焊接时，母材未熔化但受热影响的区域称为 热影响区（HAZ）

HAZ的组织变化直接影响接头性能——有的区段变脆，有的区段变细

🔥 核心问题：

1. 哪个区段的组织性能最好？

2. 哪个区段最容易产生裂纹？

3. 易淬火钢与不易淬火钢各区的对应关系？

焊接热影响区温度分布与组织分区

不易淬火钢（如低碳钢）：

• 过热区（1区）：晶粒粗大，韧性差

• 正火区（2区）：晶粒细化，性能最好 ✓

• 不完全重结晶区（3区）：晶粒不均，性能较差

• 母材（4区）：基本不受影响

易淬火钢（如合金钢）：

• 淬火区（5区）：马氏体组织，硬而脆

• 不完全淬火区（6区）：马氏体+铁素体混合

• 回火区（7区）：回火软化组织

• 再结晶区（4区）：同不易淬火钢

合金钢热影响区组织分布

焊接过程产生很大残余应力，导致变形甚至裂纹。

① 热应力：焊缝和热影响区不均匀加热冷却，涨缩不均产生的内应力

② 组织应力：相变时体积变化产生的应力（如奥氏体→马氏体体积膨胀）

③ 拘束应力：焊接结构本身拘束条件造成的应力

⚠️ 后果：应力足够大时 → 焊接热裂纹（施焊时）→ 残余应力 → 冷裂纹/脆断

裂纹是焊接结构中最危险的缺陷——会扩展！

热裂纹：施焊时产生。条件：合金成分和杂质（C、S、P）形成低熔点组织

　　→ 含碳量>0.15%、硫>0.04%就可能出现

冷裂纹：焊件冷却到接近室温时产生。主要发生在热影响区

　　→ 三大因素：淬硬组织 + 扩散氢 + 残余应力

再热裂纹：焊后再加热（热处理、多层焊、高温运行）时产生

　　→ 低合金钢和奥氏体不锈钢中常见

气孔：熔池吸收过量气体，冷却时来不及逸出形成空穴。削弱承载面积，降低强度塑性。

夹渣：焊缝内残留溶渣或非金属夹杂物。危害类似气孔。

未熔合：填充金属与母材或层间没熔合在一起

未焊透：接头根部母材未完全熔透

⚠️ 未熔合 vs 未焊透哪个更危险？

　　→ 两者都造成应力集中，危害性很大，焊缝中一般不允许存在！

咬边：焊缝边缘凹陷。原因：电流过大、电弧过长、焊条角度不对。立/横/仰焊易产生。

　　→ 严重时产生应力集中，引起裂缝。重要构件不允许存在。

焊瘤：熔化金属流淌到未熔化母材上形成的金属瘤

凹陷（弧坑）：收弧时焊缝表面低于母材

烧穿：熔化金属从焊缝背面流出形成穿孔

💡 口诀：电流太长咬边起，收弧太快有弧坑

热处理的核心：加热 → 保温 → 冷却，改变内部组织，改变性能

四把火的区别主要在于冷却方式：

• 退火：随炉缓慢冷却 → 硬度最低，消除应力

• 正火：空气中冷却 → 晶粒细化，强度适中

• 淬火：水或油中快速冷却 → 硬度最高，但脆

• 回火：淬火后重新加热到低温 → 消除脆性，稳定尺寸

💡 记忆口诀：退软正细淬最硬，回火跟着调性能

热处理工艺温度-时间曲线

退火：加热→保温→缓慢冷却（随炉冷）

　　目的：降低硬度，细化晶粒，提高塑韧性，消除内应力

　　应用：铸件、锻件、焊接件的预先热处理

正火：加热到Ac3或Acm以上30~50℃→保温→空冷

　　冷却速度比退火快，珠光体增多，组织更细

　　强度、硬度、韧性均比退火高一些

　　应用：改善切削性能、作为淬火前的预备热处理

🔥 考试要点：正火冷却快 → 组织更细 → 性能更高

淬火：加热到Ac3或Ac1以上→保温→大于临界淬火速度冷却

　　→ 得到马氏体或贝氏体为主的组织

目的：提高强度、硬度、耐磨性

后续必须：淬火后必须回火！否则太脆不能用

⚠️ 注意：

• 冷却速度不够 → 硬度不足

• 冷却速度过快或工件形状复杂 → 变形与开裂

• 加热温度不够或保温不足 → 软点

回火：淬火后加热到低于相变临界点→保温→冷却

　　目的：降低脆性，消除内应力，稳定尺寸，获得所需性能

① 低温回火（150~250℃）：回火马氏体

　　→ 保持高硬度高耐磨，降低内应力脆性。用于工模具钢

② 中温回火（350~450℃）：回火屈氏体

　　→ 高弹性极限+屈服极限+韧性。用于弹簧、轴套

③ 高温回火（500~650℃）：回火索氏体

　　→ 强度硬度塑性韧性兼顾。淬火+高温回火 = 调质处理

　　用于连杆、螺栓、齿轮等重要零件

① 变形与开裂

　　淬火时热应力+组织应力超过屈服强度→变形；超过极限强度→开裂

② 氧化和脱碳

　　加热时表面生成氧化铁皮（氧化）；表层碳被氧化成CO2（脱碳）

③ 硬度不足与软点

　　加热温度不够、保温时间不足、局部冷速不足

④ 过热和过烧

　　过热：加热温度过高/保温过长→晶粒粗大。可重新淬火消除

　　过烧：晶界局部熔化/氧化。工件报废！无法挽救

核电设备对材料要求极其严苛，需同时满足：

① 机械性能：强度、韧性、疲劳性能

② 耐热性：高温下的持久强度、蠕变性能

③ 物理、化学性能：导热性、耐腐蚀性

④ 核性能、辐照性能：低中子吸收截面、抗辐照脆化

⑤ 经济性：可加工性、成本可控

⑥ 工艺性能：焊接性、铸造性、锻造性

💡 核心矛盾：堆芯材料要耐辐照、耐腐蚀、耐高温，还要中子经济性

🔥 规律：安全等级越高 → 材料性能要求越严苛

核电设备用材料分类表

交货状态：核电设备材料都应以热处理状态交货

• 奥氏体不锈钢 → 固溶处理

• 低合金钢 → 调质处理

金相检查包括两方面：

① 晶粒度测定（分1~8级）

　　4级以下 = 粗晶粒　|　5级以上 = 细晶粒

　　核电材料一般要求 5级或更细

② 非金属夹杂物测定（分1~5级）

　　1级最少　|　5级最严重

　　核电材料要求各类夹杂物分别 不超过2级

燃料组件

• 核燃料：二氧化铀（低加浓度）粉末冷压烧结成正圆柱体

• 包壳管/导向管：锆合金（Zr-4）

• 中子吸收材料：银-铟-镉合金

• 定位格架：GH169A（Inconel 718）

• 通量测量管/导向管：奥氏体不锈钢

堆内构件

• 吊兰筒身、栅隔板、流量分配板、围板 → 304L或316L不锈钢

• 压紧弹簧 → 1Cr13或1Cr13Mo

承压容器（反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵壳体）

• 大多采用锻件制造

• 材料：低合金钢 SA508 CL3

• 秦山一期蒸汽发生器、稳压器：S271钢锻件

主管道

• 直管：离心铸造，Z0CrNi11Mo2（SA451-CPF8M）

• 弯管：砂型铸造，同上材料

• 安全端：锻造，316不锈钢

传热管

• 蒸汽发生器传热管：Inconel 600 / 690 / Incoloy 800

• 冷凝器传热管：钛管

驱动机构

• 耐压壳：锻棒机加工，316不锈钢（0Cr18Ni12Mo2Ti）

• 环形杆：棒材，1Cr17Ni7Al不锈钢

• 磁极：锻件，0Cr13不锈钢

螺栓连接件

• I级承压设备螺栓：锻棒，低合金钢 SA540 B24G（40CrNiMo）

• II级承压设备螺栓：棒材，碳钢 42CrMo / 42CrMoV

• 堆内构件螺钉：棒材，Inconel 718 或 321不锈钢

安全壳

• 衬里：板材，碳钢 SA516（16MnR、16MnHR）

定义：在拉应力与特定腐蚀介质联合作用下引起的低应力脆性断裂

特点：

• 可在低应力或弱腐蚀介质中发生

• 事先无明显变形预兆，突发脆性断裂

• 不论塑性材料还是脆性材料都可能发生

发生条件（三要素）：

① 拉应力　② 特定的腐蚀环境　③ 材料本身对腐蚀的敏感性

💡 防护措施：使用两相不锈钢（奥氏体+少量铁素体）是有效措施

敏化温度区间：450~850℃（焊缝及热影响区最易发生）

机理：

① 焊接加热 → 碳和铬从晶粒内部向晶界扩散

② 晶界上生成碳化铬（Cr4C）

③ 晶界铬含量下降到13%以下 → 贫铬

④ 失去防腐作用 → 晶界被迅速腐蚀

后果：晶间失去强度 → 应力作用下迅速产生晶间断裂

🔥 考试高频：敏化区 = 450~850℃，对应焊接热影响区

① 加入稳定化元素

　　加钛(Ti)或铌(Nb)，减少形成碳化铬的可能性

　　• 稳定化处理：850~900℃保温→快冷，使碳固定在碳化钛/碳化铌中

　　• 固溶处理：1050~1100℃保温→快冷至427℃以下，碳在奥氏体中固溶

② 降低含碳量

　　超低碳（≤0.04%C）不锈钢晶间腐蚀倾向非常小

③ 工艺措施

　　控制危险温度区停留时间，快焊快冷，使碳来不及析出

点腐蚀：局部腐蚀，在含Cl-、Br-的介质中产生

　　→ 增加Cr、Mo、Ni含量可提高抗点腐蚀性能

腐蚀防护四大途径：

① 改变材料本身

　　• 钼(Mo) 4%~6%　• 钛(Ti) 稳定化

② 表面保护

　　• 化学转化膜、有机涂层、电镀、化学镀

③ 改变腐蚀介质

　　• 缓蚀剂、氮气、无氧水、联氨

④ 电化学保护

　　• 阴极保护、阳极保护

疲劳：交变载荷长时间作用下失效

　　阶段：裂纹萌生 → 疲劳扩展 → 瞬时断裂

　　每一循环积累微观缺陷 → 萌生疲劳裂纹 → 慢慢扩展 → 破坏

腐蚀疲劳：腐蚀介质 + 交变应力的组合作用

　　→ 比单一作用更严重，加速裂纹萌生和扩展

　　→ 反应堆冷却剂会加速疲劳过程

过载：工作应力偶尔超过疲劳极限（如急刹车、启动）

冲蚀：固体/液体/气体动态撞击导致表面磨损

　　例：汽轮机叶片被凝结水滴撞击，弯管受水流冲蚀

气蚀：流动液体中气泡撞击破裂形成的振动波引起局部磨损

　　例：泵和阀门的气蚀

流动加速腐蚀（FAC）

　　腐蚀性介质流体在局部形成湍流，加快氧化膜溶解

　　化学/电化学反应速度大增 → 局部腐蚀迅速加快

⚠️ 核电厂中：FAC是碳钢和低合金钢管道的重要失效模式

脆性断裂

• 延性/韧性很小的断裂，突发性强

• 影响因素：材质、缺陷、应力状态、残余应力、工作环境

• 按断裂途径分：穿晶断裂（穿过晶粒）和沿晶断裂（沿晶界）

蠕变

• 金属材料长时间在高温下承受载荷，即使应力远小于屈服极限

　　也会逐渐产生塑性变形 → 形状和尺寸变化

• 核电站高温部件（如蒸汽发生器传热管）需考虑蠕变寿命

磨损

• 摩擦作用下表面物质消耗和尺寸变化

定义：I型裂纹受拉伸应力时测得的临界应力强度因子

　　符号：KIC

物理意义：

• KIC值越大 → 材料抵抗裂纹失稳扩展的能力越强

• KIC是材料抵抗脆性断裂的免疫力指标

🔥 考试要点：KIC ↑ = 抗断裂能力 ↑

① 安全评估

　　估算含裂纹构件的安全性和寿命，确定裂纹长度极限

② 安全设计

　　以断裂力学为指导进行结构设计

③ 事故分析

　　分析断裂事故原因，提出改进措施

④ 材料与工艺选择

　　合理选择材料和工艺，发展新材料/新工艺/代用材料

⑤ 安全性评价

　　利用KIC值对具体构件进行安全性评价