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。
奧氏體耐(nai)熱鋼(gang)的另一(yi)重(zhong)要特性(xing)是非磁(ci)性(xing)（磁(ci)導(dao)率(lv)1.02)。但冷作加工可提高強度和磁(ci)導(dao)率(lv)。鐵素(su)體和馬氏體型(xing)耐(nai)熱鋼(gang)的磁(ci)導(dao)率(lv)為600~1100,彌散(san)硬化型(xing)耐(nai)熱鋼(gang)的磁(ci)導(dao)率(lv)在100以(yi)下。
這四類高(gao)合金(jin)(jin)耐(nai)(nai)(nai)熱(re)(re)(re)鋼的(de)焊(han)接(jie)(jie)性因其(qi)金(jin)(jin)相組(zu)織的(de)不同(tong)而(er)異(yi)。馬氏(shi)體型(xing)(xing)耐(nai)(nai)(nai)熱(re)(re)(re)鋼的(de)焊(han)接(jie)(jie)性主要因高(gao)的(de)淬(cui)硬性而(er)惡化(hua)；鐵(tie)素體型(xing)(xing)耐(nai)(nai)(nai)熱(re)(re)(re)鋼焊(han)接(jie)(jie)時，由于不發生同(tong)素異(yi)構轉變，導致重結晶區晶粒長大，結果(guo)使接(jie)(jie)頭的(de)韌(ren)性降低(di)；奧氏(shi)體型(xing)(xing)耐(nai)(nai)(nai)熱(re)(re)(re)鋼焊(han)接(jie)(jie)的(de)主要問題是(shi)熱(re)(re)(re)裂傾向較高(gao)；而(er)彌(mi)散硬化(hua)型(xing)(xing)耐(nai)(nai)(nai)熱(re)(re)(re)鋼的(de)焊(han)接(jie)(jie)特性與彌(mi)散過(guo)程中的(de)強化(hua)機制有(you)關。
1. 馬(ma)氏體型高(gao)合金耐熱(re)鋼(gang)的焊接特性
馬(ma)氏體(ti)耐熱(re)鋼基本上(shang)是Fe-Cr-C系合金。通常碳在11%~18%范圍內(nei)。為提高其熱(re)強性還加入鉬、釩(fan)等(deng)合金元素這些鋼幾乎在所有的(de)實際(ji)冷(leng)卻條件下(xia)均轉變成馬(ma)氏體(ti)組織。馬(ma)氏體(ti)耐熱(re)鋼由于含有足夠數量的(de)鉻(ge)，使其自820℃以上(shang)溫(wen)度冷(leng)卻時具有空淬傾(qing)向，而從960℃以上(shang)溫(wen)度淬火可達(da)到最高的(de)硬(ying)度。
對于高鉻(ge)耐熱(re)鋼(gang)(gang)，鉻(ge)含量(liang)對鋼(gang)(gang)的(de)(de)焊接行為(wei)有(you)明顯的(de)(de)影(ying)響(xiang)。當鉻(ge)從11%增加到17%時(shi)，鋼(gang)(gang)的(de)(de)淬硬特性會(hui)發生(sheng)重大變(bian)化。
當(dang)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)碳約為(wei)0.08%時(shi)，12%鉻鋼(gang)(gang)(gang)的(de)焊接熱影響區為(wei)全馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)組織。而在(zai)(zai)15%鉻鋼(gang)(gang)(gang)中，由于(yu)鉻具有穩(wen)定(ding)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)的(de)作用，可能阻(zu)止其完(wan)全轉變為(wei)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)而殘留部(bu)分未轉變為(wei)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)。這樣在(zai)(zai)快速冷卻的(de)熱影響區內有一部(bu)分轉變為(wei)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)，其余為(wei)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)。在(zai)(zai)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)組織中存在(zai)(zai)軟的(de)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)降低(di)了鋼(gang)(gang)(gang)的(de)硬度和裂紋傾向。
馬(ma)氏(shi)體高鉻(ge)鋼可在(zai)退火、淬(cui)火，消除應力處理或回火狀(zhuang)態(tai)下焊接(jie)。當碳(tan)超(chao)過(guo)0.15%時，熱(re)影響(xiang)區的(de)(de)(de)硬度急劇提高，冷裂(lie)(lie)紋(wen)敏感性(xing)加大，韌性(xing)下降(jiang)。由(you)于(yu)這(zhe)種鋼的(de)(de)(de)導熱(re)性(xing)較低(di)，導致熱(re)影響(xiang)區的(de)(de)(de)溫(wen)度梯度更為(wei)陡降(jiang)，加上組織轉變時的(de)(de)(de)體積變化，可能(neng)引(yin)起較高的(de)(de)(de)內應力，從而(er)進(jin)一步提高了(le)冷裂(lie)(lie)傾向。
馬氏(shi)(shi)體(ti)耐熱(re)鋼焊接接頭在焊后狀態的(de)(de)(de)工作(zuo)能(neng)力取決于熱(re)影響區的(de)(de)(de)綜合力學性(xing)能(neng)，包括硬度和韌性(xing)之間的(de)(de)(de)合適匹配。但實現(xian)這點(dian)，往往是(shi)相當困難的(de)(de)(de)。因此為(wei)保證馬氏(shi)(shi)體(ti)耐熱(re)鋼焊接接頭的(de)(de)(de)使用可靠性(xing)，通常總是(shi)規定(ding)做(zuo)焊后熱(re)處(chu)理。
2. 鐵素體(ti)型高合金(jin)耐熱鋼的焊接特性(xing)
鐵素(su)體高(gao)合金耐(nai)熱(re)鋼(gang)(gang)是一組低碳高(gao)鉻Fe-Cr-C合金。為(wei)阻止加(jia)熱(re)時形成奧(ao)氏(shi)體，在(zai)鋼(gang)(gang)中可加(jia)入Al、Nb、Mo和Ti等鐵素(su)體穩定元素(su)。普通(tong)鐵素(su)體耐(nai)熱(re)鋼(gang)(gang)焊(han)接(jie)(jie)(jie)過熱(re)區有晶粒長大傾向(xiang)。使接(jie)(jie)(jie)頭(tou)的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)和塑性(xing)(xing)急劇降(jiang)低。為(wei)改善其(qi)焊(han)接(jie)(jie)(jie)性(xing)(xing)，在(zai)降(jiang)低碳含量(liang)的(de)(de)同(tong)時增加(jia)少量(liang)鋁，以阻止在(zai)高(gao)溫區內奧(ao)氏(shi)體的(de)(de)形成和晶粒過分長大。但為(wei)獲得塑性(xing)(xing)較高(gao)的(de)(de)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)，焊(han)后仍需退火處理。
在某(mou)些鐵(tie)素(su)體(ti)高鉻耐熱鋼(gang)(gang)中，820℃以(yi)上溫(wen)度可能(neng)形成少量的奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)。從高溫(wen)冷卻時，奧氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)轉變(bian)(bian)為馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)，造成輕微的淬硬。因為鋼(gang)(gang)中只有一(yi)部分馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)，其余還是軟的鐵(tie)素(su)體(ti)，而能(neng)經受馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)相變(bian)(bian)應(ying)力。馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)主要在鐵(tie)素(su)體(ti)的晶界形成，對接(jie)頭(tou)的塑性(xing)可能(neng)起不(bu)利的作(zuo)用。對于(yu)這些鐵(tie)素(su)體(ti)鉻鋼(gang)(gang)，焊后最(zui)好在760~820℃溫(wen)度范圍做退火處理。
3. 奧氏(shi)體(ti)型高合金耐(nai)熱鋼的焊接特(te)性(xing)
奧(ao)(ao)氏(shi)體耐(nai)熱(re)鋼與奧(ao)(ao)氏(shi)體系列不銹鋼具(ju)有(you)基(ji)本相(xiang)同(tong)的(de)焊(han)(han)接(jie)特(te)點。總的(de)來說(shuo)，這類鋼由于塑性和(he)(he)韌性較(jiao)高(gao)，且不可淬硬(ying)，與低合金(jin)、中合金(jin)及高(gao)合金(jin)馬氏(shi)體和(he)(he)鐵素(su)(su)體耐(nai)熱(re)鋼相(xiang)比，具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)焊(han)(han)接(jie)性。奧(ao)(ao)氏(shi)體耐(nai)熱(re)鋼焊(han)(han)接(jie)的(de)主要問題有(you)：鐵素(su)(su)體含量的(de)控制、焊(han)(han)接(jie)熱(re)裂紋、接(jie)頭各種(zhong)形式的(de)腐(fu)蝕(shi)和(he)(he)δ相(xiang)的(de)脆(cui)變等。
①. 鐵(tie)素(su)(su)(su)體含量的控制。奧氏體耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊(han)縫金屬(shu)中鐵(tie)素(su)(su)(su)體含量關系到(dao)抗熱(re)裂性(xing)(xing)(xing)、δ相脆變(bian)和(he)熱(re)強性(xing)(xing)(xing)能。從提高抗熱(re)裂性(xing)(xing)(xing)出發，要求焊(han)縫金屬(shu)中含有一定的鐵(tie)素(su)(su)(su)體，但從防(fang)止δ相脆變(bian)和(he)熱(re)強性(xing)(xing)(xing)考慮，鐵(tie)素(su)(su)(su)體含量越低越好。從焊(han)接(jie)冶金和(he)焊(han)接(jie)工(gong)藝上妥善和(he)合理地(di)解決這一矛盾是奧氏體耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊(han)接(jie)的核心技術(shu)。
②. δ相(xiang)的(de)脆變。鉻鎳奧(ao)氏(shi)體鋼和(he)焊縫(feng)金屬在高溫(wen)持續加熱(re)過程(cheng)中會發生δ相(xiang)的(de)脆變。δ相(xiang)的(de)析出溫(wen)度范圍為650~850℃。
304不(bu)銹鋼(gang)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。
焊縫金屬(shu)與軋制材料不同(tong)，在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)組(zu)織內總含有一定量的鐵(tie)素體(ti)(ti)。在(zai)(zai)高溫(wen)加熱過程(cheng)中，鐵(tie)素體(ti)(ti)逐漸轉(zhuan)變為δ相(xiang)(xiang)。隨著轉(zhuan)變溫(wen)度的提(ti)高，δ相(xiang)(xiang)傾向于球化。δ相(xiang)(xiang)亦能直接從奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)中析出(chu)，或者(zhe)在(zai)(zai)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)晶體(ti)(ti)內以魏(wei)氏(shi)組(zu)織形(xing)式析出(chu)。
