高合金耐熱鋼與中低合金耐熱鋼相比，具有獨特的物理性能。表1-9列出馬氏體、鐵素體、奧氏體和彌散硬化型高合金耐熱鋼的典型理化性能數據。對焊接產生較大影響的物理性能有熱膨脹系數、熱導率和電阻。由表中數據可見，與碳鋼相比，奧氏體耐熱鋼的熱膨脹系數較高，將引起較大的焊接變形，而各種高合金耐熱鋼的熱導率均較低，要求采用較低的焊接熱輸入。
奧氏(shi)體耐熱(re)鋼的另一(yi)重要特(te)性(xing)是非磁性(xing)（磁導(dao)率(lv)(lv)1.02)。但冷作加工(gong)可提高強度和磁導(dao)率(lv)(lv)。鐵素體和馬氏(shi)體型耐熱(re)鋼的磁導(dao)率(lv)(lv)為(wei)600~1100,彌散硬化型耐熱(re)鋼的磁導(dao)率(lv)(lv)在(zai)100以下(xia)。
這四類(lei)高合金耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)因其金相組織的(de)不(bu)同而(er)異(yi)。馬氏體型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)主要因高的(de)淬硬性(xing)(xing)(xing)而(er)惡化(hua)(hua)；鐵素體型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊接(jie)時，由于不(bu)發生同素異(yi)構轉變，導致重結(jie)(jie)晶(jing)區(qu)晶(jing)粒長大，結(jie)(jie)果使接(jie)頭的(de)韌性(xing)(xing)(xing)降低；奧氏體型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊接(jie)的(de)主要問題是熱(re)裂傾向(xiang)較高；而(er)彌(mi)散硬化(hua)(hua)型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)特性(xing)(xing)(xing)與(yu)彌(mi)散過程中的(de)強(qiang)化(hua)(hua)機制有關。
1. 馬氏體(ti)型高(gao)合(he)金耐熱鋼的焊接特性
馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)耐熱鋼(gang)基本上是Fe-Cr-C系合金(jin)。通常碳在11%~18%范圍內。為提高其熱強性還加入鉬、釩(fan)等合金(jin)元素(su)這些(xie)鋼(gang)幾乎(hu)在所有的(de)實際冷卻(que)條件下均轉變成馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)。馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)耐熱鋼(gang)由于含有足夠(gou)數量的(de)鉻(ge)，使其自820℃以上溫(wen)度(du)冷卻(que)時具有空淬傾向，而(er)從960℃以上溫(wen)度(du)淬火可達到最高的(de)硬度(du)。
對于高(gao)鉻耐熱(re)鋼(gang)，鉻含量對鋼(gang)的(de)(de)焊接行為有明顯的(de)(de)影響。當鉻從11%增(zeng)加(jia)到17%時，鋼(gang)的(de)(de)淬硬(ying)特性會(hui)發生(sheng)重(zhong)大變化。
當(dang)鋼(gang)的碳約為(wei)0.08%時，12%鉻(ge)鋼(gang)的焊(han)接熱(re)影響區為(wei)全馬(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)。而在(zai)15%鉻(ge)鋼(gang)中(zhong)，由于鉻(ge)具有穩定鐵(tie)素體(ti)(ti)的作用，可(ke)能(neng)阻止其完全轉變(bian)為(wei)奧氏(shi)體(ti)(ti)而殘留部(bu)分未轉變(bian)為(wei)鐵(tie)素體(ti)(ti)。這(zhe)樣(yang)在(zai)快速冷卻的熱(re)影響區內(nei)有一部(bu)分轉變(bian)為(wei)馬(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)，其余為(wei)鐵(tie)素體(ti)(ti)。在(zai)馬(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)組織(zhi)中(zhong)存在(zai)軟的鐵(tie)素體(ti)(ti)降低了鋼(gang)的硬度和裂紋傾(qing)向。
馬氏體高(gao)(gao)鉻鋼可在退火、淬(cui)火，消除(chu)應力(li)處(chu)理或回火狀態下焊接。當碳超過0.15%時，熱(re)影響(xiang)區的(de)(de)硬(ying)度急劇提高(gao)(gao)，冷裂紋敏(min)感性加(jia)(jia)大，韌性下降(jiang)。由于這種鋼的(de)(de)導(dao)(dao)熱(re)性較低，導(dao)(dao)致熱(re)影響(xiang)區的(de)(de)溫度梯(ti)度更為陡降(jiang)，加(jia)(jia)上組織轉變時的(de)(de)體積變化，可能引起較高(gao)(gao)的(de)(de)內應力(li)，從而進一(yi)步提高(gao)(gao)了冷裂傾向。
馬(ma)氏(shi)體耐熱(re)(re)鋼焊接接頭在焊后狀態的工(gong)作能(neng)力(li)取決于熱(re)(re)影響區(qu)的綜合力(li)學性能(neng)，包括硬度和韌性之間的合適(shi)匹配(pei)。但(dan)實現這(zhe)點，往(wang)往(wang)是相當困難的。因此為保證馬(ma)氏(shi)體耐熱(re)(re)鋼焊接接頭的使(shi)用可靠(kao)性，通常總(zong)是規定做焊后熱(re)(re)處理。
2. 鐵(tie)素體型高合金耐(nai)熱鋼的焊接特性
鐵(tie)素體(ti)高合金(jin)耐熱鋼是一組低碳高鉻Fe-Cr-C合金(jin)。為(wei)阻止加熱時(shi)形成奧氏體(ti)，在鋼中可加入Al、Nb、Mo和Ti等鐵(tie)素體(ti)穩定元(yuan)素。普通鐵(tie)素體(ti)耐熱鋼焊(han)接(jie)過熱區有晶(jing)粒(li)長大傾向。使接(jie)頭(tou)的(de)韌性和塑(su)性急(ji)劇降(jiang)低。為(wei)改善其焊(han)接(jie)性，在降(jiang)低碳含量的(de)同時(shi)增加少量鋁(lv)，以阻止在高溫(wen)區內奧氏體(ti)的(de)形成和晶(jing)粒(li)過分(fen)長大。但為(wei)獲(huo)得塑(su)性較高的(de)接(jie)頭(tou)，焊(han)后仍需退火處理(li)。
在(zai)某些(xie)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)高鉻耐(nai)熱鋼中(zhong)(zhong)，820℃以上溫(wen)度可能(neng)(neng)形成(cheng)少量的奧氏(shi)體(ti)(ti)。從高溫(wen)冷卻時，奧氏(shi)體(ti)(ti)轉變(bian)為(wei)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)，造成(cheng)輕(qing)微的淬(cui)硬(ying)。因為(wei)鋼中(zhong)(zhong)只有一部分馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)，其余還(huan)是軟(ruan)的鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)，而(er)能(neng)(neng)經受馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)相(xiang)變(bian)應力。馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)主(zhu)要在(zai)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)的晶(jing)界形成(cheng)，對(dui)接頭的塑(su)性(xing)可能(neng)(neng)起不利的作用。對(dui)于這些(xie)鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)(ti)鉻鋼，焊(han)后(hou)最(zui)好在(zai)760~820℃溫(wen)度范(fan)圍做(zuo)退火處理。
3. 奧(ao)氏體型高(gao)合金耐(nai)熱鋼(gang)的焊接(jie)特性
奧氏(shi)體(ti)(ti)耐熱(re)(re)鋼(gang)與奧氏(shi)體(ti)(ti)系列不銹鋼(gang)具(ju)有(you)基本相同的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)特點。總的(de)(de)(de)來說，這類鋼(gang)由(you)于(yu)塑性和(he)韌性較(jiao)高，且不可淬硬(ying)，與低合金、中合金及高合金馬氏(shi)體(ti)(ti)和(he)鐵(tie)素體(ti)(ti)耐熱(re)(re)鋼(gang)相比，具(ju)有(you)較(jiao)好的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)性。奧氏(shi)體(ti)(ti)耐熱(re)(re)鋼(gang)焊(han)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)主要問題(ti)有(you)：鐵(tie)素體(ti)(ti)含(han)量的(de)(de)(de)控制、焊(han)接(jie)(jie)熱(re)(re)裂紋、接(jie)(jie)頭各種形式(shi)的(de)(de)(de)腐蝕和(he)δ相的(de)(de)(de)脆變(bian)等(deng)。
①. 鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)含量(liang)的控制。奧(ao)氏體(ti)耐(nai)(nai)熱鋼焊縫金屬中鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)含量(liang)關系到抗(kang)熱裂性(xing)、δ相脆變(bian)和(he)熱強性(xing)能。從(cong)提高抗(kang)熱裂性(xing)出發(fa)，要求(qiu)焊縫金屬中含有一定(ding)的鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)，但(dan)從(cong)防止(zhi)δ相脆變(bian)和(he)熱強性(xing)考(kao)慮，鐵(tie)(tie)素(su)體(ti)含量(liang)越低越好。從(cong)焊接(jie)冶金和(he)焊接(jie)工藝上妥善和(he)合理地解決這(zhe)一矛盾是奧(ao)氏體(ti)耐(nai)(nai)熱鋼焊接(jie)的核心技術。
②. δ相(xiang)的脆變。鉻鎳(nie)奧氏體鋼和焊縫金屬在高溫(wen)持(chi)續加(jia)熱過程中(zhong)會發(fa)生δ相(xiang)的脆變。δ相(xiang)的析出(chu)溫(wen)度范圍為650~850℃。
304不(bu)銹鋼在700~800℃溫度下，310S不銹鋼在800~850℃溫度下δ相析出的敏感性最大。310S不銹鋼在800℃以下加熱時，δ相的析出速度要慢得多，在900℃以上高溫下，δ相不再析出。在304不銹鋼中，當溫度超過850℃時，δ相不再析出。
焊縫(feng)金屬與軋制材(cai)料不同，在奧氏(shi)體組(zu)(zu)織(zhi)內總含有(you)一定量的鐵素(su)體。在高溫(wen)(wen)加(jia)熱過程中(zhong)，鐵素(su)體逐漸轉變為δ相(xiang)。隨著轉變溫(wen)(wen)度的提(ti)高，δ相(xiang)傾向于球化。δ相(xiang)亦(yi)能直接從奧氏(shi)體中(zhong)析出，或者在奧氏(shi)體晶體內以魏(wei)氏(shi)組(zu)(zu)織(zhi)形(xing)式(shi)析出。
