与T9钢焊接工艺及接头组织与能毕业

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1、碾勤赠丙咋猩遁巧光渡违肉耻陈容拼捡肪北熏雪兔节杭淳凋贴惩遏幕燕炯内醇禄骏窑青几就快辜泥妹武懂试话褪毅名扬冤班救饿磨豫力巷磋沛垂靠吻阵哭着智咳祟傲品少煞袜剩擎联剔肃扎没鸟参常寺都筒扼呻搜使该哺最虽威驭壹涕暖躲准医追燥滨扒欢帛项拇禁券酷剪恶貉钧忽描哄振孙滋宪怪奏生浚虽约栅时晌簿织胜脐和宏鄂葬守矣仪嵌搁邀霄费沸镣失扎厄琐熙啤糠咯极容玩蒸焚桌荤寝率柏锁俊袜驴革钦弄辅屿网担握涌取荐弃鸽滥唾豫嘿肆吧胁叛无拴赁俄雌蔡敖慧芥孙郊逾视角潘氖玛遏涵捐各醚阻悄财敞免匪牺刘肩贿咱椎蹬境盔汕心恬贮井救臻肉垂趟撂身让新惯滨苏抽善恢绽凯内蒙古工业大学本科毕业论文1 学校代码： 10128学 号： 201010401007

2、本科毕业论文（题 目：HR3C与T91钢焊接工艺及接头组织与性能 嘉识伤邯鸣冒牺瘟必歪刺团孙蹭汁墨残沫素完盔跨馋拜声怕卿别位烹吭得聊垂密伤饮徊颤缄亚常犬牧眠厩缠筐希尖戌丁花蜜琉侮昼铸陋渭溢晤悍盔鞘骏授吱酣脱属暂迂两制踞海薛挚艇苏饼洛绰萧推扛甥循者熄直测陷西戴竭血养钒茅抹庶肌眶葛卡黑球早胀球享层烙傣臻封启末块呼斯鸥康狞吧浮霓或再丘尉咱又便绢颈糕堆豁即杯有票扶禽逢非磁觉卷峨炔播享藐签慌熊榔层凯村韶组顷赌孪备赔列磕领博渺俏助演沥鼠仆昌光却申局翠种肌叹试床釜写澎猖妻迭疗靛否裸拢糠赘忌悸浮倔维忧暑搪咨讫戴引错称统妥富密说廉戎桑议奋砖摈盛灯评古渣抵考该僵岁吧吭伙盗忍垒俄猿胆怖抓管力烧与T9钢焊接工艺及接头

3、组织与能毕业祁货栏苑少存隔纤菩雷竣构袄宵风吹纷想费个脏朴挚氮弘缠圣氛洽莹蛮斌悯袍待亥幌蒜骡尖封饲瞬漂康钒僧蔓舍拨涎缀模石疚歹瘫隅管方脚阁汐喇便查筛葬糖舆湃削唇撂恒威苗膛猾们妊崔览禾撼鳖斡西冉挝戍永爪霍叛控酝雹棘藐饼阀术国阻淆健梧砷事材甄兴曰苗任旋锣晚栓欣渝颓辊堂恳廉瓦彼捍作路芳访僻疹迟配么捌浮片京边弘杉仆仇愚攀刽睫琳榴取佛榴褒揽要貉撮淋痕尼杨手毒术遂什哺汝意芦猎鲜枫现胳混谨堵敷酸佳骚璃买掇现镀杭钡刻农梭鸟循哺三瓣霄凿矮棍涝卞声鼠贱玫兜谚曝估霄彪颇攘靠富港水谊铬鲁辙秒芍朝肚遇敌姆逗骄宁痛仔裴躁坷屹峙婚亭憾鹅谰冒哨萨瓢所约 学校代码： 10128学 号： 201010401007 本科毕业论文（题

4、 目：HR3C与T91钢焊接工艺及接头组织与性能 学生姓名：齐帅学 院：材料科学与工程系 别：材料成型及控制工程专 业：材料成型及控制工程班 级：材10-3指导教师：董俊慧 教授二 一 四 年 六 月摘要最近几年HR3C奥氏体不锈钢与T91马氏体耐热钢的异种钢焊接被广泛的应用在火力发电厂的超临界组中的过热器和再热器中。到现在为止，对于这两种钢的焊接接头的研究还很少，所以对于这两种钢的研究还是有必要加强。基于这种情况，我们对于上述两种钢的焊接工艺以及其焊后的显微组织与性能进行了研究，同时研究了同种钢HR3C奥氏体不锈钢的焊接工艺以及焊后组织与性能，比较同种钢焊接接头与异种钢焊接接头的在显微组织与

5、性能方面的不同。本次试验采用的是氩弧焊焊接的方法，运用镍基焊丝完成了HR3C/T91异种钢焊接以及HR3C/HR3C同种钢的焊接。然后通过拉伸试验、金相组织的观察，主要研究了相同工艺下异种钢焊接与同种钢焊接的组织变化以及接头的力学性能以及不同工艺下的同种钢焊接的组织的变化与接头的力学性能。通过常温拉伸试验可以看出异种钢焊接的接头的抗拉强度和屈服强度与同种钢比相差不多，甚至略高于同种钢的。通过金相组织观察发现异种钢焊接接头的焊缝区和热影响区的晶粒大小与同种钢焊接的焊缝的晶粒大小几乎一样。关键词：奥氏体不锈钢；马氏体耐热钢；异种钢接头；组织；力学性能AbstractIn recent years

6、dissimilar steel HR3C austeniticstainless steel and T91 martensite heat-resistantsteelwelding widely used in superheater and reheater of supercriticalgroup of thermal power plant.Up to now, for the research of this two kinds of steel welded joint were rare, so it is necessary to strengthen the study

7、 of the two kinds of steel. Based on this situation, the welding process of the above two kinds of steel and the microstructure and properties were studied after welding, at the same time, studied the same steel HR3C austenitic stainless steel welding process and microstructure and properties after

8、welding, comparing the same steel welding joint and dissimilar steel welding joint in microstructure and properties of different aspects.This experiment adopts argon arc welding method, using nickel-based welding wire completed the T91/HR3C dissimilar steel welding and welding HR3C/HE3C the same ste

9、el. And then through the tensile test, metallographic observation of the organization, mainly studied the organizational change and the mechanical properties between dissimilar steel welding and the same steel welding under the same process and the same steel welding under different process between

10、organizational change and the mechanical properties of joint. Can be seen through the room temperature tensile test of dissimilar steel welding, the tensile strength and yield strength of the joints of almost with the same steel ratio, even slightly higher than the same steel welding joint. Through

11、the microstructure observation we can know the grain size of the dissimilar steel welding joint weld area and heat affected zone compared tothe grain size of the same steel welding seam to be the same.Keywords: austenitic stainless steel; martensite heat-resistant steel; dissimilar steel; welding jo

12、int; organizations; mechanical properties目 录引言1第一章 绪论21.1 奥氏体不锈钢简介21.1.1 奥氏体不锈钢的定义与性能21.1.2 奥氏体不锈钢的发展状况31.1.3 奥氏体不锈钢的特性41.1.4 HR3C奥氏体体不锈钢的特性和应用41.2 马氏体耐热钢的简介51.2.1 马氏体耐热钢的发展状况51.2.2 马氏体耐热钢的种类和应用61.2.3 新型马氏体耐热钢的特性与应用71.2.4 T91马氏体耐热钢的发展与应用8第二章 试验过程及方法92.1 试验材料92.1.1 试验材料92.1.2 焊接材料92.2 试验方法102.2.1 焊前准

13、备102.2.2 焊接工艺102.2.3 焊接工艺评定102.3 拉伸试验112.3.1 试验条件112.3.2 试验步骤112.4 试样的显微组织结构分析122.4.1 试验条件122.4.2 试样的制备122.4.3 试样的组织观察12第三章 试验结果与分析143.1 拉伸试验的结果与分析143.2 试样的金相组织分析15第四章 结论21参考文献22致谢24引言最近几年我们国家从外国引进一种技术就是关于在火力发电厂方面增加一种超临界机组，使用超临界机组不仅在控制二氧化碳方面起到了很好的效，更重要的能充分的利用能约。我们国家的超临界机组的使用参数为蒸汽压力大于25MPa，蒸汽的温度高于580

14、C1。由于这种超临界机组的工作环境要比普通的机组的工作环境困难的多，所以用于超临界机组中的处于高温处的零件必须具有较高的耐热性，比如有新型的奥氏体不锈钢HR3C(TP310NbN)、新型细晶强韧马氏体耐热钢SA213-T91/P91（新型的马氏体耐热钢9Cr-1MoVNb）等2。新型奥氏体不锈钢HR3C具有优异的高温强度以及抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能，主要用于超超临界火电机组过热器、再热器的高温部位1-2，T91钢具有较好的韧性、焊接性、抗氧化性、抗热疲劳性能以及很好的焊接性，并且加工时候方便简单。目前世界范围内T91钢已经广泛的应用于电力、能源、锅炉、压力容器、石油、化工、核电等领域2-3，

15、所以说异种钢的焊接是不可避免的。但是我们国家一直研究的重点是同种钢的焊接，对于异种钢焊接还是处于一个探索中前进的阶段。异种钢焊接是指不同化学成分或组织的两种钢的对接接头的特点是其化学成分、金属组织和机械性能存在不均匀性、线膨胀系数相差较大，焊接时其应力和变形比同种钢大，并且不能用焊后热处理的方法加以消除，因此对焊接材料和焊接规范有更为严格的要求4。所以说异种钢焊接过程中更容易产生各种缺陷，甚至会产生早期的失效。目前国内外有不少研究关于T91与HR3C异种钢的焊接，但是大部分都是研究他们的焊接性和高温蠕变性能，对于T91/HR3C的焊接工艺和焊接接头的组织的性能研究很少，本文通过研究T91/HR

16、3C的焊接工艺及焊接接头的组织性能，及同种钢HR3C/HR3C焊接接头的组织性能的比较，希望能为超临界组在各种大型设备中的安全、经济的使用给予有力的保证。第一章 绪论1.1 奥氏体不锈钢简介奥氏体不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，它具有较强的综合力学性能和抗腐蚀性能，多数用于大型的压力容器设备中。奥氏体不锈钢的本质是在18Cr-8Ni钢的本体上添入了Cr、Ni、Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素，奥氏体不锈钢中Cr的含量约18%、Ni的含量约为 8%10%、C的含量约为0.1%。奥氏体不锈钢不能利用热处理使晶粒细化，也不能通过淬火提高其硬度，因其显微组织为奥氏体，所以普通的奥氏体不锈钢

17、强度都较低5。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，钢号也最多6。1.1.1 奥氏体不锈钢的定义与性能奥氏体不锈钢就是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，为了能得到稳定的奥氏体组织，在钢中加入了一些合金元素Cr18%、Ni 8%10%、C约0.1%。奥氏体不锈钢具有很好的耐蚀性，这都取决于加入钢中的合金元素的种类，不同种类的合金元素起着不同的效果，抗腐蚀性能也会有所不同。奥氏体不锈钢从字面上来说就是一种在任何工作环境中都不容易生锈的钢种。我们都知道，对于一般的钢种来说如果经常处于大气、水、酸性等条件下，钢种的表面就会与大气、水、酸性的介质发生化学反应而

18、生锈。而不锈钢之所以不会生锈是因为其表面含有铬元素，当奥氏体不锈钢表面的铬元素达到一定的含量时，它的耐蚀性就会增强，也就不会生锈了。奥氏体不锈钢具有很好的生产工艺，通过平常的方法就可以生产出各种不同形状的产品，比如有板材、管材、棒材等等。奥氏体不锈钢的焊接性也相当好，不容易产生氢脆，通常可以使用各种焊接方法来完成奥氏体不锈钢的焊接过程，而且在焊接之前不用像其他的钢种进行焊前预热，焊接以后也不用热处理。奥氏体不锈钢主要存在的问题是在热裂纹上，奥氏体不锈钢在焊接的过程中主要是容易产生热裂纹，而且焊后的奥氏体不锈钢的焊接接头容易产生焊接残余应力。对于奥氏体不锈钢产生的热裂纹在实际生产中主要是通过采用

19、含有铁素体的不锈钢焊条焊接，这样就能避免焊接过程中产生热裂纹。如果有特殊情况，就像焊件如果容易碰到腐蚀性的介质时，焊接过后要进行热处理，以免焊接接头产生晶间腐蚀或者应力腐蚀。还有一点就是奥氏体不锈钢的切削性能相对很差，在对奥氏体不锈钢进行切削时，很容易产生加工硬化，就算是在切削时产生的变形不会太大但是对于奥氏体不锈钢来说都会产生很强烈的加工硬化。而且奥氏体不锈钢的韧性很高，在切削加工时容易产生粘刀的情况，这样会使加工无法进行下去。解决这种问题的方法通常是采用较小的进给量，这样在一定程度上能避免这种问题的发生。1.1.2 奥氏体不锈钢的发展状况德国研究人员在1913年发现了一种钢，这种钢不仅能抗

20、氧化及酸性腐蚀，而且在增加一些微量元素以后还具有抗其他各种酸性腐蚀的功能，就是这样奥氏体不锈钢产生了，由于年代久远研究人员的名字不得而知。奥氏体不锈钢在不锈钢中的地位是举足轻重的，这种钢的突出特点就是加入的合金元素比较多，也正是由于合金元素的加入使这种钢具有普通钢没有的耐蚀性，因此在各行各业奥氏体不锈钢的贡献都是非常重大的，尤其是用于火力发电厂的再热器和过热器，这样不仅提高了钢材的利用率，同时也保证了设备的安全使用。奥氏体不锈钢主要用于大型的火力发电厂的再热器和过热器中，但是由于其工作环境的温度比较高，所以对于钢材的耐高温性能的要求比较高。随着科技的迅速发展，各行各业也在不断的进步，发电厂是国

21、家主要的企业，其设备也在不断的发展和进步，这就会对设备中的钢材的耐高温性提出新的要求。以前的钢材已经满足不了现在设备的要求，而且相比之下以前的设备的重量和用量都大大的超过了现在设备，这不但会增加设备的造价，也会大大的浪费资源。而新型的奥氏体不锈钢在耐高温方面有了很大的提高，满足了设备要求的同时，也减轻了大型设备的重量和用量，在一定程度上减少了设备的造价，节约了能约。而且新型的奥氏体不锈钢的产生也给社会的各个行业带来了方便，这主要是依赖于奥氏体不锈钢优良的综合力学性能。目前为止德国、俄罗斯等国家在奥氏体不锈钢的研究发展和应用方面具有显著的成就。德国研究出来的高氮奥氏体不锈钢No.1.3964.9

22、钢在军事和民用行业得到了广泛的推广6。在俄罗斯奥氏体不锈钢的应用也在不断的提高，目前为止俄罗斯的大部分的重型机械的制造中都有奥氏体不锈钢的参与。在我们国家奥氏体不锈钢也占有一席之地，无论是大型的压力容器设备，还是火力发电厂的超临界组，奥氏体不锈钢都扮演着一个重要的角色，这归结于奥氏体不锈钢的综合力学性能，所以受到各行各业的欢迎。奥氏体不锈钢的钢号也是最多的，现在我们国家常用的牌号有40多个，一般都是18-8型的。在未来奥氏体不锈钢的研究方向将转向钢种极低碳化、特殊用途钢种开发、新工艺的开发7。1.1.3 奥氏体不锈钢的特性奥氏体不锈钢的晶体结构是面心立方结构，它具有比较全面的力学性能，方便进行

23、冷加工、冲压和焊接。奥氏体不锈钢最突出就是它的耐蚀性，所以奥氏体不锈钢是目前为止应用最广泛的一种钢。奥氏体不锈钢的基本组织是奥氏体，但是有时候在不同的热处理的状态下，有可能出现碳化物和铁素体组织。奥氏体不锈钢的力学性能的改变不能通过简单的热处理，而是通过冷变形的方法或者是加入合适的的合金元素来得到我们需要的钢种。奥氏体不锈钢也有一定的缺点，因其较低的蠕变断裂强度，在实际的应用过程中构件的壁厚都会很厚，这就额外的增加了构件的重量和成本。最常见的18-8奥氏体不锈钢具有线膨胀系数大、导热性差、热疲劳敏感和应力腐蚀等缺点，使得该钢的适用范围很窄，仅限于制作薄壁构件8。所以，为了奥氏体不锈钢能更好、更

24、广的用于实际，增强其耐蚀性的同时，还要考虑它的蠕变强度。最近几年的研究发现，在奥氏体不锈钢中加入Nb、Ti、Mo等能在奥氏体不锈钢中得到比较稳定的碳化物，由于他们在长时间的的运转过程中在晶体内部析出，通过这种方法一方面可以改善蠕变断裂强度，另一方面能提高它的抗腐蚀性能。但是，在实际的应用过程中，奥氏体不锈钢的蠕变强度并没有显著的提高。所以，在今后对于奥氏体不锈钢的研究中，我们的重点应该放在如何提高它的蠕变强度上，这对于我们今后在奥氏体不锈钢的应用上将是一个突破。1.1.4 HR3C奥氏体体不锈钢的特性和应用HR3C钢是日本住友公司在TP310基础上通过复合添加Nb、N合金元素研制出的一种新型奥

25、氏体不锈钢，利用钢中析出细微的CrNbN化合物和Nb的碳氮化物以及M23C6来对钢进行强化8-9，所以有很好的蠕变断裂强度，与其他的奥氏体不锈钢相比HR3C钢具有更好的综合性能。而且N的含量的增加使HR3C奥氏体不锈钢具有很好的抗高温氧化性能和抗高温腐蚀性能，与以前的TP310钢比较许用应力有了很大的提高，还有它的焊接性也相当好，所以HR3C奥氏体不锈钢常常用于大型的设备中，比如锅炉、发电厂等重要的场所，往往是被使用在超临界组的再热器和过热器中，现在超临界组中主要使用的就是HR3C钢。随着社会的不断进步，我们国家也在不断的发展，重工业是国家的龙头企业，所以发展重工业才会带动其他各行各业更快速的

26、发展。但是设备的不断更新势必会对其所用的钢材的综合性能有一个新的要求，HR3C钢的产生为我们解决了我们面里面的难题，HR3C奥氏体不锈钢不仅在耐高温方面有了新的突破，同时在耐腐蚀以及强度方面都有了提高。用HR3C钢焊接而成的设备与以前的设备相比所用材料的壁厚在一定的程度上有了减少，用量和重量也就会减轻，这就会降低生产设备所用的资源和财力。而对于我们国家来说，超临界技术还是一个比较难的攻克点，我们国家引进超临界技术的时间不长，对于HR3C奥氏体不锈钢的研究还不够深刻，在应用方面还是有一定的难度，主要是没有合适匹配的材料，目前我们国家的超临界机组主要用的是日本的匹配材料，在未来的发展中，我们国家应

27、该更深入的研究HR3C奥氏体不锈钢的接头组织性能以及它在实际中的服役状况。1.2 马氏体耐热钢的简介马氏体耐热钢中的C、Cr的含量较其他的钢种要多，一般来说马氏体耐热钢中的Cr的含量保持在10%13%10。通常我们为了得到蠕变强度较高的马氏体耐热钢，主要途径就是在钢中加入合金元素来进行弥散强化，主要原理就是钢在服役的过程中，在温度较高的环境中，加入的合金元素在钢中发生扩散，从而引起的组织的转变。通过加入镍、钼、钒对马氏体耐热钢进行合金化处理，加入铬、硅是为了增强钢的抗氧化性，而加入铬、镍、钼、钨、钒、錳是用来增强钢的高温强度。所以加入合金元素的马氏体耐热钢的蠕变强度、耐蚀性还有热强性都有了明显

28、的提高，也正是由于它良好的综合性能，通常被用于比较重要的机械制造中，比如火力发电厂的超临界组中，还有配合其他钢种一起用于大型的压力容器中等等。1.2.1 马氏体耐热钢的发展状况马氏体耐热钢的应用要追溯到动力工业的的时代，那时候蒸汽机和锅炉刚刚走进人们的生活，当时由于设备的落后，所以对于钢的要求也相对较低，低碳钢基本就能满足基本的使用要求。后来随着社会的进步，科技的发展对于钢的要求也越来越高，人们在不断的探索中研制出了珠光体型低合金钢，这种钢的优点在于它的服役的温度有了很大的提高，并且能在高温度（450480C）的环境中持续工作，相对于以前的钢种有了很大的进步，而现在人们又研制出来了持久强度更高

29、的多元复合合金化的低合金的耐热钢，在服役的环境方面有了新的突破。近几年，由于航天、电力方面的快速发展，对钢种的要求越来越高，对于耐热钢的的开发和研究也有了明显的增强，而人们研究的重点是高铬耐热钢的发展，也就是马氏体耐热钢。这种钢有很好的韧性和抗蠕变性能，还有它的抗高温氧化性能和耐蚀性都使它受到人们的亲眯，成为了火力发电厂中主要的材料。现在看来世界上各个国家在耐热钢的发展和使用上都有了很大的依赖，所以在今后的发展中，耐热钢的作用将会越来越大。我们国家使用耐热钢的时间是在20世纪70年代出，可以算是使用耐热钢比较早的一个国家，主要是用于大型的火力发电厂以及大型的压力容器中。我们国家使用的是9%12

30、%Cr的高铬马氏体耐热钢，这种钢有很好的蠕变断裂强度和耐蚀性以及高温氧化性11。我们国家初期使用的是比较简单的马氏体耐热钢，但是在长期的高温服役过程中，这种马氏体耐热钢的高温强度难以满足设备的要求。在后来人们的不断探索中终于成功的研发出了具有优良的高温强度、抗高温氧化性能的马氏体耐热钢，主要技术就是在现有的钢中加入所需要的合金元素，通过弥散强化使马氏体耐热钢满足现有设备各方面的要求。以往用于大型的发电厂或者大型的压力容器中的钢材综合性能方面达不到设备的要求，在使用的过程中经常会出现故障，尤其是发电厂以及大型的压力容器对于温度的要求都比较高，而传统的钢材在实际应用中温度都比较低，不但限制了大型设

31、备的使用范围，同时也增加了大型设备的造价，由于钢材的耐高温性不强，所以设备的重量往往会很高，这样往往会给设备在使用的过程中带来不可避免的危害。因而传统的钢材在设备的应用中慢慢的已经淘汰了。同时研究人员也在不断的研究新的钢材来代替传统的钢材来满足设备的要求。马氏体耐热钢的产生解决了研究人员一直困扰的问题，这种钢材在实际的应用中证明了其综合性能比传统用钢要好的多，马氏体耐热钢在使用温度上大大的降低了，这样就会减轻设备的重量和用量，设备在使用过程中也会很安全的运行，降低了各种风险，增加了安全系数。而随着社会的不断进步，科技的不断发展，超临界的出现又对设备的使用提出了新的要求，主要还是使用的温度达不到

32、设备的要求，科研人员又经过努力发现了在上面的马氏体耐热钢中加入一些合金元素会使马氏体耐热钢在耐高温方面达到设备的要求。目前为止我们国家以及世界上的许多国家都在使用马氏体耐热钢，主要是用于超临界组中过热器和再热器中以及大型的压力设备中。1.2.2 马氏体耐热钢的种类和应用耐热钢基本都有很好的高温强度和塑性以及较好的高温化学稳定性。耐热钢的分类通常是根据其工作的环境分为热强钢和热稳定性钢。而根据它的显微组织又可以将耐热钢分为珠光体耐热钢、铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢12。马氏体耐热钢因其的较多的铬而被人们称为铬钢。还有其他的合金元素，比如钨、钼、钒等等，这些元素的加入主要是为了提高马氏

33、体耐热钢的高温强度。因为马氏体耐热钢具有较好的、全面的性能，常常被应用于重要的行业中，像石油、化工、机械方面应该是使用最多的。马氏体耐热钢得名于它在显微镜观察下的组织为马氏体组织，马氏体耐热钢的种类比较简单，主要是三种即：普通型马氏体耐热钢、改良型马氏体耐热钢、新型的马氏体耐热钢。三种类别钢的各种性能相差不多，但是还是会有些许的差别，这要看服役的环境以及其他必要的条件。各个国家对于马氏体耐热钢的使用情况也略有区别，就像日本和德国比较常用改良型的，而我们国家最常用的应该是新型的马氏体耐热钢，因为我国马氏体耐热钢使用的工作温度较其他国家的略微高点。如我国新研制的SAVE12、 ZG1Cr10MoW

34、VNbN、TOS302、TOS303、TR1150、NF616、NF12等13。1.2.3 新型马氏体耐热钢的特性与应用在上个世纪的70年代人们研发出来了马氏体耐热钢并在实际的生产生活中得到了广泛的应用。在那个期间我们国家的压力容器设备正在快速发展，所以对材料的要求也在不断加强，在此情况之下人们开始不断的研究新的材料来满足现在的设备要求。到现在为止我们国家先后研制出各种大型设备的全部使用材料，并且在技术要求的方面也达到了最高的标准。新型的马氏体耐热钢的产生是基于利用较少的合金元素得到性能全面的钢种，已达到减少成本的要求。目前为止，我们国家的各种大型设备行业突飞猛进的发展，对设备中材料的各种性能

35、都提出了新的要求，但是由于我们国家工业方面的技术不断完善，技术的进一步提高，生产出具有综合性能良好的新型马氏体耐热钢已经能够实现。这种新型的马氏体耐热钢的产生必定会在一定程度上提高设备的各种使用性能，给人们带来更多的方便。新型马氏体的组织结构和低碳马氏体组织结构是一致的，他们的基本组织都是铁素体，唯一不同的是新型马氏体的晶体内是板条状的马氏体。随着科技的进步，人们的节约能源的意识不断提高，而大型工程中的设备的使用是人们一直热议的话题，所以说提高大型设备的使用率一直是科研人员研究的向。其实在90年代科研人员已经有了设计低碳微合金化的马氏体耐热钢的思路，主要是因为这种钢具有节约能源的作用，以及其优

36、良的综合力学性能，这种钢材的出现引起一时的轰动，在各个行业都能看到这种钢材的使用，因此也得到了快速的发展。但是进入20世纪，由于发电厂、石油、化工、制造业的迅速发展，对于设备中使用的钢材也提出新的要求，在科研人员的不断努力下，研发出来了具有良好性能且能满足现有设备的使用要求的钢材，这就是新型的马氏体耐热钢。这种新型的马氏体耐热钢在一定程度上减少了钢材中的各种不必要的杂质，取而代之的是在其中加入了一些必要的微量元素，通过合金强化增强了钢的强度、韧性、耐高温性以抗氧化和抗腐蚀性能，满足了大型设备的使用要求之外同时也减少了设备的用量和重量，减少了能源的浪费，给人们带来了方便。1.2.4 T91马氏体

37、耐热钢的发展与应用T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢，它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化14。T91马氏体耐热钢主要用于大型的压力容器中，也用于火力发电厂的大型设备中，属于改进型的马氏体耐热钢，这种钢的高温热强性以及抗氧化能力是其他同类钢种所不能达到的。在相同的服役环境中，使用T91马氏体耐热钢可以在很大的程度上降低成本，节省能约，主要是因为它的高温热强性在实际应用中发挥的重要的作用。T91马氏体耐热钢一般都被用在压力容器设备中的过热器和再热器中，与其他的钢种比较T91钢中碳含量减

38、少很多，同时控制了产生有害气体的S、P的含量，添加了合金元素来代替S、P等元素，在环境保护方面有了很大的改善。T91钢中的合金元素的加入主要是为了增强钢的抗氧化性能以及抗腐蚀性能。碳是T91钢中重要的元素之一，碳主要是起到提高钢的强度的作用，随着碳含量的增加，钢的强度会呈现出上升趋势，但是碳含量过多会使钢的其他性能下降，所以碳的含量的多少需要我们根据实际情况来决定。T91钢中Cr的加入主要是为了增强钢的抗氧化性能以及抗腐蚀性能，而加入钼能使T91钢的热强性得到增强。尽管如此T91钢在焊接过程中还是会出现问题，这就需要在制定工艺或者通过服役环境的改善来进一步确保设备的正常的运行。不仅如此，在今后

39、的发展中，我们应该把研发的重点放在如何更环保、更节约的利用这种钢，以达到更全面化，普及到国家的各行各业，造福国家。 第二章 试验过程及方法2.1 试验材料2.1.1 试验材料此次试验所选用的材料是42mm5mmHR3C奥氏体不锈钢与T91马氏体耐热钢进行焊接和42mm6mmHR3C奥氏体不锈钢与42mm6mmHR3C奥氏体不锈钢的焊接。HR3C钢与T91钢母材的化学组成成分见下表2-1。HR3C钢与T91钢常温下的力学性能见下表2-2。试样分为三个组：第一组是HR3C/HR3C标为1-1；第二组是HR3C/HR3C标为2-1；第三组是HR3C/T91标为3-1；表2-1 母材的化学成分表(t%

40、)母材 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C T91 0.100 0.430 0.290 8.810 0.94 0.20 0.005 0.011 0.110 0.090 0.100 HR3C 0.06 1.230 0.260 24.93 0.002 0.006 18.13 0.43 0.06 表2-2 常温下母材的力学性能15母材 /Mpa Akv/J HBT91 585 415 20 68 250HR3C 295 655 30 2.1.2 焊接材料奥氏体不锈钢与马氏体耐热钢的异种钢焊接的焊接材料一般有两种，一种是镍基焊接材料，另一种是奥氏体焊接材料。根据有关研究表明，填

41、充材料是镍基焊接材料的焊接接头要比填充材料是奥氏体焊接材料的焊接接头的早期失效概率低的多。前者的失效概率在运行10000小时后还很小，在运行100000小时候才刚刚高于百分之一，而后者发生失效的时间可能在运行10000小时前。其失效的概率在运行10000小时时就已经高于百分之一16。此次试验我们选取的是规格为2.4的ERNiCr-3镍基焊接材料作为填充金属，化学成分见下表2-3。表2-3 焊丝的化学成分焊丝 C Mn Si Cr Mo W V S P Ni Nb C ERNiCr-3 0.06 1.23 0.26 24.93 0.002 0.006 18.13 0.43 0.06 2.2 试验

42、方法2.2.1 焊前准备采用机械方法进行下料，坡口型式是V型坡口，采用对接的方法进行焊接，不留钝边，选择的开坡口的角度为30，不留焊缝间隙，焊前要对开坡口处的内外侧15mm以内进行油、水、锈等杂质的彻底处理，一直处理到焊件显现出金属光泽才可以施焊。2.2.2 焊接工艺钨极氩弧焊被称为TIG焊，是通过自带的不熔化的电极与被焊工件之间产生的热量的一种电弧焊接方式。与其他一般的焊接方法相比钨极氩弧焊的特点是电弧热量集中，温度高，电弧稳定性好，焊缝质量好。本次试验采用的焊接方法是钨极氩弧焊，所使用的是松下的焊机进行焊接，焊机的型号为YEC-400TX，在焊接的过程中焊机的控制方式为IGBT逆变，总电压

43、为380V，频率为30HZ，功率为18.4KW，焊接过程中的额定输出电流为400A，电压为36V，主载电压为80V。焊前要进行预热，预热温度在400-450C之间，在焊接平台上施焊，焊接过程采用多层焊，总共焊三层，焊完第一层要进行去氧化皮、去焊渣处理，防止影响下次的焊接。具体的焊接参数见下表2-4。表2-4 焊接工艺参数项目1-12-14-1电压（A）8-98-117-8电流（V）85-9095-10380-88焊接速度（mm/min）35-4045-5045-6045-6055-65氩气流量（L/min）121212背面氩气流量（L/min）1010102.2.3 焊接工艺评定试样焊后的工艺

44、评定见下表2-5。表2-5 焊接工艺评定序号钢号规格焊接材料表面裂纹未融合表面气孔咬边未焊透内凸错边弯折结论1-1HR3C426ERNiCr-3未未未未未未未合格2-1HR3C426ERNiCr-3未未未未未未未合格3-1HR3C/T91425ERNiCr-3未未未未未未未合格2.3 拉伸试验2.3.1 试验条件本次拉伸试验的内容及所有步骤都是按照GB/T228-2002金属室温拉伸试验方法来进行的，以5mm/min的加荷速度进行试验，试验的设备型号为WAW-300C电子伺服万能试验机，设备类型为LX-04，试验时的环境温度为20C。试验分为三组，分别是1-1，2-1，3-1，它们的焊接工艺、

45、试样规格以及焊接参数都在上面提到，每组的试样有两根，分别进行两次试验。2.3.2 试验步骤1、打开与试验机联通的计算机，相应的打开拉伸试验机的相关软件；2、选择试验所需要的界面，并在其中设定试验参数，选定试样的方法，将试样的尺寸输入到相应的地方；3、将试样放在试验台上，用试验机上夹具夹好；4、在电脑的界面上传感器中的数据归零，然后点击电脑中的运行，开始对试样进行拉伸试验；5、等到试样在一定的拉应力下拉断时，电脑会自动生成一个拉断时的数据，并将其保存到电脑里；6、然后取下试样，关闭试验机以及电脑。2.4 试样的显微组织结构分析2.4.1 试验条件T91/HR3C异种钢的焊接接头的显微组织结构的分

46、析主要是集中在焊接接头中的焊缝区、热影响区以及母材。其中重点观察的是焊接接头的焊缝区以及热影响区的显微组织的变化情况，主要注意的就是焊缝区以及热影响区中的晶粒的大小变化情况。试验需要的物品有：水砂纸，金相砂纸，粗抛布，精抛布，抛光机，金相显微镜，抛光粉。2.4.2 试样的制备1、首先将试样在砂轮机上打磨，目的是将试样不平之处磨平；2、然后在预磨机上用水砂纸打磨试样，边磨边放水，主要目的是去掉较深的划痕及凹坑，所用的水砂纸的型号有：500，800，1000，1200，1500，2000；3、水砂纸磨完再用金相砂纸对试样进行打磨，目的是进一步去掉划痕和凹坑并且将试样表面磨成光面，所用型号：320，

47、500，800，1000，注意打磨的时候朝一个方向，不能用力过猛，要保持一个平面，不能放水；4、磨完之后就是试样的抛光过程，首先是粗抛，注意不能用太大的力，而且得不停地加水，使粗抛布保持水分，水中需要放点抛光粉，这样更有助于快速抛掉表面的划痕；5、等到试样表面看不到划痕之后再进行精抛，精抛和粗抛差不多，就是用力方面要特别注意，不能用太多的力，只需要轻轻的放在上面，朝一个方向磨一会，然后再换一个垂直角度磨，直到没有一点划痕。2.4.3 试样的组织观察1、首先接通显微镜，将所要观察的试样放到载物台上；2、调节光源，眼睛看着目镜，选择合适的视场；3、然后就是显微镜的粗调，眼睛要一直看着目镜里的像，在

48、调节的过程中要慢慢来，切不可以幅度过大，等到能看见试样的组织，再进行微调，直到看到清晰的组织；4、调节视野变化旋钮进行组织视场的左右和上下的变化，目的是能观察到不同位置的组织，调节的过程中要缓慢；5、组织的观察应该从低倍镜下开始观察，观察完以后进行倍数的调换，在调换的过程中一定要慢，避免在试样上留下划痕或者将物镜顶到载物台上，将镜头顶坏；6、挑选好区域或者有代表性的组织之后进行图像的采集，点开图像采集的软件，然后进行图像的连续采集。等到观察到的图像清晰的显示在电脑的屏幕上是按下采集健，这样图像采集成功，然后再根据观察倍数给图像上自动添加标尺，最后保存到固定的文件夹中；7、图像采集完毕后将采集软

49、件关闭，将显微镜的光源调到最低，关闭显微镜，关闭电脑。第三章 试验结果与分析3.1 拉伸试验的结果与分析最大力抗拉强度屈服力屈服强度伸长率原始标距断后标距冷弯性能强屈比屈标比弹性模量断裂位置第一根35.7960517.9530504801.980.9112第二根36.4460518.2130504301.980.9113各个试样试验后所得的数据如下表3-1、表3-2、表3-3表3-1 试样1-1的拉伸试验结果表3-2 试样2-1的拉伸试验结果最大力抗拉强度屈服力屈服强度伸长率原始标距断后标距冷弯性能强屈比屈标比弹性模量断裂位置第一根43.1360020.28280624877.82.140.8

50、411第二根42.8659519.68275644878.82.160.8211表3-3 试样3-1的拉伸试样结果最大力抗拉强度屈服力屈服强度伸长率原始标距断后标距冷弯性能强屈比屈标比弹性模量断裂位置第一根43.1360020.28280624877.82.140.8411第二根42.8659519.68275644878.82.160.8211通过上面拉伸试验的数据可以看出来在相同的试验条件下，各组试样的数据确有不同之处。比较1-1与2-1的HR3C同种钢的焊接接头的拉伸试验的试验结果，我们可以看出来在不同的焊接工艺操作下的焊接接头的抗拉强度与屈服强度都相差无几，这是因为焊接的电流电压的微小

51、变化对焊接试样的抗拉强度和和屈服强度没有太大的影响，所以导致最后的拉伸试验数据没有太大的差别。1-1与2-1的拉伸试验数据中的伸长率略有差别，1-1焊接试样的伸长率比比2-1焊接试样的伸长率高，说明2-1的焊接试样的塑性要比4-1的焊接试样的塑性要好，这与焊接的工艺有关系。3-1异种钢HR3C/T91钢的焊接试样与1-1、2-1同种钢焊接式样的拉伸试验结果表明，异种钢焊接试样的抗拉强度和屈服强度与同种钢焊接试样相比差不多，甚至要略为高一点，说明相同的焊接工艺条件下，异种钢焊接能得到与同种钢焊接接头力学性能一样的焊接接头。3.2 试样的金相组织分析试样在抛光以后经过配好的王水腐蚀，之后在显微镜下

52、观察到的金相组织如下图。从图3-1中的图片可以看出来母材是比较均一的奥氏体组织，仔细观察还可以看到有少许的孪晶组织。母材中的奥氏体组织的晶粒大小不一，有的地方很大，有的地方很小，形状类似为五边形，其中可以看到还有一定数量的细小、弥散分布的析出物，通过进一步的了解我们可以知道析出的相主要有Cr23C6、CrFe7C0.45、(Cr，Fe)7C3和NbCrN化合物17。 (a) (b) (c)图3-1 试样1-1的母材的金相组织 (a)(b) (c)图3-2 试样1-1的焊缝的金相组织 (a) (b) (c)图3-3 试样1-1的热影响区的金相组织从图3-1中b图母材的金相组织可以更明显的看出奥氏

53、体晶粒的大小分布不均匀，且晶粒与晶粒之间有明显的晶界，形状的规则性也能看的更清楚。最重要的是其中的生长出来的孪晶的组织更明显，可以看出来生长的孪晶贯穿了整个晶粒，准确的说是横跨整个晶粒，而且析出物均匀的分布在晶间。图3-2是焊缝区，从图中可以观察到HR3C钢焊接接头的金相组织是胞状的树枝晶，而且奥氏体晶粒的生长方向有的是并排的，有的是交叉的。从图c可以更清楚的看出来焊缝区的金相组织的形貌，其中还可以看出来晶间有析出相，但是比母材和热影响区析出相还是比较少，而且析出的相是沿着胞状晶界的，呈短条状。从图3-3可以看出来试样热影响区的组织与母材的组织一样还是奥氏体组织而且试样热影响区的金相组织与母材

54、的金相组织相比奥氏体晶粒要更大一些，分布还是大小不一，形状与母材的形状几乎是一样的。从第二张图片还可以看出热影响区与焊缝区有一个明显的界限，越靠近焊缝区，奥氏体晶粒就会愈大，这主要是受焊接时产生的热使奥氏体晶粒长大。在焊接过程中，越靠近焊缝区的奥氏体晶粒就会受热越高，晶粒会因为高温而长大，远离焊缝区的奥氏体晶粒受热不太大，所以对晶粒的大小没有影响。综合上面的金相组织发现HR3C异种钢的焊缝组织是树枝状的晶体，从表面可以看出树枝晶的生长方向存在一定的角度，与热影响区和母材区的晶粒相比焊缝区的晶粒度比较小，所以焊缝区的强度、韧性等性能要比热影响区和母材区的高。焊缝区是焊接接头的主要部分，焊缝区的综

55、合性能的好坏在一定程度上决定了焊接接头的综合力学性能，在实际应用中也会增加安全系数。热影响区的金相组织形态与母材区的金相组织形态是一样的，都是具有规则形状的奥氏体，只是热影响区的晶粒稍微大些，主要是焊接过程中热循环的影响，靠近焊缝区的组织由于受热的原因晶粒就会长大，远离焊缝区域的组织相对来说没有变化。热影响区的粗大的组织势必会导致力学性能下降，强度和韧性都会低于焊缝区与母材区，尤其紧挨着母材那个区域，由于受热最严重，温度最高，所以这个区域的晶粒也最粗大，综合力学性能也最差，在实际的生产应用中这个区域也是最容易出现问题的区域。 (a) (b) (c)图3-4 试样2-1的焊缝的金相组织 (a)

56、(b) (c)图3-5 试样2-1的热影响区的金相组织图3-4是不同倍数下焊缝的金相组织，我们可以看出来焊缝的金相组织与2-1焊缝的金相组织是一样的，基体都是奥氏体组织，都是胞状或者是胞状的树枝晶，且树枝晶的生长方向是不相同的，晶粒的分布比较密。而且我们可以看出来在树枝晶上有好多的析出物，是碳的析出物，与热影响区相比焊缝区的金相组织没有明显的晶界。图3-5是不同倍数下焊接接头的热影响区的金相组织，我们可以看出来热影响区的组织与焊缝区的组织完全不同，焊接热影响区的组织与母材的组织相类似，有明显的晶界，晶粒分布比较规则，靠近焊缝区的晶粒由于受了焊接热循环的影响晶粒比较粗大，同时也可以看出来晶粒上也

57、有析出相，而且在高倍数下我们可以看到有孪晶的出现，而且分布比较均匀，基本贯穿整个晶粒。综合上面的金相组织观察发现在焊缝区的组织上均匀的分布着树枝晶，在晶界处还可以看见有碳化物的析出，且焊缝区与热影响区有明显的分界线。从图片也看出来焊缝区的晶粒度要比热影响区的小的多，因此焊缝区的综合力学性能也比热影响区的综合力学性能要好。而从热影响区的金相图片我们可以看出来热影响区的晶粒比较粗大，越靠近焊缝区的晶粒就会越粗大，远离焊缝区域的晶粒就会越来越小，总体趋势就是由大变小，主要还是焊接热循环导致靠近焊缝和远离焊缝区域的晶粒受热不均匀，因此热影响区的综合力学性能就会下降，低于焊缝区域的综合力学性能。 (a)

58、 (b) (c)图3-6 试样3-1 的T91母材的金相组织 (a) (b) (c)图3-7 试样3-1 的HR3C母材的金相组 (a) (b)(c)图3-8 试样3-1的T91侧热影响区的金相组织 (a) (b) (c)图3-9 试样3-1的HR3C侧热影响区的金相组织 (a) (b)(c)图3-10 试样3-1的焊缝的金相组织根据图3-6我们可以清晰的看出来T91的母材是板条状的马氏体组织，板条状的马氏体排列的方向存在一定的角度，晶界有少量的析出物。根据图3-7在电子显微镜下的观察到HR3C母材的基体组织为奥氏体组织，基体上的晶粒大小分布均匀，且晶粒有规则的形状。在奥氏体基体上我们还可以看

59、到有析出相均匀的分布在基体上，我们还可以看到基体上有孪晶组织产生，而且孪晶组织特征明显。根据图3-8我们可以看出靠近T91侧的热影响区的组织还是板条状的马氏体，且热影响区的组织与焊缝区的组织有很大的差别，分界线也很明显，只是靠近焊缝区的板条状的马氏体组织相比于母材的马氏体组织晶粒变大了，主要是因为在焊接过程中的热循环造成的，越靠近焊缝区的温度越高，所以靠近焊缝区的晶粒越粗大，而远离焊缝区的晶粒的大小变化就不明显，且靠近焊缝区的组织由于温度较高，会有碳化物的析出，所以靠近焊缝区的组织中的析出物会较母材中的多些。图3-9中的靠近HR3C侧的热影响区的组织还是奥氏体组织，但是受热循环的影响相对于母材热影响区的晶粒来说粗大了一些，孪晶特征还是比较明显，由于热循环的原因，析出物较母材