摘要
文章详细探讨了焊接材料的化学成分对焊接性的影响,特别是碳含量对钢材焊接性的影响。介绍了晶间腐蚀的概念、产生条件、机理、影响因素和控制方法,以及试验方法。强调了通过精确控制化学成分和采用适当的热处理工艺来提高材料的焊接性和抗晶间腐蚀能力的重要性。
正文
材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料。前者称为母材或基本金属,即被焊金属;后者称为焊接材料,包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等。材料因素包括化学成分、冶炼轧制状态;热处理状态、组织状态和力学性能等。其中化学成分(包括杂质的分布与含量)是主要的影响因素。在焊接结构中,绝大多数常用的金属材料是钢材。碳对钢的焊接性影响最大。含碳量越高,焊接热影响区的淬硬倾向越大,焊接裂纹的敏感性越大,也就是说,含碳量越高焊接性越差。
除碳外,钢中的一些杂质,如 氧、硫、磷、氢、氮以及合金钢中常用的合金元素锰、铬、钴、铜、硅、钼、钛、铌、钒、硼等都不同程度地增加了钢的淬硬倾向,使焊接性变差。因此钢材的焊接性常用“碳当量(Ceq)"来进行估算。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1714224493659_69ntbq.jpg?imageView2/0)
国际焊接学会推荐的碳素钢和低合金结构钢的碳当量计算公式如下:Ceq={ω(C)+ω(Mn)/6 +[ω( Cr)+ω(Mo) +ω(V)]/5+[ω( Ni) +ω(Cu)]/15}% ---公式1一般情况下,碳当量小于0.50%时,碳素结构钢和低合金结构钢具有良好的焊接性,随着碳当量的增加,钢材的焊接性逐渐变差。压力容器用碳素结构钢和低合金结构钢的碳含量(质量分数)均不大于0.25%。以Q345R (16MnR)为例,其最大碳当量为0.47%,具有较好的焊接性,只有当厚度大于30mm时,才要求焊前预热至1000℃以上;而15CrMo其最大碳当量为0.66%,焊接性较差,当厚度大于10mm时,就要求焊前预热至150℃以上。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1714224492872_xbmq96.jpg?imageView2/0)
当碳当量增加时,钢材的淬硬倾向增大,硬度增加,这时钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。日本伊藤等人进行了大量的试验后,提出了冷裂敏感指数(Pcm)的计算公式:Pcm={ω(C)+ω(Si)/30+[ω(Mn)+ω(Cu) +ω(Cr)]/20+ω( Ni)/60 +ω(Mo)/15 +ω(V)/10 +ω(B)}% ---公式2该式适用于碳含量(质量分数)为0.07%~0.22%,σb=400~1000MPa的低合金高强度钢。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1714224488683_nk493h.jpg?imageView2/0)
伊藤等又根据Pcm、板厚h或拘束度R,建立了冷裂敏感性Pw、冷裂敏感指数Pcm及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式。Pw=Pcm+[H]/60+h/600 ---公式3或 Pw=Pcm+[H]/60 +R/40000 ---公式4[H]--熔敷金属中扩散氢含量( mL/100g,甘油法);![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1714224493305_jj6s5e.jpg?imageView2/0)
利用公式3与4,可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度为:公式3和公式4适用条件:扩散氢含量[H]为1.0~5.0mL/100g,板厚为19~50mm,热输入为17~30kj/cm,化学成分范围同公式2。两式不仅考虑了钢中化学成分的影响,还考虑到钢板厚度或拘束度,以及熔敷金属中的含氢量,利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。
晶间腐蚀标准分享
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晶间腐蚀是指沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合,大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽,看不出被破坏的迹象,但晶粒间结合力显著减弱,力学性能恶化,不能经受敲击,所以是一种很危险的腐蚀。通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工业的一个重大问题。晶间腐蚀是局部腐蚀的一种。
有第二相沿晶界析出,金属或合金中含有杂质、晶界与晶粒内化学成分的差异,在适宜的介质中形成原电池腐蚀以及存在特定的介质等。
主要有贫化理论、晶间б相析出理论和晶界吸附理论。
1)贫化理论:晶间腐蚀是由于晶界析出第二相,造成晶界某一成分的贫乏化。晶界钝态受到破坏,在晶界析出的碳化铬周围贫铬区成为活化的阳极区,而碳化铬和晶粒处于钝态,成为钝化的阴极区,在腐蚀介质中构成活化—钝化微电池。该电池具有大阴极—小阳极的面积比,加速了晶界区的腐蚀。 2)晶间б相析出理论:对于低碳和超低碳钢,不存在因碳化物在晶界析出引起贫铬条件。而超低碳不锈钢, 特别是含高 Cr(>20%)、Mo不锈钢在 650~850℃内热处理,易引起б相(FeCr 金属间化合物)在晶间沉淀析出而产生晶间腐蚀。 3)晶界吸附理论:相关实验表明,当固溶体中P达到100ppm或 Si在1000~2000ppm时,它们在高温区会被晶界吸附,并偏析在晶界上。这些杂质在强氧化剂介质作用下便发生溶解,导致晶界选择性的晶间腐蚀。 1)腐蚀介质:在酸性介质中,不锈钢产生晶间腐蚀比较严重。 2)温度:由于 450~850℃为敏化温度, 所以在加热过程特别是在焊接时,应尽量避免敏化温度区。 3)冷却速度:不锈钢在加热或冷却过程中, 在敏化温度区停留时间越短,发生晶间腐蚀的几率越小。 4)含碳量的影响:碳元素对不锈钢的晶间腐蚀起着关键性的作用。当碳含量较小时,就没有足够的碳析出与铬结合,当碳含量高于0. 08wt%时,析出的碳逐渐增多,在晶界处形成的碳化铬也随之增加,从而就产生了贫铬区,造成了晶间腐蚀。 5)组织结构的影响:在奥氏体不锈钢的相结构中, 如果仅仅是单相奥氏体时,抗晶间腐蚀性能较差。奥氏体-铁素体的双相组织抗晶间腐蚀的能力较好。 6)合金元素的影响:添加一些与碳结合能力大于铬的元素就可以提高抗晶间腐 一般采用降低或消除有害杂质、加入稳定化元素(如Ti、Nb)或晶界吸附元素(如B)、适当的热处理工艺,避免在敏化温度及时间内停留以及采用双相钢等。
可分为热酸浸泡法和电化学方法两大类。在特定介质条件下检验金属材料晶间腐蚀敏感性的加速金属腐蚀试验方法,是为了了解材料的化学成分、热处理和加工工艺是否合理。电化学方法具有简单、快速和易适用于现场等优点,但同时具有实验结果影响因素众多和重复性差等缺点,往往用来做材料和工艺筛选,并不作为结果判定依据。
GB/T 21433-2008 不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验 GBT 4334-2020 金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体-奥氏体(双相)不锈钢晶间腐蚀试验方法 ASTM A262-2014 奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程 ASTM A763-2015 铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性检测规程 ASTM G28-2002(R2015)锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性检测的标准试验方法(2015中英文合订版) GB/T 15260-2016 金属和合金的腐蚀 镍合金晶间腐蚀试验 GB/T 31935-2015 金属和合金的腐蚀 低铬铁素体不锈钢晶间腐蚀试验 GB/T 26491-2011 5XXX系铝合金晶间腐蚀试验 GB/T 15970.1-1995 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第1部分:试验方法总则 GB/T 15970.2-2000 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第2部分:弯梁试样的制备和应用 GB/T 15970.3-1995 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第3部分:U型弯曲试样的制备 GB/T 15970.4-2000 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第4部分:单轴加载拉伸试样的制备和应用 GB/T 15970.5-1998 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第5部分:C型环试样的制备和应用 GB/T 15970.6-2007 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第6部分:恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用 GB/T 15970.7-2017 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分:慢应变速率试验 GB/T 15970.8-2005 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第8部分:焊接试样的制备和应用 GB/T 15970.9-2007 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验,第9部分:渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用 GB/T 20122-2006 金属和合金的腐蚀 滴落蒸发试验的应力腐蚀开裂评价 GB/T 24518-2009 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀室外暴露试验方法 GB/T 25151.2-2010 尿素高压设备制造检验方法 第2部分:尿素级超低碳铬镍钼奥氏体不锈钢选择性腐蚀检查和金相检查 GB/T 25151.3-2010 尿素高压设备制造检验 第3部分:尿素级超低碳铬镍钼奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向试验 GB/T 25151.4-2010 尿素高压设备制造检验 第4部分:尿素级超低碳铬镍钼奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向试验 HG/T 3173-2002 尿素级超低碳铬镍鈅奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向试验 GB/T 32571-2016 金属和合金的腐蚀高铬铁素体不锈钢晶间腐蚀试验 GB/T 36174-2018 金属和合金的腐蚀 固溶热处理铝合金的耐晶间腐蚀性的测定 HB 5255-1983 铝合金晶间腐蚀及晶间腐蚀倾向的测定---中华人民共和国航空工业部部标准 GB/T 3949-2001 船用不锈钢焊接接头晶间腐蚀试验 MH/T 6102-2014 化学处理致飞机金属晶间腐蚀和端面晶粒点蚀的试验---中华人民共和国民用航空行业标准 T/CSCP 0035.11-2017 低合金结构钢实验室腐蚀试验,第11部分:低合金结构钢晶间腐蚀试验---中国材料与试验团体标准 T/CSTM 00046.11-2018 低合金结构钢腐蚀试验,第11部分:晶间腐蚀试验---中国材料与试验团体标准 ISO 3651-(1-5):1998 不锈钢耐晶间腐蚀的测定 JIS G0571 JIS G0571-2003 不锈钢用草酸剂侵蚀试验方法---日本标准 JIS G0572-1984 不锈钢的硫酸-硫酸铁腐蚀试验方法---日本标准 JIS G0573-1999 不锈钢的65%硝酸腐蚀试验方法(2012修改件1)---日本标准 JIS G0575-1999 不锈钢的硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法(2012修改件1)---日本标准 JIS G0576-2001 不锈钢的应力腐蚀断裂试验(2012修改件1)---日本标准 JIS G0577-1981 不锈钢的点腐蚀电位测定方法---日本标准