预热、层间温度和焊后热处理优化方案

一般讲，奥氏体不锈钢焊接时不需要预热和保持层间温度，这和马氏体等可相变钢不同。高的预热温度和层间温度可以降低冷却速度，但是这对铁素体至奥氏体相变作用很小，这是因为相变发生在很高的温度，在这样高的温度预热和控制层间温度对冷却速度的影响很小。在涉及碳化物可能析出而导致敏化的情况下，要控制层间温度低于某个最高值，因为在碳化物析出温度范围内缓冷是有害的。

由于奥氏体不锈钢的线胀系数（及收缩）远大于铁素体不锈钢，其残留应力的幅值也远高于后者。为了消除厚板焊件的残余应力，需要进行焊后热处理。为了减少焊件的变形，特别对焊后需要加工或者在工作时必须保持尺寸稳定的工件，也需要进行焊后消除应力处理。如在工作中可能发生应力腐蚀裂纹，则降低残留应力也很重要。

焊后热处理的温度要按其目的来选择（是消除残留应力，还是改变微观组织）。消除残留应力的热处理一般在550～650°C（1020～1200°F）温度范围内进行。这个温度范围低于图6-4中碳化物析出曲线的“鼻尖”温度，也低于表6-3所列导致脆性化合物的形成温度范围。请注意：由图6-4可以发现如果消除应力热处理要进行几个小时，则可能引起敏化，而这种情况对于很厚的焊件是可能的，此时推荐用低碳的母材和填充金属或者稳定化的钢种。

在某些场合，为了更有效地消除残留应力，或者要对焊态组织进行变质处理，则要进行较高温度的焊后热处理。此时对于650～900°C（1200～1650°F）温度区间要特别谨慎，因为在这个温度区间碳化物M₂₃C₆和σ相都会很快形成。前者会使焊件敏化，后者会导致脆化和降低韧度（图6-5）。对于全奥氏体焊缝金属和低碳型母材与填充金属，可以在这个温度区间进行焊后热处理。如后面几节所述，只是对含铁素体的焊缝金属，σ相才会快速形成。

在950～1100°C（1740～2010°F）温度范围进行热处理将完全消除残留应力，也可对焊后组织进行变质处理而不生成碳化物和σ相。加热高于950°C（1740°F）后紧接着快速淬火，将从原始组织中除去所有的碳化物。加热接近1100°C（2010°F）将溶解部分或者全部铁素体，这取决于保温时间，焊缝金属成分和焊态铁素体含量。如果采用这种极端的热处理，则一般要求随后进行水淬至室温，否则碳化物将在缓冷中再次析出。

奥氏体不锈钢母材和焊缝金属对于形成σ相导致的脆化是敏感的、这种名义成分是FeCr的富铬相硬而脆，当其体积含量高时会降低韧度（图6-5）和延性。在全奥氏体（没有铁素体）的微观组织中σ相析出较慢，一般要求在高温停留很长时间（几百到几千小时）。σ相可能在工作中和焊后热处理中形成，其形成的温度区间是600～900°C（1110～1650°F），在奥氏体-铁素体焊缝金属中，在750°C（1380°F）左右的温度σ相形成最快^[20]。在Cr以外添加Mo、Nb、Si、W、V、Ti和Zr促进σ相形成，而添加C和N阻止其长大。组织中存在铁素体显著加速σ相形成，这可通过上述铁素体形成元素和奥氏体形成元素的平衡来控制。因为铁素体中铬含量高于奥氏体，这是它加速σ相形成的原因，这样含有残留铁素体的焊缝就易于发生σ相脆化。采用焊接填充金属来形成全奥氏体或低铁素体含量的焊缝金属，对于减少σ相脆化是最有效的。但要谨慎，不要为了避免σ相脆化而导致凝固裂纹。Vitek和David的研究^[21，22]发现：308型不锈钢的焊缝金属在650～750°C（1200～1380°F）温度范围时效，结果使铁素体相溶解，一开始导致形成富铬的M₂₃C₆碳化物，最后又导致σ相成核。他们发现：成核是限制反应速度的环节，σ相一旦成核将很快长大，而冷作加工会加速σ相的成核。在含有铁素体的308型焊缝金属中，σ相可在650～750°C（1200～1380°F）温度范围内不到100h就形成。

σ相：

1）平衡的FeCr相。(www.xing528.com)

2）在600～900°C（1110～1650°F）温度范围内析出。

3）在含有铁素体的焊缝金属中很快形成。

4）可能在大型构件进行焊后热处理时形成。

5）降低耐腐蚀性，延性和韧度。

因为σ相必须在组织中呈连续的或近似连续的分布，才会引起韧度和延性的明显降低，所以在焊缝金属中维持铁素体数在FN=3～8之间就可以避免σ相脆化。这是因为在σ相中铬含量高于铁素体的铬含量，所以铁素体向σ相转变体积上不是等量的。焊缝中FN=8的铁素体数只能转变成4Vol%的σ相，这个σ相的体积分数不足以使焊缝脆化，尽管韧度会有一些下降（图6-5）。

Alexander^[23]也研究了含铁素体（FN=11）的308型焊缝金属的475°C（885°F）脆化现象。这种脆化现象在第5章中已经讨论了。因为铁素体在奥氏体不锈钢焊缝金属中实质上是把铁素体钢[w（Cr）=20%～30%和w（Ni）=4%～5%Ni]镶嵌在奥氏体母体中，这样就不奇怪会观察到由于铁素体形成α′相而导致脆化。他们发现：在475～550°C（885～1020°F）温度范围内，时效长达5000h会显著降低韧度，使韧脆转变温度上升，使上平台韧度下降。在475°C（885°F）停留，韧度降低和形成了α′相和G相（表6-3）有关，而在550°C（1020°F）停留和形成了碳化物和σ相有关。在所有情况下，脆性相的析出都和富铬的铁素体有关，而脆性相一般在铁素体-奥氏体界面上成核。