马氏体不锈钢焊接性分析

马氏体不锈钢是以Fe-Cr-C三元合金为基础的，这类钢高温下存在的奥氏体在空气中冷却的条件下足以产生奥氏体到马氏体的转变，属于淬硬组织的钢种。与其他类型的不锈钢相比，马氏体不锈钢可以达到很宽的强度范围，屈服强度可从退火状态下的275MPa到淬火＋回火状态下的1900MPa，具有较高的硬度，但耐蚀性和焊接性差一些。

1.马氏体不锈钢的类型

（1）Cr13型马氏体不锈钢 通常所说的马氏体不锈钢大多指这一类钢，如12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13。这类钢经高温加热后空冷就可淬硬，一般均经调质处理。

（2）热强型马氏体不锈钢 以Cr12为基进行多元合金化的马氏体不锈钢，如2Cr12WMoV、21Cr12MoV、2Cr12Ni3MoV。高温加热后空冷也可淬硬。因用于高温，希望将使用温度提高到普通Cr13钢的极限温度600℃以上，添加Mo、W、V同时，往往还将碳含量提高一些。因此，热强马氏体钢的淬硬倾向会更大一些，一般均经过调质处理。

（3）超低碳复相马氏体钢 这是一种新型马氏体高强度钢。成分特点是，钢的含碳量w_C降低到0.05％以下并添加Ni（w_Ni＝4％～7％），也可能含有少量Mo、Ti或Si。典型的钢种如0.01C-13Cr-7Ni-3Si、0.03C-12.5Cr-4Ni-0.3Ti、0.03C-12.5Cr-5.3Ni-0.3Mo。这几种钢均经淬火及超微细复相组织回火处理，可获得高强度和高韧性。这种钢也可在淬火状态下使用，因为低碳马氏体组织并无硬脆性。

w_Ni＞4％以上的超低碳合金钢淬火后形成低碳马氏体M，经回火加热至As（低于Ac₁）以上即开始发生M→γ′的所谓“逆转变”。As为逆转变开始温度。因为并非在Ac₁以上发生转变形成的奥氏体γ，也不同于残留奥氏体，而将γ′称为逆转变奥氏体。γ′富碳、富Ni，因而很稳定，冷却至－196℃也不会再转变为马氏体（除非经冷作变形），为韧性相。因而回火后获得的是超微细化的M＋γ′复相组织，具有优异的强韧性组合，所以称为“超低碳复相马氏体钢”。

这类钢的特性与析出硬化马氏体钢很相似，淬火形成的马氏体不会导致硬化，如图10-24曲线3所示。

应指出，无论析出硬化马氏体钢或析出硬化半奥氏体钢，都无淬硬倾向，不需预热，采用同质焊接材料或奥氏体焊接材料，都能顺利地获得满意的焊接接头，但焊后须进行适当的热处理。

2.焊接性分析

（1）熔化区组织转变 马氏体不锈钢熔池先凝固成δ铁素体，而由于碳和其他合金元素的偏析，凝固终了会形成奥氏体或奥氏体＋铁素体组织。固态焊缝继续冷却时铁素体转变成奥氏体（低于约1100℃全部转变为奥氏体），进一步冷却奥氏体将转变为马氏体。这个转变过程有以下几个相变路径：

1）相变路径一：L→L＋F_p→F_p→F_p＋A→A→马氏体（M）。

图10-24 各类马氏体钢的硬度与淬火温度的关系

1—12Cr13 2—20Cr13 3—00Cr13Ni7Si3

形成全部马氏体组织。如果一些铁素体是在凝固终了时形成的，可能富集铁素体化元素；在凝固温度以下冷却时这些铁素体不转变为奥氏体，而残留在凝固晶界或亚晶界，最终的焊缝组织是马氏体和“共晶铁素体”的混合物。(www.xing528.com)

2）相变路径二：L→L＋F_p＋（A＋F_共晶）→F_p＋A＋F_共晶→A＋F_共晶→M＋F_共晶

形成马氏体＋共晶铁素体两相组织。因为凝固终了形成的铁素体是通过共晶反应形成的，共晶数量决定于铁素体化元素和奥氏体化元素的比值和凝固条件。

3）相变路径三：L→L＋F_p→F_p→A＋F_p→M＋F_p

形成马氏体＋先共析铁素体两相组织。先共析铁素体可能在高温时不完全转变成奥氏体，而在冷却时残留在组织中直至室温。

此外，由于奥氏体相变不完全，铁素体可残留在δ铁素体枝晶的心部，这和奥氏体不锈钢组织中的“骨架”铁素体形成相似。在冷却时也可能有一些碳化物析出（取决于冷却速度），一般是M₂₃C₆和M₇C₃（w_C＞0.3％的不锈钢）。

图10-25是用于铁素体和马氏体不锈钢的焊缝组织图，该图适用的成分范围（质量分数，％）为：Cr 11～30、Ni 0.1～3、Si 0.3～1、Mn 0.3～1.8、Al 0～0.3、C 0.07～0.2、Mo 0～0.2、Ti 0～0.5、N 0～0.25，覆盖了大多数铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的成分范围。

图10-25 用于铁素体和马氏体不锈钢的焊缝组织图

（2）焊接接头的冷裂纹 超低碳复相马氏体不锈钢无淬硬倾向，并具有较高的塑性和韧性，焊接中裂纹倾向不大。但其他马氏体不锈钢均有硬脆倾向，含碳量越高，硬脆倾向越大。因此，马氏体不锈钢焊接遇到的问题是含碳量较高的马氏体钢淬硬性导致的冷裂纹和脆化问题。

马氏体型不锈钢铬的质量分数在12％以上，还含有适量的碳和镍，以提高其淬硬性和淬透性，这种钢具有一定的耐均匀腐蚀性能。Cr能增加钢的奥氏体稳定性，即使奥氏体分解曲线右移，加入碳、镍后，经固溶再空冷也会发生马氏体转变。因此，马氏体型不锈钢焊缝和热影响区焊后状态的组织为硬脆的马氏体组织。马氏体型不锈钢导热性较碳钢差，焊后残余应力较大，如果焊接接头刚度大或焊接过程中含氢量较高，当从高温直接冷至120～100℃以下时，很容易产生冷裂纹。

实践表明，在电站建设中，几十毫米厚的厚壁马氏体不锈钢钢管2Cr12MoV采用焊条电弧焊时，很易产生冷裂纹；而在航空发动机中所使用的马氏体不锈钢薄板板厚一般小于6mm，在钨极氩弧焊时很少发现冷裂纹。也就是说，拘束度越大，越容易引起冷裂纹。这说明这种钢种虽有冷裂纹倾向，但是否发生冷裂纹还要取决于具体的焊接条件。

（3）焊接接头的硬化现象

Cr13型马氏体不锈钢以及Cr12系列的热强钢，可以在退火状态或淬火状态下进行焊接。无论焊前原始状态如何，冷却速度较快时，近缝区会出现硬化现象，形成粗大马氏体的硬化区。对于多数马氏体不锈钢（如12Cr13和Cr12WMoV），由于焊接成分特点往往使其组织处于舍夫勒焊缝组织图中的M和M＋F的边界区，在冷却速度较小时（例如12Cr13的冷却速度小于10℃／s），近缝区会出现粗大的铁素体，塑性和韧性也明显下降。所以，焊接时冷却速度的控制是一个关键措施。

超低碳复相马氏体钢热影响区中无硬化区出现。由图10-26可见，超低碳复相马氏体不锈钢对焊接热循环不很敏感，整个热影响区的硬度可以认为是基本均匀的。而淬火态焊接的20Cr13钢，在近缝区附近部位还有软化现象，硬度几乎降低一半。无论退火态的12Cr13还是淬火态的20Cr13，在近缝区都出现了硬化。