1.马氏体高铬耐热钢的焊接性

马氏体高铬耐热钢基本上是Fe-Cr-C系合金。通常w（Cr）＝11％～18％。为提高其热强性，还加入W、Mo、V、Nb等合金元素。马氏体耐热钢与马氏体不锈钢不同，由于碳含量较高，其在所有实际的冷却条件下均转变为马氏体组织。图8-29示出21Cr12MoV高铬耐热钢的连续冷却转变图。由图示曲线可见，即使在较低的冷却速度下，也会产生淬火而形成硬度很高的马氏体组织。这种钢的奥氏体化温度为1050℃。从该温度快速冷却时，形成全马氏体组织。而快速加热到820～960℃温度区间，奥氏体的转变则是不完全的。从该温度区间连续冷却时，最终形成铁素体和马氏体显微组织。

在高铬耐热钢中，铬含量对钢的焊接行为有明显的影响。当w（Cr）从11％增加到17％时，钢的淬硬特性会发生重大变化。当钢的w（C）在0.08％以上时，则12％铬钢的焊接热影响区为全马氏体组织，而当铬含量提高到15％（质量分数）时，由于铬具有稳定铁素体的作用，将阻止其完全转变为奥氏体，残留部分未转变的铁素体。这样在快速冷却的焊接热影响区内，只有一部分组织转变为马氏体，其余为铁素体。在马氏体组织中存在较多的铁素体，将降低钢的硬度和冷裂倾向。

图8-29 21Cr12MoV高铬耐热钢连续冷却转变图

图8-30 铬和碳含量对高铬钢奥氏体区范围的影响

马氏体高铬钢可在退火、消除应力处理、回火或淬火＋回火状态下焊接。焊接热影响区的硬度主要取决于钢的碳含量。当w（C）超过0.15％时，热影响区硬度急剧提高、冷裂纹敏感性加大，韧性下降。由于这类钢的热导率较低，导致热影响区的温度梯度更为陡降，加上马氏体转变时的体积变化，引起了较高的相变应力，从而进一步加剧了冷裂倾向。

马氏体耐热钢焊接接头在焊态下的工作能力，取决于热影响区的综合力学性能，包括硬度和韧性之间的适当匹配。但这点往往是相当困难的。为保证马氏体耐热钢焊接接头的使用可靠性，通常规定作焊后热处理。

2.铁素体高铬耐热钢的焊接性

铁素体高铬耐热钢是一种低碳型的Fe-Cr-C系合金。为阻止加热时奥氏体的形成，在钢中加入了Al、Nb、Mo和Ti等铁素体稳定元素。图8-30示出铬和碳含量对高铬钢奥氏体区范围的影响。从中可见，随着铬含量的增加、碳含量的降低，奥氏体区逐渐缩小。当w（Cr）＞17％或w（C）＜0.03％时，钢中不可能再形成奥氏体，而为纯铁素体组织。因此这些钢不可能被淬硬，冷裂倾向较小。但标准型铁素体高铬耐热钢焊接接头过热区有晶粒长大倾向，使接头的韧性和塑性下降。为改善其焊接性，在降低钢的碳含量同时，添加少量Al[w（Al）＝0.2％]，以阻止在高温区内奥氏体的形成和晶粒过分长大。

在某些铁素体高铬钢中，在820℃以上温度可能形成少量的奥氏体。从高温冷却时，奥氏体将转变为马氏体，造成轻微的淬硬。因为钢的组织内只有一部分马氏体，其余均为“软”的铁素体，不可能由马氏体相变应力引起裂纹的形成。但由于马氏体主要沿铁素体晶界分布，对接头的塑性起不利的作用。对于这些铁素体高铬钢，焊后最好在760～820℃温度范围内作退火处理。

改善铁素体高铬耐热钢焊接性的最新方法是降低钢中间隙元素（C、N、O）的含量，提高钢的纯净度，并加入适量的铁素体稳定元素，这样可完全避免马氏体的形成。在一般情况下，这种高铬耐热钢焊前无需预热，焊后可不作热处理。在焊态下，接头具有较好的塑性和韧性。

w（Cr）＞17％的高铬钢，在450～525℃之间的温度下加热，可能由于沉淀过程产生475℃脆变。如焊件在上述温度区间长时高温运行，铬含量较低的耐热钢[w（Cr）≈14％]也倾向于475℃脆变。

w（Cr）＞21％的铁素体耐热钢，在600～800℃温度范围内长时间加热将促使金属间化合物σ相的形成，其性质硬而脆，硬度高达800～1000HV，由w（Cr）＝52％，w（Fe）＝48％组成。如果钢中含有Mo、Ni、Si等合金元素，则σ相可能具有较复杂的成分。σ相的形成速度，取决于钢中铬含量和加热温度。在800℃高温下，σ相的形成速度可能达到最高值。在较低的温度下，σ相的形成速度逐渐减慢。不过，σ相转变和475℃脆变都是可逆的。σ相可以通过850～950℃的短时加热，随后快速冷却来消除。475℃脆变可在700～800℃温度下短时加热，紧接水冷即可消除。

铁素体高铬耐热钢焊接接头热影响区内，由于焊接高温的作用，不可避免会形成粗晶。晶粒长大的程度，取决于所达到的最高温度及其保持的时间。粗晶必然导致焊接接头过热区韧性的下降。因此铁素体高铬耐热钢焊接时，应尽可能采用低的热输入，即选用小直径焊条，低的焊接电流，窄焊道技术，高焊速和多层多道焊工艺等。

3.奥氏体耐热钢的焊接性

奥氏体耐热钢的焊接性与奥氏体不锈钢基本相同。总的来说，这类钢由于塑性和韧性较高，且不可淬硬，具有较好的焊接性。奥氏体耐热钢焊接的主要问题有：铁素体含量的控制、焊接热裂纹和σ相脆变。其中焊接热裂纹已在“奥氏体不锈钢的焊接性”一节中作了较详细的论述，本节主要讨论其他两个问题。

（1）铁素体含量的控制 奥氏体耐热钢焊缝金属中的铁素体含量关系到抗热裂性、σ相脆变和热强性能。从提高焊缝金属抗裂性出发，要求焊缝金属组织中含有一定量的铁素体；但从防止σ相脆变和提高热强性考虑，铁素体含量越低越好。

图8-31 铁素体含量对奥氏体铬镍钢焊缝金属力学性能的影响

各种不同合金成分的铬镍奥氏体钢焊缝金属，在焊态下的铁素体含量可按图8-19铬镍钢焊缝金属组织图来确定。在计算焊缝金属铬、镍当量时，应计及母材对焊缝金属的稀释率。此外还应考虑焊接熔池的冷却速度。随着冷却速度的提高，焊缝金属中铁素体含量减少。

铁素体含量对奥氏体铬镍钢焊缝金属的力学性能的影响示于图8-31。从中可见，随着铁素体含量的增加，奥氏体铬镍钢焊缝金属的常温抗拉强度提高，塑性下降，然而高温短时抗拉强度，高温持久强度及低温韧性随之明显降低。因此对于奥氏体耐热钢焊接接头，应当严格控制其铁素体含量。在某些特殊应用场合，可能要求采用全奥氏体焊缝金属。(www.daowen.com)

（2）σ相脆变 铬镍奥氏体钢及其焊缝金属，在高温持续加热过程中也会发生σ相脆变。σ相的析出温度范围为650～850℃。Cr18Ni8型奥氏体钢在700～800℃温度下，Cr25Ni20型奥氏体钢在800～850℃温度下，σ相的析出速度最快。在Cr18Ni8型铬镍钢中，当温度超过850℃时，σ相不再形成。Cr25Ni20型铬镍钢在800℃以上温度加热时，σ相的析出速度要缓慢得多；在900℃以上高温下，σ相不再析出。

焊缝金属与轧制材料不同，在奥氏体组织内，总是含有一定量的铁素体。在高温加热过程中，铁素体将逐渐转变为σ相。随着转变温度的提高，σ相倾向于球化。在某些奥氏体钢焊缝金属中，σ相也能直接从奥氏体中析出，或者在奥氏体晶体内以魏氏组织形式析出。

σ相的析出速度在很大程度上取决于金属的原始组织和加热过程的特性参数。σ相从铁素体转变的速度，要比从奥氏体转变快得多。奥氏体钢在高温加热过程中，如产生塑性流变或经受一定的拉应力，则可大大加快σ相的析出。

在奥氏体钢中，σ相析出的原因可能与温度升高时碳化物的溶解有关。由于碳和铬的扩散速度不同，当碳化物溶解时，会形成一高铬区，σ相可能就在这一区域析出。

σ相对奥氏体钢的性能产生不利的影响，主要是促使缺口冲击韧度明显降低。图8-32和图8-33分别示出高温持续加热对Cr18Ni8型和Cr25Ni20型奥氏体钢及其焊缝金属冲击韧度的影响。σ相对钢材性能危害的程度取决于它的形状、尺寸和分布形式。此外，σ相对铬镍奥氏体钢的抗高温氧化性和接头的高温蠕变强度也产生一定的有害影响。因此必须采取相应措施。控制奥氏体焊缝金属中σ相转变。

图8-32 700℃长时加热对Cr18Ni8型钢及其焊缝金属冲击韧度的影响

a）母材 b）焊缝金属

注：上、下两条曲线是试验结果上、下限连线，表明存在离差带。

防止奥氏体钢焊缝金属σ相形成的最有效措施是调整焊缝金属的合金成分，严格限制Mo、Si、Nb等加速σ相形成的元素，适当降低Cr含量，并相应提高Ni含量。例如Cr23Ni22合金系奥氏体钢对σ相的敏感性，比Cr25Ni20型奥氏体钢要低得多。在焊接工艺方面应采用低的热输入。焊后焊件应避免在600～850℃温度区间进行热处理。

4.沉淀硬化高合金耐热钢的焊接性

沉淀硬化高合金耐热钢的焊接性与沉淀硬化不锈钢的焊接性基本相似。这些钢不仅具有高的热强性和抗氧化性，而且具有较高的塑性和断裂韧性。沉淀硬化是加入到钢中的Cu、Ti、Nb和Al等元素促成的。这些附加成分在固溶退火或奥氏体化过程中溶解，在时效热处理时，析出亚显微相，提高了基体的硬度和强度。沉淀硬化耐热钢按其基体组织可分为三类，马氏体、半奥氏体和奥氏体沉淀硬化耐热钢。

大多数马氏体沉淀硬化耐热钢约在1040℃温度下固溶处理，此时其组织主要为奥氏体。淬火时，奥氏体在150～95℃温度区间转变为马氏体。时效处理的温度范围为480～620℃。

图8-33 800℃长时加热对Cr25Ni20型钢及其焊缝金属冲击韧度的影响

a）母材 b）焊缝金属

注：1.曲线A的时间横坐标为10～50h；曲线B为100～1000h。

2.1、2表示不同成分的25CrNi20焊缝金属。

半奥氏体沉淀硬化耐热钢在固溶处理或退火状态的组织为奥氏体＋δ铁素体。δ铁素体所占的比例最大可达20％。这类钢通过三道热处理强化：①固溶处理；②冰冷处理；③时效硬化处理。固溶处理的温度范围为732～954℃；冰冷处理温度在－70℃以下，可使30％的奥氏体转变为马氏体；时效处理的温度范围为454～538℃加热3h后空冷，其作用是使马氏体回火，进一步提高钢的强度和韧性。对于某些半奥氏体沉淀硬化钢，例如美国钢种AM350和AM355，在时效处理之前，加一道调整处理，即在774℃加热2～4h，空冷。其目的是在已形成的马氏体上，或在δ铁素体边界上沉淀碳化物，并使部分残留的奥氏体转变为马氏体。

沉淀硬化奥氏体耐热钢的合金含量较高，足以使固溶处理后，或任何时效硬化处理后，保持奥氏体组织。沉淀硬化奥氏体钢的热处理比较简单：先作固溶处理，即加热到1100～1120℃，然后快速冷却；接着在650～760℃温度范围内时效处理。在时效过程中，Al、Ti、P等元素会形成金属间化合物而使钢明显强化。

虽然沉淀硬化奥氏体钢在成形、焊接、热处理之后总是保持奥氏体组织，但为产生沉淀硬化而加入钢中的某些元素，会对钢的行为产生不利的影响。例如Cu、Nb、Al和P等合金元素，可能在晶界上形成低熔点化合物，使钢具有红脆性及热裂倾向。某些钢种还可能对焊接热影响区的再热裂纹相当敏感。对于这些沉淀硬化耐热钢，必须选用低的焊接热输入和特种焊条，拟定适当的焊后热处理工艺。

上述三类沉淀硬化耐热钢焊接的共性问题是，为保证接头的力学性能和断裂韧性，焊件在焊后应作完整的热处理。对于大型或结构复杂的焊件，应在焊前先作固溶处理，焊后再作时效硬化处理。