與T9鋼焊接工藝及接頭組織與能畢業(yè)

1、. 學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 201010401007 本科畢業(yè)論文（題 目：HR3C與T91鋼焊接工藝及接頭組織與性能 學(xué)生姓名：齊帥學(xué) 院：材料科學(xué)與工程系 別：材料成型及控制工程專 業(yè)：材料成型及控制工程班 級：材10-3指導(dǎo)教師：董俊慧 教授二 一 四 年 六 月摘要最近幾年HR3C奧氏體不銹鋼與T91馬氏體耐熱鋼的異種鋼焊接被廣泛的應(yīng)用在火力發(fā)電廠的超臨界組中的過熱器和再熱器中。到現(xiàn)在為止，對于這兩種鋼的焊接接頭的研究還很少，所以對于這兩種鋼的研究還是有必要加強?；谶@種情況，我們對于上述兩種鋼的焊接工藝以及其焊后的顯微組織與性能進(jìn)行了研究，同時研究了同種鋼HR3C奧氏體不銹鋼

2、的焊接工藝以及焊后組織與性能，比較同種鋼焊接接頭與異種鋼焊接接頭的在顯微組織與性能方面的不同。本次試驗采用的是氬弧焊焊接的方法，運用鎳基焊絲完成了HR3C/T91異種鋼焊接以及HR3C/HR3C同種鋼的焊接。然后通過拉伸試驗、金相組織的觀察，主要研究了相同工藝下異種鋼焊接與同種鋼焊接的組織變化以及接頭的力學(xué)性能以及不同工藝下的同種鋼焊接的組織的變化與接頭的力學(xué)性能。通過常溫拉伸試驗可以看出異種鋼焊接的接頭的抗拉強度和屈服強度與同種鋼比相差不多，甚至略高于同種鋼的。通過金相組織觀察發(fā)現(xiàn)異種鋼焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒大小與同種鋼焊接的焊縫的晶粒大小幾乎一樣。關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；馬氏體耐熱

3、鋼；異種鋼接頭；組織；力學(xué)性能.;AbstractIn recent years dissimilar steel HR3C austenitic stainless steel and T91 martensite heat-resistant steel welding widely used in superheater and reheater of supercritical group of thermal power plant.Up to now, for the research of this two kinds of steel w

4、elded joint were rare, so it is necessary to strengthen the study of the two kinds of steel. Based on this situation, the welding process of the above two kinds of steel and the microstructure and properties were studied after welding, at the same time, studied the same steel HR3C austenitic stainle

5、ss steel welding process and microstructure and properties after welding, comparing the same steel welding joint and dissimilar steel welding joint in microstructure and properties of different aspects.This experiment adopts argon arc welding method, using nickel-based welding wire completed the T91

6、/HR3C dissimilar steel welding and welding HR3C/HE3C the same steel. And then through the tensile test, metallographic observation of the organization, mainly studied the organizational change and the mechanical properties between dissimilar steel welding and the same steel welding under the same pr

7、ocess and the same steel welding under different process between organizational change and the mechanical properties of joint. Can be seen through the room temperature tensile test of dissimilar steel welding, the tensile strength and yield strength of the joints of almost with the same steel ratio,

8、 even slightly higher than the same steel welding joint. Through the microstructure observation we can know the grain size of the dissimilar steel welding joint weld area and heat affected zone compared to the grain size of the same steel welding seam to be the same.Keywords: austenitic stainle

9、ss steel; martensite heat-resistant steel; dissimilar steel; welding joint; organizations; mechanical properties目 錄引言1第一章 緒論21.1 奧氏體不銹鋼簡介21.1.1 奧氏體不銹鋼的定義與性能21.1.2 奧氏體不銹鋼的發(fā)展?fàn)顩r31.1.3 奧氏體不銹鋼的特性41.1.4 HR3C奧氏體體不銹鋼的特性和應(yīng)用41.2 馬氏體耐熱鋼的簡介51.2.1 馬氏體耐熱鋼的發(fā)展?fàn)顩r51.2.2 馬氏體耐熱鋼的種類和應(yīng)用61.2.3 新型馬氏體耐熱鋼的特性與應(yīng)用71.2.4 T91馬氏體耐

10、熱鋼的發(fā)展與應(yīng)用8第二章 試驗過程及方法92.1 試驗材料92.1.1 試驗材料92.1.2 焊接材料92.2 試驗方法102.2.1 焊前準(zhǔn)備102.2.2 焊接工藝102.2.3 焊接工藝評定102.3 拉伸試驗112.3.1 試驗條件112.3.2 試驗步驟112.4 試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)分析122.4.1 試驗條件122.4.2 試樣的制備122.4.3 試樣的組織觀察12第三章 試驗結(jié)果與分析143.1 拉伸試驗的結(jié)果與分析143.2 試樣的金相組織分析15第四章 結(jié)論21參考文獻(xiàn)22致謝24引言最近幾年我們國家從外國引進(jìn)一種技術(shù)就是關(guān)于在火力發(fā)電廠方面增加一種超臨界機組，使用超臨界機

11、組不僅在控制二氧化碳方面起到了很好的效，更重要的能充分的利用能約。我們國家的超臨界機組的使用參數(shù)為蒸汽壓力大于25MPa，蒸汽的溫度高于580C1。由于這種超臨界機組的工作環(huán)境要比普通的機組的工作環(huán)境困難的多，所以用于超臨界機組中的處于高溫處的零件必須具有較高的耐熱性，比如有新型的奧氏體不銹鋼HR3C(TP310NbN)、新型細(xì)晶強韌馬氏體耐熱鋼SA213-T91/P91（新型的馬氏體耐熱鋼9Cr-1MoVNb）等2。新型奧氏體不銹鋼HR3C具有優(yōu)異的高溫強度以及抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化性能，主要用于超超臨界火電機組過熱器、再熱器的高溫部位1-2，T91鋼具有較好的韌性、焊接性、抗氧化性、抗熱疲

12、勞性能以及很好的焊接性，并且加工時候方便簡單。目前世界范圍內(nèi)T91鋼已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力、能源、鍋爐、壓力容器、石油、化工、核電等領(lǐng)域2-3，所以說異種鋼的焊接是不可避免的。但是我們國家一直研究的重點是同種鋼的焊接，對于異種鋼焊接還是處于一個探索中前進(jìn)的階段。異種鋼焊接是指不同化學(xué)成分或組織的兩種鋼的對接接頭的特點是其化學(xué)成分、金屬組織和機械性能存在不均勻性、線膨脹系數(shù)相差較大，焊接時其應(yīng)力和變形比同種鋼大，并且不能用焊后熱處理的方法加以消除，因此對焊接材料和焊接規(guī)范有更為嚴(yán)格的要求4。所以說異種鋼焊接過程中更容易產(chǎn)生各種缺陷，甚至?xí)a(chǎn)生早期的失效。目前國內(nèi)外有不少研究關(guān)于T91與HR3C異種

13、鋼的焊接，但是大部分都是研究他們的焊接性和高溫蠕變性能，對于T91/HR3C的焊接工藝和焊接接頭的組織的性能研究很少，本文通過研究T91/HR3C的焊接工藝及焊接接頭的組織性能，及同種鋼HR3C/HR3C焊接接頭的組織性能的比較，希望能為超臨界組在各種大型設(shè)備中的安全、經(jīng)濟的使用給予有力的保證。第一章 緒論1.1 奧氏體不銹鋼簡介奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，它具有較強的綜合力學(xué)性能和抗腐蝕性能，多數(shù)用于大型的壓力容器設(shè)備中。奧氏體不銹鋼的本質(zhì)是在18Cr-8Ni鋼的本體上添入了Cr、Ni、Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素，奧氏體不銹鋼中Cr的含量約18%、Ni的含量約為

14、8%10%、C的含量約為0.1%。奧氏體不銹鋼不能利用熱處理使晶粒細(xì)化，也不能通過淬火提高其硬度，因其顯微組織為奧氏體，所以普通的奧氏體不銹鋼強度都較低5。奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼類，生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的70%，鋼號也最多6。1.1.1 奧氏體不銹鋼的定義與性能奧氏體不銹鋼就是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，為了能得到穩(wěn)定的奧氏體組織，在鋼中加入了一些合金元素Cr18%、Ni 8%10%、C約0.1%。奧氏體不銹鋼具有很好的耐蝕性，這都取決于加入鋼中的合金元素的種類，不同種類的合金元素起著不同的效果，抗腐蝕性能也會有所不同。奧氏體不銹鋼從字面上來說就是一種在任何工作

15、環(huán)境中都不容易生銹的鋼種。我們都知道，對于一般的鋼種來說如果經(jīng)常處于大氣、水、酸性等條件下，鋼種的表面就會與大氣、水、酸性的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生銹。而不銹鋼之所以不會生銹是因為其表面含有鉻元素，當(dāng)奧氏體不銹鋼表面的鉻元素達(dá)到一定的含量時，它的耐蝕性就會增強，也就不會生銹了。奧氏體不銹鋼具有很好的生產(chǎn)工藝，通過平常的方法就可以生產(chǎn)出各種不同形狀的產(chǎn)品，比如有板材、管材、棒材等等。奧氏體不銹鋼的焊接性也相當(dāng)好，不容易產(chǎn)生氫脆，通常可以使用各種焊接方法來完成奧氏體不銹鋼的焊接過程，而且在焊接之前不用像其他的鋼種進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接以后也不用熱處理。奧氏體不銹鋼主要存在的問題是在熱裂紋上，奧氏體不銹鋼在

16、焊接的過程中主要是容易產(chǎn)生熱裂紋，而且焊后的奧氏體不銹鋼的焊接接頭容易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。對于奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的熱裂紋在實際生產(chǎn)中主要是通過采用含有鐵素體的不銹鋼焊條焊接，這樣就能避免焊接過程中產(chǎn)生熱裂紋。如果有特殊情況，就像焊件如果容易碰到腐蝕性的介質(zhì)時，焊接過后要進(jìn)行熱處理，以免焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕或者應(yīng)力腐蝕。還有一點就是奧氏體不銹鋼的切削性能相對很差，在對奧氏體不銹鋼進(jìn)行切削時，很容易產(chǎn)生加工硬化，就算是在切削時產(chǎn)生的變形不會太大但是對于奧氏體不銹鋼來說都會產(chǎn)生很強烈的加工硬化。而且奧氏體不銹鋼的韌性很高，在切削加工時容易產(chǎn)生粘刀的情況，這樣會使加工無法進(jìn)行下去。解決這種問題的方法通常是

17、采用較小的進(jìn)給量，這樣在一定程度上能避免這種問題的發(fā)生。1.1.2 奧氏體不銹鋼的發(fā)展?fàn)顩r德國研究人員在1913年發(fā)現(xiàn)了一種鋼，這種鋼不僅能抗氧化及酸性腐蝕，而且在增加一些微量元素以后還具有抗其他各種酸性腐蝕的功能，就是這樣奧氏體不銹鋼產(chǎn)生了，由于年代久遠(yuǎn)研究人員的名字不得而知。奧氏體不銹鋼在不銹鋼中的地位是舉足輕重的，這種鋼的突出特點就是加入的合金元素比較多，也正是由于合金元素的加入使這種鋼具有普通鋼沒有的耐蝕性，因此在各行各業(yè)奧氏體不銹鋼的貢獻(xiàn)都是非常重大的，尤其是用于火力發(fā)電廠的再熱器和過熱器，這樣不僅提高了鋼材的利用率，同時也保證了設(shè)備的安全使用。奧氏體不銹鋼主要用于大型的火力發(fā)電廠的

18、再熱器和過熱器中，但是由于其工作環(huán)境的溫度比較高，所以對于鋼材的耐高溫性能的要求比較高。隨著科技的迅速發(fā)展，各行各業(yè)也在不斷的進(jìn)步，發(fā)電廠是國家主要的企業(yè)，其設(shè)備也在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，這就會對設(shè)備中的鋼材的耐高溫性提出新的要求。以前的鋼材已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在設(shè)備的要求，而且相比之下以前的設(shè)備的重量和用量都大大的超過了現(xiàn)在設(shè)備，這不但會增加設(shè)備的造價，也會大大的浪費資源。而新型的奧氏體不銹鋼在耐高溫方面有了很大的提高，滿足了設(shè)備要求的同時，也減輕了大型設(shè)備的重量和用量，在一定程度上減少了設(shè)備的造價，節(jié)約了能約。而且新型的奧氏體不銹鋼的產(chǎn)生也給社會的各個行業(yè)帶來了方便，這主要是依賴于奧氏體不銹鋼優(yōu)良的

19、綜合力學(xué)性能。目前為止德國、俄羅斯等國家在奧氏體不銹鋼的研究發(fā)展和應(yīng)用方面具有顯著的成就。德國研究出來的高氮奧氏體不銹鋼No.1.3964.9鋼在軍事和民用行業(yè)得到了廣泛的推廣6。在俄羅斯奧氏體不銹鋼的應(yīng)用也在不斷的提高，目前為止俄羅斯的大部分的重型機械的制造中都有奧氏體不銹鋼的參與。在我們國家奧氏體不銹鋼也占有一席之地，無論是大型的壓力容器設(shè)備，還是火力發(fā)電廠的超臨界組，奧氏體不銹鋼都扮演著一個重要的角色，這歸結(jié)于奧氏體不銹鋼的綜合力學(xué)性能，所以受到各行各業(yè)的歡迎。奧氏體不銹鋼的鋼號也是最多的，現(xiàn)在我們國家常用的牌號有40多個，一般都是18-8型的。在未來奧氏體不銹鋼的研究方向?qū)⑥D(zhuǎn)向鋼種極低

20、碳化、特殊用途鋼種開發(fā)、新工藝的開發(fā)7。1.1.3 奧氏體不銹鋼的特性奧氏體不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu)，它具有比較全面的力學(xué)性能，方便進(jìn)行冷加工、沖壓和焊接。奧氏體不銹鋼最突出就是它的耐蝕性，所以奧氏體不銹鋼是目前為止應(yīng)用最廣泛的一種鋼。奧氏體不銹鋼的基本組織是奧氏體，但是有時候在不同的熱處理的狀態(tài)下，有可能出現(xiàn)碳化物和鐵素體組織。奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能的改變不能通過簡單的熱處理，而是通過冷變形的方法或者是加入合適的的合金元素來得到我們需要的鋼種。奧氏體不銹鋼也有一定的缺點，因其較低的蠕變斷裂強度，在實際的應(yīng)用過程中構(gòu)件的壁厚都會很厚，這就額外的增加了構(gòu)件的重量和成本。最常見的18-8奧氏

21、體不銹鋼具有線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差、熱疲勞敏感和應(yīng)力腐蝕等缺點，使得該鋼的適用范圍很窄，僅限于制作薄壁構(gòu)件8。所以，為了奧氏體不銹鋼能更好、更廣的用于實際，增強其耐蝕性的同時，還要考慮它的蠕變強度。最近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，在奧氏體不銹鋼中加入Nb、Ti、Mo等能在奧氏體不銹鋼中得到比較穩(wěn)定的碳化物，由于他們在長時間的的運轉(zhuǎn)過程中在晶體內(nèi)部析出，通過這種方法一方面可以改善蠕變斷裂強度，另一方面能提高它的抗腐蝕性能。但是，在實際的應(yīng)用過程中，奧氏體不銹鋼的蠕變強度并沒有顯著的提高。所以，在今后對于奧氏體不銹鋼的研究中，我們的重點應(yīng)該放在如何提高它的蠕變強度上，這對于我們今后在奧氏體不銹鋼的應(yīng)用上將是一

22、個突破。1.1.4 HR3C奧氏體體不銹鋼的特性和應(yīng)用HR3C鋼是日本住友公司在TP310基礎(chǔ)上通過復(fù)合添加Nb、N合金元素研制出的一種新型奧氏體不銹鋼，利用鋼中析出細(xì)微的CrNbN化合物和Nb的碳氮化物以及M23C6來對鋼進(jìn)行強化8-9，所以有很好的蠕變斷裂強度，與其他的奧氏體不銹鋼相比HR3C鋼具有更好的綜合性能。而且N的含量的增加使HR3C奧氏體不銹鋼具有很好的抗高溫氧化性能和抗高溫腐蝕性能，與以前的TP310鋼比較許用應(yīng)力有了很大的提高，還有它的焊接性也相當(dāng)好，所以HR3C奧氏體不銹鋼常常用于大型的設(shè)備中，比如鍋爐、發(fā)電廠等重要的場所，往往是被使用在超臨界組的再熱器和過熱器中，現(xiàn)在超臨

23、界組中主要使用的就是HR3C鋼。隨著社會的不斷進(jìn)步，我們國家也在不斷的發(fā)展，重工業(yè)是國家的龍頭企業(yè)，所以發(fā)展重工業(yè)才會帶動其他各行各業(yè)更快速的發(fā)展。但是設(shè)備的不斷更新勢必會對其所用的鋼材的綜合性能有一個新的要求，HR3C鋼的產(chǎn)生為我們解決了我們面里面的難題，HR3C奧氏體不銹鋼不僅在耐高溫方面有了新的突破，同時在耐腐蝕以及強度方面都有了提高。用HR3C鋼焊接而成的設(shè)備與以前的設(shè)備相比所用材料的壁厚在一定的程度上有了減少，用量和重量也就會減輕，這就會降低生產(chǎn)設(shè)備所用的資源和財力。而對于我們國家來說，超臨界技術(shù)還是一個比較難的攻克點，我們國家引進(jìn)超臨界技術(shù)的時間不長，對于HR3C奧氏體不銹鋼的研究

24、還不夠深刻，在應(yīng)用方面還是有一定的難度，主要是沒有合適匹配的材料，目前我們國家的超臨界機組主要用的是日本的匹配材料，在未來的發(fā)展中，我們國家應(yīng)該更深入的研究HR3C奧氏體不銹鋼的接頭組織性能以及它在實際中的服役狀況。1.2 馬氏體耐熱鋼的簡介馬氏體耐熱鋼中的C、Cr的含量較其他的鋼種要多，一般來說馬氏體耐熱鋼中的Cr的含量保持在10%13%10。通常我們?yōu)榱说玫饺渥儚姸容^高的馬氏體耐熱鋼，主要途徑就是在鋼中加入合金元素來進(jìn)行彌散強化，主要原理就是鋼在服役的過程中，在溫度較高的環(huán)境中，加入的合金元素在鋼中發(fā)生擴散，從而引起的組織的轉(zhuǎn)變。通過加入鎳、鉬、釩對馬氏體耐熱鋼進(jìn)行合金化處理，加入鉻、硅是

25、為了增強鋼的抗氧化性，而加入鉻、鎳、鉬、鎢、釩、錳是用來增強鋼的高溫強度。所以加入合金元素的馬氏體耐熱鋼的蠕變強度、耐蝕性還有熱強性都有了明顯的提高，也正是由于它良好的綜合性能，通常被用于比較重要的機械制造中，比如火力發(fā)電廠的超臨界組中，還有配合其他鋼種一起用于大型的壓力容器中等等。1.2.1 馬氏體耐熱鋼的發(fā)展?fàn)顩r馬氏體耐熱鋼的應(yīng)用要追溯到動力工業(yè)的的時代，那時候蒸汽機和鍋爐剛剛走進(jìn)人們的生活，當(dāng)時由于設(shè)備的落后，所以對于鋼的要求也相對較低，低碳鋼基本就能滿足基本的使用要求。后來隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展對于鋼的要求也越來越高，人們在不斷的探索中研制出了珠光體型低合金鋼，這種鋼的優(yōu)點在于它的

26、服役的溫度有了很大的提高，并且能在高溫度（450480ºC）的環(huán)境中持續(xù)工作，相對于以前的鋼種有了很大的進(jìn)步，而現(xiàn)在人們又研制出來了持久強度更高的多元復(fù)合合金化的低合金的耐熱鋼，在服役的環(huán)境方面有了新的突破。近幾年，由于航天、電力方面的快速發(fā)展，對鋼種的要求越來越高，對于耐熱鋼的的開發(fā)和研究也有了明顯的增強，而人們研究的重點是高鉻耐熱鋼的發(fā)展，也就是馬氏體耐熱鋼。這種鋼有很好的韌性和抗蠕變性能，還有它的抗高溫氧化性能和耐蝕性都使它受到人們的親瞇，成為了火力發(fā)電廠中主要的材料。現(xiàn)在看來世界上各個國家在耐熱鋼的發(fā)展和使用上都有了很大的依賴，所以在今后的發(fā)展中，耐熱鋼的作用將會越來越大。我

27、們國家使用耐熱鋼的時間是在20世紀(jì)70年代出，可以算是使用耐熱鋼比較早的一個國家，主要是用于大型的火力發(fā)電廠以及大型的壓力容器中。我們國家使用的是9%12%Cr的高鉻馬氏體耐熱鋼，這種鋼有很好的蠕變斷裂強度和耐蝕性以及高溫氧化性11。我們國家初期使用的是比較簡單的馬氏體耐熱鋼，但是在長期的高溫服役過程中，這種馬氏體耐熱鋼的高溫強度難以滿足設(shè)備的要求。在后來人們的不斷探索中終于成功的研發(fā)出了具有優(yōu)良的高溫強度、抗高溫氧化性能的馬氏體耐熱鋼，主要技術(shù)就是在現(xiàn)有的鋼中加入所需要的合金元素，通過彌散強化使馬氏體耐熱鋼滿足現(xiàn)有設(shè)備各方面的要求。以往用于大型的發(fā)電廠或者大型的壓力容器中的鋼材綜合性能方面達(dá)

28、不到設(shè)備的要求，在使用的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，尤其是發(fā)電廠以及大型的壓力容器對于溫度的要求都比較高，而傳統(tǒng)的鋼材在實際應(yīng)用中溫度都比較低，不但限制了大型設(shè)備的使用范圍，同時也增加了大型設(shè)備的造價，由于鋼材的耐高溫性不強，所以設(shè)備的重量往往會很高，這樣往往會給設(shè)備在使用的過程中帶來不可避免的危害。因而傳統(tǒng)的鋼材在設(shè)備的應(yīng)用中慢慢的已經(jīng)淘汰了。同時研究人員也在不斷的研究新的鋼材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材來滿足設(shè)備的要求。馬氏體耐熱鋼的產(chǎn)生解決了研究人員一直困擾的問題，這種鋼材在實際的應(yīng)用中證明了其綜合性能比傳統(tǒng)用鋼要好的多，馬氏體耐熱鋼在使用溫度上大大的降低了，這樣就會減輕設(shè)備的重量和用量，設(shè)備在使用過程中

29、也會很安全的運行，降低了各種風(fēng)險，增加了安全系數(shù)。而隨著社會的不斷進(jìn)步，科技的不斷發(fā)展，超臨界的出現(xiàn)又對設(shè)備的使用提出了新的要求，主要還是使用的溫度達(dá)不到設(shè)備的要求，科研人員又經(jīng)過努力發(fā)現(xiàn)了在上面的馬氏體耐熱鋼中加入一些合金元素會使馬氏體耐熱鋼在耐高溫方面達(dá)到設(shè)備的要求。目前為止我們國家以及世界上的許多國家都在使用馬氏體耐熱鋼，主要是用于超臨界組中過熱器和再熱器中以及大型的壓力設(shè)備中。1.2.2 馬氏體耐熱鋼的種類和應(yīng)用耐熱鋼基本都有很好的高溫強度和塑性以及較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性。耐熱鋼的分類通常是根據(jù)其工作的環(huán)境分為熱強鋼和熱穩(wěn)定性鋼。而根據(jù)它的顯微組織又可以將耐熱鋼分為珠光體耐熱鋼、鐵素體耐

30、熱鋼、奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼12。馬氏體耐熱鋼因其的較多的鉻而被人們稱為鉻鋼。還有其他的合金元素，比如鎢、鉬、釩等等，這些元素的加入主要是為了提高馬氏體耐熱鋼的高溫強度。因為馬氏體耐熱鋼具有較好的、全面的性能，常常被應(yīng)用于重要的行業(yè)中，像石油、化工、機械方面應(yīng)該是使用最多的。馬氏體耐熱鋼得名于它在顯微鏡觀察下的組織為馬氏體組織，馬氏體耐熱鋼的種類比較簡單，主要是三種即：普通型馬氏體耐熱鋼、改良型馬氏體耐熱鋼、新型的馬氏體耐熱鋼。三種類別鋼的各種性能相差不多，但是還是會有些許的差別，這要看服役的環(huán)境以及其他必要的條件。各個國家對于馬氏體耐熱鋼的使用情況也略有區(qū)別，就像日本和德國比較常用改良型

31、的，而我們國家最常用的應(yīng)該是新型的馬氏體耐熱鋼，因為我國馬氏體耐熱鋼使用的工作溫度較其他國家的略微高點。如我國新研制的SAVE12、 ZG1Cr10MoWVNbN、TOS302、TOS303、TR1150、NF616、NF12等13。1.2.3 新型馬氏體耐熱鋼的特性與應(yīng)用在上個世紀(jì)的70年代人們研發(fā)出來了馬氏體耐熱鋼并在實際的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在那個期間我們國家的壓力容器設(shè)備正在快速發(fā)展，所以對材料的要求也在不斷加強，在此情況之下人們開始不斷的研究新的材料來滿足現(xiàn)在的設(shè)備要求。到現(xiàn)在為止我們國家先后研制出各種大型設(shè)備的全部使用材料，并且在技術(shù)要求的方面也達(dá)到了最高的標(biāo)準(zhǔn)。新型的馬氏

32、體耐熱鋼的產(chǎn)生是基于利用較少的合金元素得到性能全面的鋼種，已達(dá)到減少成本的要求。目前為止，我們國家的各種大型設(shè)備行業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對設(shè)備中材料的各種性能都提出了新的要求，但是由于我們國家工業(yè)方面的技術(shù)不斷完善，技術(shù)的進(jìn)一步提高，生產(chǎn)出具有綜合性能良好的新型馬氏體耐熱鋼已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。這種新型的馬氏體耐熱鋼的產(chǎn)生必定會在一定程度上提高設(shè)備的各種使用性能，給人們帶來更多的方便。新型馬氏體的組織結(jié)構(gòu)和低碳馬氏體組織結(jié)構(gòu)是一致的，他們的基本組織都是鐵素體，唯一不同的是新型馬氏體的晶體內(nèi)是板條狀的馬氏體。隨著科技的進(jìn)步，人們的節(jié)約能源的意識不斷提高，而大型工程中的設(shè)備的使用是人們一直熱議的話題，所以說提

33、高大型設(shè)備的使用率一直是科研人員研究的向。其實在90年代科研人員已經(jīng)有了設(shè)計低碳微合金化的馬氏體耐熱鋼的思路，主要是因為這種鋼具有節(jié)約能源的作用，以及其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，這種鋼材的出現(xiàn)引起一時的轟動，在各個行業(yè)都能看到這種鋼材的使用，因此也得到了快速的發(fā)展。但是進(jìn)入20世紀(jì)，由于發(fā)電廠、石油、化工、制造業(yè)的迅速發(fā)展，對于設(shè)備中使用的鋼材也提出新的要求，在科研人員的不斷努力下，研發(fā)出來了具有良好性能且能滿足現(xiàn)有設(shè)備的使用要求的鋼材，這就是新型的馬氏體耐熱鋼。這種新型的馬氏體耐熱鋼在一定程度上減少了鋼材中的各種不必要的雜質(zhì)，取而代之的是在其中加入了一些必要的微量元素，通過合金強化增強了鋼的強度、

34、韌性、耐高溫性以抗氧化和抗腐蝕性能，滿足了大型設(shè)備的使用要求之外同時也減少了設(shè)備的用量和重量，減少了能源的浪費，給人們帶來了方便。1.2.4 T91馬氏體耐熱鋼的發(fā)展與應(yīng)用T91鋼是美國國立像樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼，它是在9Cr1MoV鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，嚴(yán)格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進(jìn)行合金化14。T91馬氏體耐熱鋼主要用于大型的壓力容器中，也用于火力發(fā)電廠的大型設(shè)備中，屬于改進(jìn)型的馬氏體耐熱鋼，這種鋼的高溫?zé)釓娦砸约翱寡趸芰κ瞧渌愪摲N所不能達(dá)到的。在相同的服役環(huán)境中，使用T91馬氏體耐熱鋼可以在很大的程度上降低成本，節(jié)省能約

35、，主要是因為它的高溫?zé)釓娦栽趯嶋H應(yīng)用中發(fā)揮的重要的作用。T91馬氏體耐熱鋼一般都被用在壓力容器設(shè)備中的過熱器和再熱器中，與其他的鋼種比較T91鋼中碳含量減少很多，同時控制了產(chǎn)生有害氣體的S、P的含量，添加了合金元素來代替S、P等元素，在環(huán)境保護方面有了很大的改善。T91鋼中的合金元素的加入主要是為了增強鋼的抗氧化性能以及抗腐蝕性能。碳是T91鋼中重要的元素之一，碳主要是起到提高鋼的強度的作用，隨著碳含量的增加，鋼的強度會呈現(xiàn)出上升趨勢，但是碳含量過多會使鋼的其他性能下降，所以碳的含量的多少需要我們根據(jù)實際情況來決定。T91鋼中Cr的加入主要是為了增強鋼的抗氧化性能以及抗腐蝕性能，而加入鉬能使T

36、91鋼的熱強性得到增強。盡管如此T91鋼在焊接過程中還是會出現(xiàn)問題，這就需要在制定工藝或者通過服役環(huán)境的改善來進(jìn)一步確保設(shè)備的正常的運行。不僅如此，在今后的發(fā)展中，我們應(yīng)該把研發(fā)的重點放在如何更環(huán)保、更節(jié)約的利用這種鋼，以達(dá)到更全面化，普及到國家的各行各業(yè)，造福國家。 第二章 試驗過程及方法2.1 試驗材料2.1.1 試驗材料此次試驗所選用的材料是42mm×5mmHR3C奧氏體不銹鋼與T91馬氏體耐熱鋼進(jìn)行焊接和42mm×6mmHR3C奧氏體不銹鋼與42mm×6mmHR3C奧氏體不銹鋼的焊接。HR3C鋼與T91鋼母材的化學(xué)組成成分見下表2-1。HR3C鋼與T91鋼

37、常溫下的力學(xué)性能見下表2-2。試樣分為三個組：第一組是HR3C/HR3C標(biāo)為1-1；第二組是HR3C/HR3C標(biāo)為2-1；第三組是HR3C/T91標(biāo)為3-1；表2-1 母材的化學(xué)成分表(t%)母材 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C T91 0.100 0.430 0.290 8.810 0.94 0.20 0.005 0.011 0.110 0.090 0.100 HR3C 0.06 1.230 0.260 24.93 0.002 0.006 18.13 0.43 0.06 表2-2 常溫下母材的力學(xué)性能15母材 /Mpa Akv/J HBT91 585 415 20

38、 68 250HR3C 295 655 30 2.1.2 焊接材料奧氏體不銹鋼與馬氏體耐熱鋼的異種鋼焊接的焊接材料一般有兩種，一種是鎳基焊接材料，另一種是奧氏體焊接材料。根據(jù)有關(guān)研究表明，填充材料是鎳基焊接材料的焊接接頭要比填充材料是奧氏體焊接材料的焊接接頭的早期失效概率低的多。前者的失效概率在運行10000小時后還很小，在運行100000小時候才剛剛高于百分之一，而后者發(fā)生失效的時間可能在運行10000小時前。其失效的概率在運行10000小時時就已經(jīng)高于百分之一16。此次試驗我們選取的是規(guī)格為2.4的ERNiCr-3鎳基焊接材料作為填充金屬，化學(xué)成分見下表2-3。表2-3 焊絲的化學(xué)成分焊絲

39、 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C ERNiCr-3 0.06 1.23 0.26 24.93 0.002 0.006 18.13 0.43 0.06 2.2 試驗方法2.2.1 焊前準(zhǔn)備采用機械方法進(jìn)行下料，坡口型式是V型坡口，采用對接的方法進(jìn)行焊接，不留鈍邊，選擇的開坡口的角度為30°，不留焊縫間隙，焊前要對開坡口處的內(nèi)外側(cè)15mm以內(nèi)進(jìn)行油、水、銹等雜質(zhì)的徹底處理，一直處理到焊件顯現(xiàn)出金屬光澤才可以施焊。2.2.2 焊接工藝鎢極氬弧焊被稱為TIG焊，是通過自帶的不熔化的電極與被焊工件之間產(chǎn)生的熱量的一種電弧焊接方式。與其他一般的焊接方法相比鎢極氬弧焊的

40、特點是電弧熱量集中，溫度高，電弧穩(wěn)定性好，焊縫質(zhì)量好。本次試驗采用的焊接方法是鎢極氬弧焊，所使用的是松下的焊機進(jìn)行焊接，焊機的型號為YEC-400TX，在焊接的過程中焊機的控制方式為IGBT逆變，總電壓為380V，頻率為30HZ，功率為18.4KW，焊接過程中的額定輸出電流為400A，電壓為36V，主載電壓為80V。焊前要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在400-450ºC之間，在焊接平臺上施焊，焊接過程采用多層焊，總共焊三層，焊完第一層要進(jìn)行去氧化皮、去焊渣處理，防止影響下次的焊接。具體的焊接參數(shù)見下表2-4。表2-4 焊接工藝參數(shù)項目1-12-14-1電壓（A）8-98-117-8電流（V）8

41、5-9095-10380-88焊接速度（mm/min）35-4045-5045-6045-6055-65氬氣流量（L/min）121212背面氬氣流量（L/min）1010102.2.3 焊接工藝評定試樣焊后的工藝評定見下表2-5。表2-5 焊接工藝評定序號鋼號規(guī)格焊接材料表面裂紋未融合表面氣孔咬邊未焊透內(nèi)凸錯邊彎折結(jié)論1-1HR3C42×6ERNiCr-3未未未未未未未合格2-1HR3C42×6ERNiCr-3未未未未未未未合格3-1HR3C/T9142×5ERNiCr-3未未未未未未未合格2.3 拉伸試驗2.3.1 試驗條件本次拉伸試驗的內(nèi)容及所有步驟都是按照

42、GB/T228-2002金屬室溫拉伸試驗方法來進(jìn)行的，以5mm/min的加荷速度進(jìn)行試驗，試驗的設(shè)備型號為WAW-300C電子伺服萬能試驗機，設(shè)備類型為LX-04，試驗時的環(huán)境溫度為20ºC。試驗分為三組，分別是1-1，2-1，3-1，它們的焊接工藝、試樣規(guī)格以及焊接參數(shù)都在上面提到，每組的試樣有兩根，分別進(jìn)行兩次試驗。2.3.2 試驗步驟1、打開與試驗機聯(lián)通的計算機，相應(yīng)的打開拉伸試驗機的相關(guān)軟件；2、選擇試驗所需要的界面，并在其中設(shè)定試驗參數(shù)，選定試樣的方法，將試樣的尺寸輸入到相應(yīng)的地方；3、將試樣放在試驗臺上，用試驗機上夾具夾好；4、在電腦的界面上傳感器中的數(shù)據(jù)歸零，然后點擊電

43、腦中的運行，開始對試樣進(jìn)行拉伸試驗；5、等到試樣在一定的拉應(yīng)力下拉斷時，電腦會自動生成一個拉斷時的數(shù)據(jù)，并將其保存到電腦里；6、然后取下試樣，關(guān)閉試驗機以及電腦。2.4 試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)分析2.4.1 試驗條件T91/HR3C異種鋼的焊接接頭的顯微組織結(jié)構(gòu)的分析主要是集中在焊接接頭中的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材。其中重點觀察的是焊接接頭的焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的顯微組織的變化情況，主要注意的就是焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)中的晶粒的大小變化情況。試驗需要的物品有：水砂紙，金相砂紙，粗拋布，精拋布，拋光機，金相顯微鏡，拋光粉。2.4.2 試樣的制備1、首先將試樣在砂輪機上打磨，目的是將試樣不平之處磨平；2、然

44、后在預(yù)磨機上用水砂紙打磨試樣，邊磨邊放水，主要目的是去掉較深的劃痕及凹坑，所用的水砂紙的型號有：500，800，1000，1200，1500，2000；3、水砂紙磨完再用金相砂紙對試樣進(jìn)行打磨，目的是進(jìn)一步去掉劃痕和凹坑并且將試樣表面磨成光面，所用型號：320，500，800，1000，注意打磨的時候朝一個方向，不能用力過猛，要保持一個平面，不能放水；4、磨完之后就是試樣的拋光過程，首先是粗拋，注意不能用太大的力，而且得不停地加水，使粗拋布保持水分，水中需要放點拋光粉，這樣更有助于快速拋掉表面的劃痕；5、等到試樣表面看不到劃痕之后再進(jìn)行精拋，精拋和粗拋差不多，就是用力方面要特別注意，不能用太多

45、的力，只需要輕輕的放在上面，朝一個方向磨一會，然后再換一個垂直角度磨，直到?jīng)]有一點劃痕。2.4.3 試樣的組織觀察1、首先接通顯微鏡，將所要觀察的試樣放到載物臺上；2、調(diào)節(jié)光源，眼睛看著目鏡，選擇合適的視場；3、然后就是顯微鏡的粗調(diào)，眼睛要一直看著目鏡里的像，在調(diào)節(jié)的過程中要慢慢來，切不可以幅度過大，等到能看見試樣的組織，再進(jìn)行微調(diào)，直到看到清晰的組織；4、調(diào)節(jié)視野變化旋鈕進(jìn)行組織視場的左右和上下的變化，目的是能觀察到不同位置的組織，調(diào)節(jié)的過程中要緩慢；5、組織的觀察應(yīng)該從低倍鏡下開始觀察，觀察完以后進(jìn)行倍數(shù)的調(diào)換，在調(diào)換的過程中一定要慢，避免在試樣上留下劃痕或者將物鏡頂?shù)捷d物臺上，將鏡頭頂壞

46、；6、挑選好區(qū)域或者有代表性的組織之后進(jìn)行圖像的采集，點開圖像采集的軟件，然后進(jìn)行圖像的連續(xù)采集。等到觀察到的圖像清晰的顯示在電腦的屏幕上是按下采集健，這樣圖像采集成功，然后再根據(jù)觀察倍數(shù)給圖像上自動添加標(biāo)尺，最后保存到固定的文件夾中；7、圖像采集完畢后將采集軟件關(guān)閉，將顯微鏡的光源調(diào)到最低，關(guān)閉顯微鏡，關(guān)閉電腦。第三章 試驗結(jié)果與分析3.1 拉伸試驗的結(jié)果與分析最大力抗拉強度屈服力屈服強度伸長率原始標(biāo)距斷后標(biāo)距冷彎性能強屈比屈標(biāo)比彈性模量斷裂位置第一根35.7960517.9530504801.980.9112第二根36.4460518.2130504301.980.9113各個試樣試驗后所

47、得的數(shù)據(jù)如下表3-1、表3-2、表3-3表3-1 試樣1-1的拉伸試驗結(jié)果表3-2 試樣2-1的拉伸試驗結(jié)果最大力抗拉強度屈服力屈服強度伸長率原始標(biāo)距斷后標(biāo)距冷彎性能強屈比屈標(biāo)比彈性模量斷裂位置第一根43.1360020.28280624877.82.140.8411第二根42.8659519.68275644878.82.160.8211表3-3 試樣3-1的拉伸試樣結(jié)果最大力抗拉強度屈服力屈服強度伸長率原始標(biāo)距斷后標(biāo)距冷彎性能強屈比屈標(biāo)比彈性模量斷裂位置第一根43.1360020.28280624877.82.140.8411第二根42.8659519.68275644878.82.160

48、.8211通過上面拉伸試驗的數(shù)據(jù)可以看出來在相同的試驗條件下，各組試樣的數(shù)據(jù)確有不同之處。比較1-1與2-1的HR3C同種鋼的焊接接頭的拉伸試驗的試驗結(jié)果，我們可以看出來在不同的焊接工藝操作下的焊接接頭的抗拉強度與屈服強度都相差無幾，這是因為焊接的電流電壓的微小變化對焊接試樣的抗拉強度和和屈服強度沒有太大的影響，所以導(dǎo)致最后的拉伸試驗數(shù)據(jù)沒有太大的差別。1-1與2-1的拉伸試驗數(shù)據(jù)中的伸長率略有差別，1-1焊接試樣的伸長率比比2-1焊接試樣的伸長率高，說明2-1的焊接試樣的塑性要比4-1的焊接試樣的塑性要好，這與焊接的工藝有關(guān)系。3-1異種鋼HR3C/T91鋼的焊接試樣與1-1、2-1同種鋼焊

49、接式樣的拉伸試驗結(jié)果表明，異種鋼焊接試樣的抗拉強度和屈服強度與同種鋼焊接試樣相比差不多，甚至要略為高一點，說明相同的焊接工藝條件下，異種鋼焊接能得到與同種鋼焊接接頭力學(xué)性能一樣的焊接接頭。3.2 試樣的金相組織分析試樣在拋光以后經(jīng)過配好的王水腐蝕，之后在顯微鏡下觀察到的金相組織如下圖。從圖3-1中的圖片可以看出來母材是比較均一的奧氏體組織，仔細(xì)觀察還可以看到有少許的孿晶組織。母材中的奧氏體組織的晶粒大小不一，有的地方很大，有的地方很小，形狀類似為五邊形，其中可以看到還有一定數(shù)量的細(xì)小、彌散分布的析出物，通過進(jìn)一步的了解我們可以知道析出的相主要有Cr23C6、CrFe7C0.45、(Cr，F(xiàn)e)

50、7C3和NbCrN化合物17。 (a) (b) (c)圖3-1 試樣1-1的母材的金相組織 (a)(b) (c)圖3-2 試樣1-1的焊縫的金相組織 (a) (b) (c)圖3-3 試樣1-1的熱影響區(qū)的金相組織從圖3-1中b圖母材的金相組織可以更明顯的看出奧氏體晶粒的大小分布不均勻，且晶粒與晶粒之間有明顯的晶界，形狀的規(guī)則性也能看的更清楚。最重要的是其中的生長出來的孿晶的組織更明顯，可以看出來生長的孿晶貫穿了整個晶粒，準(zhǔn)確的說是橫跨整個晶粒，而且析出物均勻的分布在晶間。圖3-2是焊縫區(qū)，從圖中可以觀察到HR3C鋼焊接接頭的金相組織是胞狀的樹枝晶，而且奧氏體晶粒的生長方向有的是并排的，有的是交

51、叉的。從圖c可以更清楚的看出來焊縫區(qū)的金相組織的形貌，其中還可以看出來晶間有析出相，但是比母材和熱影響區(qū)析出相還是比較少，而且析出的相是沿著胞狀晶界的，呈短條狀。從圖3-3可以看出來試樣熱影響區(qū)的組織與母材的組織一樣還是奧氏體組織而且試樣熱影響區(qū)的金相組織與母材的金相組織相比奧氏體晶粒要更大一些，分布還是大小不一，形狀與母材的形狀幾乎是一樣的。從第二張圖片還可以看出熱影響區(qū)與焊縫區(qū)有一個明顯的界限，越靠近焊縫區(qū)，奧氏體晶粒就會愈大，這主要是受焊接時產(chǎn)生的熱使奧氏體晶粒長大。在焊接過程中，越靠近焊縫區(qū)的奧氏體晶粒就會受熱越高，晶粒會因為高溫而長大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的奧氏體晶粒受熱不太大，所以對晶粒的大

52、小沒有影響。綜合上面的金相組織發(fā)現(xiàn)HR3C異種鋼的焊縫組織是樹枝狀的晶體，從表面可以看出樹枝晶的生長方向存在一定的角度，與熱影響區(qū)和母材區(qū)的晶粒相比焊縫區(qū)的晶粒度比較小，所以焊縫區(qū)的強度、韌性等性能要比熱影響區(qū)和母材區(qū)的高。焊縫區(qū)是焊接接頭的主要部分，焊縫區(qū)的綜合性能的好壞在一定程度上決定了焊接接頭的綜合力學(xué)性能，在實際應(yīng)用中也會增加安全系數(shù)。熱影響區(qū)的金相組織形態(tài)與母材區(qū)的金相組織形態(tài)是一樣的，都是具有規(guī)則形狀的奧氏體，只是熱影響區(qū)的晶粒稍微大些，主要是焊接過程中熱循環(huán)的影響，靠近焊縫區(qū)的組織由于受熱的原因晶粒就會長大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的組織相對來說沒有變化。熱影響區(qū)的粗大的組織勢必會導(dǎo)致力學(xué)性

53、能下降，強度和韌性都會低于焊縫區(qū)與母材區(qū)，尤其緊挨著母材那個區(qū)域，由于受熱最嚴(yán)重，溫度最高，所以這個區(qū)域的晶粒也最粗大，綜合力學(xué)性能也最差，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中這個區(qū)域也是最容易出現(xiàn)問題的區(qū)域。 (a) (b) (c)圖3-4 試樣2-1的焊縫的金相組織 (a) (b) (c)圖3-5 試樣2-1的熱影響區(qū)的金相組織圖3-4是不同倍數(shù)下焊縫的金相組織，我們可以看出來焊縫的金相組織與2-1焊縫的金相組織是一樣的，基體都是奧氏體組織，都是胞狀或者是胞狀的樹枝晶，且樹枝晶的生長方向是不相同的，晶粒的分布比較密。而且我們可以看出來在樹枝晶上有好多的析出物，是碳的析出物，與熱影響區(qū)相比焊縫區(qū)的金相組織沒有明顯的晶界。圖3-5是不同倍數(shù)下焊接接頭的熱影響區(qū)的金相組織，我們可以看出來熱影響區(qū)的組織與焊縫區(qū)的組織完全不同，焊接熱影響區(qū)的組織與母材的組織相類似，有明顯的晶界，晶粒分布比較規(guī)則，靠近焊縫區(qū)的晶粒由于受了焊接熱循環(huán)的影響晶粒比較粗大，同時也可以看出來晶粒上也有析出相，而且在高倍數(shù)下我們可以看到有孿晶的出現(xiàn)，而