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不锈钢焊接冶金学及焊接性

第1章引言

本书涉及到目前可以用作工程材料的广泛范围的不锈钢系列。这个系列包括

各类不锈钢，按微观组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双

相不锈钢（奥氏体和铁素体）。

1.1不锈钢的定义

不锈钢是一类Fe-C、Fe-C-Cr和Fe-Cr-Ni为合金系的高合金钢。作为一类不

锈的钢必须含有质量分数不低于10.5%的铬。含有这个最低含量的钢在其表面可

以形成一个惰性氧化层，这个惰性氧化层可以保护内层的金属在不含腐蚀介质的

空气中不被氧化和腐蚀。某些铬的质量分数低于11%的钢，比如用于电站的w

（Cr）=9%铬合金的钢有时也被划为不锈钢。另外某些铬的质量分数w（Cr）=12%

的钢，甚至更高铬含量的钢，暴露在空气中也会生锈。这是因为某些铬被结合为

碳化物或其他化合物而降低了母材中的铬含量，使其低于形成连续氧化物保护层

所必需的铬含量水平。

不锈钢的腐蚀有多种形式，包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀。腐蚀的形式受

腐蚀环境、材料的冶金状态和局部应力的影响。工程师和设计师在选择用于腐蚀

条件下的不锈钢时，必须充分了解结构的腐蚀环境和制造过程对材料冶金行为的

重要影响。

即使在高温下，不锈钢也有好的抗氧化性，因而也常常被称为耐热钢。高温

抗氧化性也是含有铬成分的一个主要功能，某些高铬合金钢（w（Cr）=25%～

30%）能用于1000℃的高温。另外一种耐热性是指高温防渗碳，为了具有这种耐

热性，开发了含有中等含量的铬[w(Cr=16%)]和镍含量很高[w(Ni)=35%]的一类不

锈钢。

1.2不锈钢的发展史

1.3不锈钢的种类及其应用

紧接着碳钢和C-Mn钢，不锈钢是最广泛应用的钢种。

和其他材料以成分来分类有所不同，不锈钢的分类是基于其冶金学上起主导

作用的相成分。在不锈钢中三种可能的相成分是马氏体、铁素体和奥氏体。双相

钢含有近似50%的奥氏体和50%的铁素体，从而得益于这两种相所期望的性能。

析出硬化（PH）类钢因形成强化析出相并由时效热处理硬化而得名。PH不锈钢

又进而由在其中形成析出相的母相或基体被分为：马氏体类、半奥氏体类和奥氏

体类。

美国钢铁研究院（AISI）用三个数字，有时附加一个字母的系列来标识不锈

钢，例如304，304L，410和413等。磁性也可以用来鉴别某些不锈钢。奥氏体

类不锈钢本质上是非磁性的。少量参与铁素体或冷加工可能引起轻微的铁磁性，

但其磁性明显的低于磁性材料。铁素体和马氏体类不锈钢是铁磁性的。双相钢由

于有较高的铁素体含量，而有相对较强的磁性。

对于不同类型的不锈钢，其物理性能如导热性、热膨胀性和力学性能可以变

化很大并影响其焊接性。例如奥氏体不锈钢导热性差而线胀系数高，因而焊接时

引起的变形大于其他类型（主要是铁素体和马氏体钢种）。

1.4不锈钢的耐蚀性能

大多数情况下选用不锈钢是因其有较高的耐腐蚀性和耐热性。由于形成惰性

的富铬氧化物层，不锈钢本身能够避免困扰碳-锰结构钢和低合金结构钢的一般

性腐蚀问题。然而不锈钢可能遭受其他情况下的腐蚀，因而必须从工作环境考虑

对其精心选择和应用。本书只对可用于不锈钢焊件的腐蚀机理做一般性的小结。

在不锈钢中发生的两种局部性腐蚀是点蚀和缝隙腐蚀。从机理上看两种腐蚀

是相似的，都引起严重的局部侵蚀。从点蚀的名词可以看出其是由于惰性膜局部

被损而造成的，并且总和某些冶金学上的特殊区域，如晶界、金属间化合物组分

等有关。一旦惰性层破裂，层下面的金属受到腐蚀而在表面形成小点穴，随后点

穴中的溶液化学成分发生变化使侵蚀性（即酸性）不断增强而导致很快的表面下

侵蚀和相邻腐蚀穴的连接，最终导致构件的破坏。由于点蚀只有很小的针眼暴露

在表面，因此可以很隐蔽。

缝隙腐蚀从机理上看很相似，但其产生不再需要存在某些冶金上的特殊区

域，而从“缝隙”这个名词上可以看到本来就有一个四周围着的空间存在，在其

中化学溶液成分发生和点蚀类似的变化。缝隙腐蚀普遍在螺栓连接结构中发生，

此时螺栓头和被栓接的表面提供了这种缝隙。点蚀和缝隙腐蚀都容易在含有氯化

物离子的溶液（如海水）中发生。焊接可能产生某些能加速点蚀的微观组织或形

成缝隙（未焊透、夹渣等）而加速局部的腐蚀。焊接中形成的氧化物如不能清除

也会减弱在某些介质中的