表2-3 SA-335P91钢的主要物理性能
温度
℃ ℉ GPa
3
[8]
20 68 218
50 122 216
100 150 200 250 300 350 400 450 212 302 392 480 572 662 752 842 213 210 207 203 199 195 190 186
弹性模量 平均线 膨胀系数 比热容量 比重 热传导性
10ksi 31.6 31.3 30.9 30.5 30.0 29.5 28.9 28.3 27.0 27.0 10/℃ 0.0 10.6 10.9 11.1 11.3 11.5 11.7 11.8 12.1 12.1 10/℉ 0.0 J/kg K 440 X10kg/m7.77 W/mK
26
3
-6-6
5.9 460 26
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.7 480 490 510 530 550 570 630 650 27
27
28
28
28
29
29
29
3 SA-335P91钢焊接性分析
钢的焊接与其所含的化学成分有着很大的关系，成分决定了性能，钢的化学成分不同，其焊接性也有一定的不同，从而可以根据SA-335P91钢的化学成分来分析其焊接性。但焊接性也分为工艺焊接性和使用焊接性有所不同，两者有所不同，具体的分析下文会进行详细的分析。
3.1工艺焊接性分析
3.1.1焊接热裂纹及其影响因素
焊接热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹两种形式。结晶裂纹是在结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联系，在拉应力作用下发生开裂的裂纹[9]；液化裂纹是指近缝区或多层间部位在热循环的作用下被金属重新熔化，在拉伸力的作用下沿奥氏体晶界开裂的裂纹[9]。而焊接生产过程当中我们常遇到的热裂纹主要是结晶裂纹，因而接下来具体分析下SA-335P91马氏体钢产生结晶裂纹可能性的高低及结晶裂纹产生的影响因素。
SA-335P91马氏体钢要产生结晶裂纹的原因是液态薄膜的产生以及拉伸应力的共同作用，而液态薄膜的产生与P91钢中S、P杂质元素有关，这些杂质元素与钢中的其他元素相结合形成低熔点共晶。这些形成的共晶熔点低，在焊后冷却过程中，熔点高的先凝固，而这些低熔点共晶后凝固，在焊缝金属凝固的后期，低熔点共晶就被排挤在柱状晶交遇的中心部位，没有后续的液态金属进行补充，则会形成所谓的“液态薄膜”[9]。在焊后冷却过程中由于收缩而受到拉应力，这时焊缝薄膜就成为薄弱地带，因此液态薄膜是产生结晶裂纹的内在原因，而拉伸应力就是产生焊接结晶裂纹的必要条件[9]。
其实产生结晶裂纹的影响因素很多，但是从其本质来看的话，可以归纳为以下两个方面：冶金因素和力学因素。
（1） 冶金因素的影响。
结晶裂纹倾向的大小随着结晶区间的增大而有所增大，随着合金元素的增加，脆性温度区间和结晶温度区间都增大[9]。因而说明了产生焊接结晶裂纹的倾向增加，但不是一直增加，当钢中合金元素的含量到达某一点时，随着钢中合金元素含量的增加，其脆性温度区间和结晶温度区间反而减少[9]。当然，合金元素对焊接结晶裂纹的影响很复杂，因为SA-335P91马氏体钢中不止一两种合金元素，合金元素之间可能相互影响。下面就来对SA-335P91马氏体钢中合金元素对结晶裂纹影响做一个简单的分析。
① S、P等杂质元素
S、P与Ni、Fe可以形成低熔点共晶（Fe+FeS 988℃、Ni+Ni3S2 645℃），会导致在焊后熔池结晶过程中形成液态化薄膜；同时这些杂质元素的存在还会引起偏析，其元素具体的偏析度可以用下面的公式表达（公式3-1）：
K=[A]?[B]×100% [9] (3-1) [C]K-----元素的偏析系数（%）[9]
[A]-----开始结晶轴上某元素的质量百分浓度（%）[9] [B]-----最后结晶轴上某元素的质量百分浓度（%）[9]
[C]-----某元素在液相时的原始平均质量百分浓度（%）[9] ② C、Mn的影响
C是影响焊接裂纹的主要元素，碳元素的增加还能改变初生相，初生相可由铁素体相转化为奥氏体相，而S、P等杂质元素在铁素体和奥氏体的溶解度不一样，这样就会对焊接结晶裂纹的产生有影响。然而P91钢中的锰具有脱硫的作用，锰能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布状态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。钢种的不同，也会导致其Mn/S的比值也就不一样，由表2-1看以知道SA-335P91钢中碳含量为0.08%～0.12%，锰含量为0.30%～0.60%，硫含量小于等于0.010。当C≥0.1%时，要满足Mn/S≥22时才能有效的防止硫引起的结晶裂纹[9]。而SA-335P91的Mn/S=0.30/0.010=30＞22，由于锰元素的含量可以有效的抑制硫的有害作用，所以SA-335P91的结晶裂纹倾向不大。
③Ni元素的影响。
镍元素易和硫形成低熔点共晶（Ni+Ni3S2 645℃[9]），增大材料结晶裂纹倾向。 （2） 力学因素的影响
焊接过程中，会在焊接接头中生产焊接残余应力。在力的作用下，会产生塑性变形。当焊缝结晶时脆性温度区间内的塑性小于其金属所能承受的拉伸应变时，焊接接头就会产生焊接结晶裂纹[9]。
可以通过热烈敏感系数HCS来衡量材料的结晶裂纹倾向，计算公式见下（公式3-2）：
C?[S?P?(Si/25?Ni/100)]HCS=×103 [9] （3-2） 3Mn?Cr?Mo?V 将表2-1中SA-335P91的各元素含量带入公式3-2得出： 0.1?[0.01?0.02?(0.3/25?0.4/100)] HCS=×103 3?0.45?9.0?0.2?9.0 =0.235＜4 HCS----热裂纹敏感系数
当HCS小于4时，材料结晶裂纹倾向较小，因而SA-335P91马氏体钢产生热裂纹的可能性很小。实际焊接生产过程中，施工的焊接工艺、焊件本身的刚度或拘束度、焊缝坡口等对焊接热裂纹都有一定的影响[9]。所以在焊接时特别是根部焊缝焊接时应采用小的线能量、适中的焊接速度、较大的焊缝成型系数，以防止结晶裂纹的产生[9]。
3.1.2 再热裂纹
再热裂纹多发生在厚板结构焊件，以及钢内含有沉淀强化合金元素的钢材，钢结构在一定的温度下或在进行消除应力热处理过程中，会在其焊接热影响区的粗晶区间发生裂纹，这就是在热裂纹。然而我们在判断一个钢种是否会发生在热裂纹时，我们可以由四个方面去判断，即沉淀强化元素、粗晶区、应力集中、温度区间。
判断某一钢是否发生再热裂纹很容易，但弄清楚的发生再热裂纹的机理却不是那么的容易，因为再热裂纹发生的机理目前有几个理论，人们对其存在着不同的看法。主要有晶内二次沉淀强化理论、晶界杂质析集弱化理论、蠕变断裂理论。下面就对每一个理论作具体的分析[9]。
（1）晶内二次沉淀强化理论[9]
由表2-1的SA-335P91钢的化学成分表的得知P91钢中含有的铬、铌等碳、氮化物形成元素，这些碳化物、氮化物在二次加热在热处理时，这些原来固溶在晶内的碳化物、氮化物从晶内析出，这样一来强化了晶内，当应力松弛时产生的变形就集中在晶界，当晶界的塑性不够时，再热裂纹就此产生。同时通过建立的经验公式来评估SA-335P91钢的再热裂纹的敏感性[9]。
△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2[9] （3-3） 将表2-1中的元素含量百分比带入公式（3-3）中得： △G=9.0+3.3×0.9+8.1×0.20-2=11.59% △G＞0，易裂。 △G1= Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2[9] （3-4） 将表2-1中的元素含量百分比带入公式（3-4）中得：
△G1=9.0+3.3×0.9+8.1×0.20+10×0.1-2=12.59% △G1＞2，易裂。 PSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2[9] （3-5） 将表2-1中的元素含量百分比带入公式（3-5）中得：
PSR=9.0+0.0+2×0.9+5×0.0+7×0.08+10×0.2-2=11.36% PSR＞0，易裂。 （2）晶界杂质析集弱化理论
晶界杂质析集弱化理论是指再热裂纹产生的原因是SA-335P91钢中存在S、P等杂质元素，在500-600℃热处理时这些元素会向晶界析集，这样一来就降低了晶界的塑性变形能力，当再热过程接头应力松驰晶界变形量大于晶界本身的塑性变形能力时，就会产生再热裂纹。
（3）蠕变断裂理论
SA-335P91钢在高温环境长时间的服役。会发生蠕变。其蠕变的机制有两种，分别为空位聚集产生开裂和应力集中产生的锲形开裂。应力集中产生的锲形开裂是发生在三晶粒的交界处产生了应力集中，当其产生的应力超过三晶粒晶界之间的结合能力时就会发生开裂[9]。其锲型开裂的模型见下图的图3-1。而空位聚集产生开裂的原理是当空位与其应力方向垂直并且数量达到一定的程度是，其晶界的结合面就会被破坏。当应力一直作用时，就会形成裂纹。其空位聚集产生开裂的模型见图3-2。
[9]
图3-1锲型开裂的模型
[9]
图3-2 空位聚集产生开裂的模型
[9]
由于有几个理论来分析再热裂纹，但是也不够全面，因为影响产生再也裂纹的因素太多，比如冶金因素和焊接工艺因素的影响，因此可以通过建立的产生再热裂纹临界应力的公式进行简单的分析。
σcr=（20.7-4.25CSR-4.7）×9.8[9] （3-6） CSR=32C+0.5Cr+Mo+11V[9] （3-7） 将表2-1中的元素含量百分比带入公式（3-7）中得： CSR=32×0.1+0.5×9.0+0.9+11×0.20=10.8% 然后将所算得的值带入公式（3-6）得：
σcr=（20.7-4.2510.8-4.7）×9.8 =110（N/mm2） 当σ≥100时，发生开裂，既要发生开裂。 σcr-----产生再热裂纹临界应力（N/mm2）[9] σ------P91管的实际拘束应力
[9]
3.1.3 热影响区的软化
SA-335P91马氏体耐热钢的供货状态为正火＋回火，即调质处理。其规范为正火1050℃+回火760℃[1]。焊接时，焊接热影响区的温度T如果在T回＜T＜Ac3这个范围内将会产生软化现象。焊接时，细晶热影响区所经受的温度稍高于AC3，临界热影响区所经受的温度在AC1～AC3之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化相对较短时高温拉伸强度影响不大，但会降低持久强度，