般为2.02、1.43、1.16。所以，根据以上的 d 值得到了如图所示的结果，代表着奥氏体的衍射峰值；代表着铁素体的衍射峰值。图 3-31 I=35A 焊缝 X 射线衍射图 图 3-32 I=60A 焊缝 X 射线衍射图 图 3-33 I=70A 焊缝 X 射线衍射图 图 3-34 基体 X 射线衍射图 3.5.23.5.2 结果分析结果分析 由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间,削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向性,隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出,从而防止晶间腐蚀；又由于铁素体相应力腐蚀开裂不敏感,因此具有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但具有很少铁素体的奥氏体钢焊缝，因此焊接材料(母材和焊材)中的相铁素体利于改善焊缝及热影响区抗腐蚀性能10。但是铁素体在焊缝中具有一定的负作用。对于焊后需要600 以上热解决的焊件或长期在600850 温度下工作的焊件,由于在上述高温下相铁素体会析出相铁素体,相具有四方结晶构造,且富含Cr 导致周边Cr 的贫化,引起焊缝金属的脆化。并且铁素体含量增长时强度也增长,同时,延展性和冲击强度减低。所以铁素体在奥氏体不锈钢中不宜太多一般为4%-12%左右。从测量出的 X 射线衍射图可以看出，焊接电流分别为 I=35A、I=60A、I=70A 的焊缝金属中都有一定量的铁素体相存在，相比于母材则无铁素体的存在。由图可以看出不同的焊接规范焊缝中所含的铁素体相不同，焊接电流为 35A 的衍射峰强度是4610，焊接电流为 60A 的衍射峰的强度是 2651，焊接电流为 70A 的衍射峰的强度是5384。焊接线能量较小或较大焊缝中含的铁素体含量相对适当的焊接线能量焊缝中铁素含量高，所以应当选择适当的焊接线能量才干充足运用铁素体来改善抗腐蚀能力。第四章第四章 结论结论 通过上述的实验分析，得出以下结论 一、不锈钢对卤素离子敏感，这些阴离子在金属表面不均匀吸附导致钝化膜的破坏，因此不锈钢在具有过多 Cl-或同时具有 Cl-和 Fe3+的溶液中，更容易形成点蚀。二、通过硬度测试得知焊接线能量过大或过小时，热影响区的硬度值与母材的硬度值差异很大，绝大多数都低于母材，由此可知该区域的组织与母材存在着较大的差异，不仅使焊接接头性能下降，并且不利于抗腐蚀性能。三、通过孔腐蚀实验和恒电位极化曲线实验可知，采用大线能量焊接(I=80A)时，在焊缝和 HAZ 区易产生点腐蚀，线能量太小（I=35A）在未焊透处容易产生点蚀。四、采用不同的焊接线能量焊接时，焊缝中铁素体的含量不同，焊接线能量过大或过小使焊缝中铁素体的相对含量增长，使其达不到抗腐蚀性能规定。因此应当选择适当的焊接线能量才有助于锈钢的抗腐蚀性能。五、焊接时起弧和收弧处比其它部位更容易产生点腐蚀。致致 谢谢 本文是在我的指导教师刘威老师的悉心指导和严格规定下完毕的，在实验过程中，刘老师给了我宝贵的实践机会，积累了大量的实践经验，使我提高了分析和解决实际问题的能力，这对我此后的学习和工作都打下了坚实的基础，使我受益非浅。在此我表达衷心的感谢和崇高的敬意。同时，还要感谢实验室诸位老师在实验进行中给予的诸多帮助。参考参考文献文献 1 李亚江.焊接冶金学.北京：机械工业出版社，2023.2，113120 2 E.S.Sperry,Brass World,V2,1906，3944 3 W.H.Bassett,Proc.Am.Soc.Test.Materi.,V18,.1918，153162 4 J.C.Hodge et,al.,T.A.S.M.V28,1940，2882 5 Symposium on SCC of Metals,ASTM STP-64,1944.6 ASTM STP-264,1960.7 JIS G 4305Cold Rolled Stainless Steel Plates and Sheets 8 周振丰，张文钺合编，焊接冶金与金属焊接性，中国机械工业出版社，1988.11 9 宋涛哲.腐蚀电化学研究方法M.北京：化学工业出版社，1988，7679 10 美美国金属学会，金属手册，第九版，第三卷M.北京：机械工业出版社，1991.11 傅积和.化纤化工设备防腐蚀M.北京：纺织工业出版社，1985，1117 12 陆世英，张廷凯，康喜范。不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢，北京：原子能出版社，1985,78119 13 美A.约翰.塞德赖克斯.不