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一种低铬高锰奥氏体钢焊接材料的研究

作　者: 王立刚
导　师: 王富岗；王来
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料学
关键词: 异质接头碳扩散增碳层 C_r-MO钢焊接材料
分类号: TG42
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

国内外石油化工装置和电站的高温压力容器管线及锅炉蒸汽管道等大量使用Cr-Mo类珠光体热强钢。这些Cr-Mo钢工艺管线和管道大都采用奥氏体不锈钢焊接材料焊接。但多年来其异质接头在高温服役过程中的提前失效问题一直未能得到解决。异质接头提前失效的原因主要有两个方面，其一是熔合界面两侧焊缝金属和Cr-Mo钢母材金属之间的热膨胀系数不匹配导致的高温服役过程中产生热应力；其二是在高温服役过程中由于熔合界面两侧碳的化学势梯度导致熔合区产生越过熔合界面的碳扩散。碳扩散的结果是在紧邻熔合界面的焊缝金属一侧形成高硬度的增碳层，母材金属一侧产生硬度较低的贫碳层。贫碳层的产生导致母材金属侧高温强度下降；增碳层的产生使得焊缝金属一侧脆性增大、韧性下降。热应力和增、贫碳层的产生使得异质接头成为高温服役构件的薄弱部位，容易产生提前失效和突发性断裂事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，研制一种替代Cr-Ni奥氏体不锈钢的新型焊接材料解决这类异质焊接接头的失效问题成为国内外亟待解决的难点。“低铬奥氏体焊接材料的开发与应用”正是为解决上述问题立项的国家“九五”科技攻关课题，也是本论文选题和承担的主要研究工作。本论文在分析以往异质接头失效机制、影响因素和本课题的前期工作基础上，通过合金的成分优化设计、冶炼、锻轧、冷拔、焊丝制备、焊条制备以及焊接接头组织性能测试等研究过程，成功开发、研制了一种新型的低铬奥氏体钢焊接材料。利用所研制的新型低铬奥氏体焊接材料焊接Cr-Mo类珠光体热强钢，有效地解决了其异质接头的提前失效问题。此外，本论文还深入研究了新型低铬奥氏体焊接材料与Cr-Mo钢焊接接头在时效过程中焊接熔合区的组织结构演变过程和碳元素及其他合金元素在熔合区的扩散行为。本论文的创新性成果如下： 1．在合金成分设计中，与以往的奧氏体不锈钢焊接材料的化学成分相比，采用低的铬含量来降低异质接头熔合区两侧碳的化学势梯度，进而减小和抑制异质接头时效或高温服役过程中越过熔合界面的碳的“上坡”扩散。为获得稳定的奥氏体组织并节省Cr、Ni资源，采用较高的Mn含量，并与低铬和一定量的Ni含量相配合，并通过调整Cr、Ni当量的方法达到新型焊接材料的热膨胀系数与Cr-Mo钢母材金属相匹配。为提高合金的焊接性能和细化晶粒，适当加入Mo、Ti、Si等微量元素。 2．在低铬奥氏体焊条药皮的制备过程中，根据所研制的低铬奥氏体合金的成分、性能特点，设计了一种新型碱性药皮焊条。其特点是可以用于交直流焊接，并成功解决了以往奥氏体不锈钢焊条的发红、脱落问题。 3．经工艺试验、组织性能评估，所研制的低铬奥氏体钢焊接材料具有较好的冷、热摘要加工性能，其力学性能及抗氧化性能优于Cr一Mo钢母材，热膨胀系数与母材相匹配。采用该种焊接材料作为填充金属用于Cr-M。钢的焊接，其异质接头与母材金属强度相当，可以很好的解决以往奥氏体不锈钢焊接材料焊接的Cr一Mo钢异质接头的提前失效问题。 4.与以往的E309一15、E309一16与Cr一M。钢焊接的异质接头相比，采用所研制的低铬奥氏体焊接材料与Cr一M。钢焊接的异质接头，其熔合区增碳层的组织结构演变规律和增碳层中析出的碳化物类型是完全不同的。在高温长期时效过程中，熔合区增碳层演变的动力学过程是:时效初期，熔合区出现宽度较窄的增碳层;随时效时间的延长或时效温度的升高，时效初期生成的增碳层宽度开始逐渐变小，直至最后消失;时效初期熔合区增碳层中析出的碳化物主要是M3C型合金渗碳体，随时效时间的延长，该种M3C型碳化物将发生分解、回溶，从而导致熔合区增碳层的消失。

全文目录

第一章绪论  11-35
  1.1 引言  11-13
  1.2 珠光体热强钢的焊接  13-14
  1.3 珠光体热强钢异质接头的失效问题的提出  14-15
  1.4 珠光体热强钢异质接头失效的研究共识  15-17
  1.5 影响珠光体热强钢异质接头失效的主要因素  17-26
    1.5.1 碳扩散  17-23
      1.5.1.1 碳扩散的动力学研究  17-19
      1.5.1.2 碳扩散的热力学计算  19-23
    1.5.2 异质接头熔合区的应力应变状态  23-24
    1.5.3 蠕变强度不匹配  24-25
    1.5.4 氢分布及“氢蚀剥离”  25-26
  1.6 解决珠光体热强钢异质接头失效采取的措施  26-27
  1.7 本论文的主要研究内容  27-29
  本章参考文献  29-35
第二章焊接材料用钢的成分设计  35-61
  2.1 成分设计原则  35-44
    2.1.1 异质接头熔合区的碳扩散  35-37
    2.1.2 熔合区母材金属的稀释作用和过渡层的产生  37-41
    2.1.3 热膨胀系数匹配和熔合区的应力应变状态  41-43
    2.1.4 焊接材料用钢的组织、性能  43-44
  2.2 焊接材料用钢的合金成分设计  44-48
  2.3 焊接材料用钢的显微组织预测  48-53
    2.3.1 低铬奥氏体焊接材料Ms点的估算  48-49
    2.3.2 根据相图分析焊接材料用钢的组织  49-51
    2.3.3 舍夫勒图估测焊缝金属组织情况  51-52
    2.3.4 热膨胀系数的估算  52-53
  2.4 焊接材料用钢的成分优化过程  53-57
    2.4.1 实验室磁悬浮冶炼  53-54
    2.4.2 实验室真空感应炉冶炼  54-57
  2.5 本章小结  57-58
  本章参考文献  58-61
第三章焊接材料的制备(钢材、焊丝、焊条)  61-96
  3.1 焊接材料用钢的冶炼、加工、制备  61-71
    3.1.1 焊接材料用钢的冶炼工艺  61-63
    3.1.2 低铬奥氏体焊接材料用钢的锻造和热轧工艺  63-71
      3.1.2.1 锻造工艺  63-67
      3.1.2.2 热轧工艺  67-69
      3.1.2.3 冷拔工艺  69-71
  3.2 手工电弧焊焊条的制备  71-86
    3.2.1 手工电弧焊焊条药皮的配方设计原则  72-76
    3.2.2 手工电弧焊焊条药皮的配方的试验优化  76-86
      3.2.2.1 焊条药皮材料的作用  76-79
      3.2.2.2 手工电弧焊焊条药皮的优化过程  79-83
      3.2.2.3 手工电弧焊焊条制造、烘干工艺  83-86
  3.3 低铬奥氏体钢焊接材料的焊接工艺设计  86-93
    3.3.1 手工电弧焊焊条的焊接工艺设计  86-91
    3.3.2 低铬奥氏体钢焊丝的焊接工艺设计  91-93
  3.4 本章小结  93-94
  本章参考文献  94-96
第四章焊接材料用钢及其异质接头的组织、性能  96-130
  4.1 试验内容  96
  4.2 低铬奥氏体钢的组织、性能分析  96-102
    4.2.1 焊接材料用钢的组织稳定性分析  96-98
    4.2.2 低铬奥氏体钢的物理性能  98-101
    4.2.3 低铬奥氏体钢的力学性能  101-102
  4.3 新型焊接材料异质接头的力学性能  102-106
    4.3.1 手工电弧焊焊条与1Cr5Mo钢异质接头的力学性能  103-105
    4.3.2 低铬奥氏体钢焊丝与1Cr5Mo钢异质接头的力学性能  105-106
  4.4 新型焊接材料异质接头的熔合区组织分析  106-120
    4.4.1 熔合区组织分析试样的制备  106-109
    4.4.2 异质接头熔合区焊缝金属的组织分析  109-110
    4.4.3 手工电弧焊焊条异质接头熔合区增碳层宽度变化  110-112
    4.4.4 低铬奥氏体钢焊丝异质接头熔合区增碳层宽度变化  112-118
    4.4.5 低铬奥氏体钢焊丝异质接头熔合区SEM分析  118-120
  4.5 低铬奥氏体钢焊丝异质接头熔合区TEM分析  120-128
    4.5.1 异质接头熔合区TEM分析样品的制备  120-122
    4.5.2 低铬奥氏体钢焊丝异质接头熔合区TEM形貌  122-125
    4.5.3 低铬奥氏体钢焊丝异质接头增碳层中碳化物TEM分析  125-128
  4.6 本章小结  128-129
  本章参考文献  129-130
第五章碳扩散的研究及有关问题的讨论  130-149
  5.1 碳及合金元素的扩散行为  130-138
    5.1.1 试验内容和方法  130
    5.1.2 EPMA定性分析结果  130-134
    5.1.3 熔合区C、Cr元素分布的EPMA定性分析  134-137
    5.1.4 异质接头熔合区的碳扩散机制  137-138
  5.2 碳扩散的热力学判据  138-142
    5.2.1 碳扩散的有效碳活度判据  138-141
    5.2.2 碳扩散的热力学因子判据  141-142
  5.3 碳扩散的动力学过程  142-146
  5.4 本章小结  146-148
  本章参考文献  148-149
第六章全文总结与展望  149-152
  6.1 全文总结  149-150
  6.2 展望  150-152
创新点摘要  152-153
发表文章、获得专利及成果情况  153-155
致谢  155-156

一种低铬高锰奥氏体钢焊接材料的研究

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