鐵素體含量的測(cè)定在定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

邵冬冬 尹建斌 過(guò)世鈞 金學(xué)峰 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院

奧氏體不銹鋼中通常含有一定數(shù)量的鐵素體，其作用具有雙重性，但在壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則和其他許多檢驗(yàn)細(xì)則中對(duì)于鐵素體含量測(cè)定的具體方法都沒(méi)有明確的規(guī)定，因此在壓力容器定期檢驗(yàn)中掌握鐵素體含量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和具體應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 奧氏體不銹鋼主要成分分析

奧氏體不銹鋼具有較好的耐蝕性、耐熱性、耐低溫性及良好的易成形性和優(yōu)異的可焊接性，在石油化工行業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。奧氏體不銹鋼主要由奧氏體相和鐵素體相組成。奧氏體相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶體間隙固溶體，其塑性好，強(qiáng)度低，具有一定的韌性。鐵素體相是溶于α-Fe的體心立方晶格間隙固溶體，相對(duì)于奧氏體相，鐵素體相強(qiáng)度較高，塑韌性較低。

鐵素體相的形態(tài)及數(shù)量顯著影響奧氏體不銹鋼力學(xué)性能、熱加工性能、焊接性能等。其中有利的影響有：鐵素體相的增加能提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度；減小奧氏體不銹鋼焊接產(chǎn)生熱裂紋的傾向；強(qiáng)化鑄造奧氏體不銹鋼等。其不利的影響有：鐵素體相的增加會(huì)降低奧氏體不銹鋼的延塑性；增大奧氏體不銹鋼鍛件熱加工裂紋產(chǎn)生傾向；使其耐點(diǎn)蝕性能下降；鐵素體相在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)轉(zhuǎn)變成為σ相使鋼變脆等。由于上述不利影響的存在，所以針對(duì)某些工況下使用的化工設(shè)備，需要對(duì)奧氏體不銹鋼材料及其焊縫金屬進(jìn)行鐵素體含量的測(cè)定，以確保設(shè)備在使用過(guò)程中的安全運(yùn)行。

2 定期檢驗(yàn)中的鐵素體含量測(cè)定

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于奧氏體不銹鋼及其焊接材料和焊縫金屬中鐵素體的合適含量還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的規(guī)定主要涉及核電站、核反應(yīng)堆、國(guó)防軍工專用設(shè)備及重要化工裝置用奧氏體鋼鑄件、焊接母材和焊材等。筆者通過(guò)總結(jié)前人的研究以及結(jié)合定期檢驗(yàn)過(guò)程中遇到的情況，總結(jié)了以下幾種情況需要著重考慮鐵素體含量測(cè)定。

2.1 防止腐蝕的需要

選擇性腐蝕的條件下使用的奧氏體不銹鋼需側(cè)貼素體含量，如尿素級(jí)不銹鋼。

尿素裝置具有高溫、高壓、易燃、易爆和易腐蝕等特點(diǎn)，屬于特別危險(xiǎn)生產(chǎn)區(qū)域。尿素生產(chǎn)中的介質(zhì)有液氨、氨水、CO2、尿素溶液和尿素甲胺溶液等，在高溫高壓條件下易對(duì)材料產(chǎn)生多種腐蝕。

尿素級(jí)不銹鋼是單相的奧氏體組織，由于成分配比和生產(chǎn)工藝控制過(guò)程的不同往往可能存在少量的鐵素體。由于鐵素體在尿素介質(zhì)中容易產(chǎn)生相的選擇性腐蝕，尿素級(jí)不銹鋼（包括焊接熔敷金屬）要求其鐵素體含量不超過(guò)0.6%。因此，在對(duì)此類設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)過(guò)程中，可以進(jìn)行相應(yīng)的鐵素體含量測(cè)定，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.2 高溫條件下使用的需要

1）高溫蠕變。當(dāng)奧氏體不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體含量達(dá)到約10FN時(shí)，會(huì)形成連續(xù)的鐵素體網(wǎng)絡(luò)，裂紋會(huì)在鐵素體-奧氏體界面上較早的起裂，從而促使在高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼發(fā)生快速的蠕變破壞。因此，對(duì)于高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼，應(yīng)控制其焊縫金屬中的鐵素體含量不大于5FN，以減少蠕變破壞的發(fā)生。

2）475℃脆化。Cr含量在15%～70%的Fe-Cr合金，在加熱到425℃～550℃溫度區(qū)間會(huì)出現(xiàn)475℃脆化現(xiàn)象，鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性明顯下降。研究表明，鐵素體不銹鋼475℃脆化傾向，隨著鋼中鐵素體形成元素（Cr、Mo、Ti、Nb、Al、Si等）含量的增加而加強(qiáng)，隨著鋼中奧氏體形成元素（Ni、Mn、Cu等）含量的增加而加強(qiáng)超過(guò)一定含量后降低。而奧氏體不銹鋼焊縫金屬的鐵素體相，實(shí)質(zhì)上是把鐵素體鑲嵌在奧氏體母體中，因此在425～550℃溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留（約5000h），鐵素體相會(huì)脆化，從而導(dǎo)致焊縫金屬的硬度增加，塑性和韌性減小。

大于550℃的短時(shí)加熱，可以消除這種脆化現(xiàn)象，但長(zhǎng)時(shí)間加熱又會(huì)引起σ相脆化。

3）σ相脆化。σ相是鉻鐵合金化合物，名義成分為FeCr，是Cr含量為20%～70%的鐵鉻合金中，由于加熱到500～800℃溫度區(qū)間停留而形成的，σ相硬而脆，當(dāng)其體積含量高時(shí)會(huì)降低韌度和延性。在全奧氏體的微觀組織中σ相析出較慢，且長(zhǎng)時(shí)間停留（一般要幾百到幾千小時(shí)）。高Cr含量會(huì)加速σ相的形成，Mo，Nb，Si，Ti等鐵素體化元素會(huì)促進(jìn)σ相形成。在奧氏體-鐵素體焊縫金屬中，鐵素體中Cr含量高于奧氏體，σ相能夠快速形成，甚至在焊后熱處理的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以形成。

σ相一般在鐵素體—奧氏體界面上形成，必須在組織中呈連續(xù)的或近似連續(xù)的分布，才會(huì)引起韌性和延性的降低。在σ相中鉻含量高于鐵素體的鉻含量，鐵素體向σ相轉(zhuǎn)變時(shí)體積上是不等量的，焊縫金屬中鐵素體含量在8FN以下時(shí)，只能轉(zhuǎn)化為4%以下的σ相，這個(gè)體積分?jǐn)?shù)不足以使焊縫脆化，盡管韌性會(huì)有一些下降。因此，當(dāng)焊縫金屬中鐵素體含量維持在8FN以下時(shí)可以避免σ相脆化的發(fā)生。

σ相在高溫時(shí)有足夠的韌性，室溫韌性低，因此高溫工作的設(shè)備，停車時(shí)要對(duì)這種脆化破壞足夠重視。

2.3 深冷條件下使用的需要

奧氏體不銹鋼在低溫下表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度，延性和韌度。而鐵素體在低溫下會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，因此對(duì)于在低溫環(huán)境中的奧氏體不銹鋼，要控制其焊縫中的鐵素體含量，減少其對(duì)焊縫金屬低溫韌性的影響。

奧氏體不銹鋼焊縫中含有少量的鐵素體就會(huì)使低溫韌度降低，當(dāng)焊縫中鐵素體含量達(dá)到10FN時(shí)，低溫韌度會(huì)下降50%。國(guó)內(nèi)外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度低于-100℃時(shí)焊縫應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2.4 確認(rèn)奧氏體不銹鋼成分的需要

在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常遇到某些對(duì)其化學(xué)成分產(chǎn)生懷疑的奧氏體不銹鋼設(shè)備，就可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鐵素體含量的測(cè)定，來(lái)初步驗(yàn)證其材質(zhì)的化學(xué)成分是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在當(dāng)前定期檢驗(yàn)中，通常針對(duì)不銹鋼設(shè)備的母材進(jìn)行鐵素體含量的測(cè)定，但實(shí)際上鐵素體含量的對(duì)于焊縫的影響比母材更大，因此針對(duì)焊縫中的鐵素體含量測(cè)定比針對(duì)母材測(cè)定更加具有實(shí)際意義。

3 鐵素體含量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

鐵素體含量的測(cè)定方法通常來(lái)講有3種，分別為磁性儀測(cè)量法、金相檢驗(yàn)法和計(jì)算法?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中最常用的是磁性儀測(cè)量法，其工作原理為：測(cè)試儀內(nèi)部線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)區(qū)域與工件內(nèi)的磁性部件相互作用，磁場(chǎng)區(qū)域的變化使得第二個(gè)線圈內(nèi)產(chǎn)生感生電壓，該電壓與鐵素體含量成比例關(guān)系，然后評(píng)估該電壓就可以得到工件內(nèi)部的鐵素體含量。所有的磁性部件，也就是說(shuō)，除了δ鐵素體，還包括其轉(zhuǎn)化形式馬氏體都能被識(shí)別。

鐵素體含量通常采用兩種表示方法，百分比含量(%)和鐵素體序數(shù)(FN)。鐵素體序數(shù)(FN)是由美國(guó)焊接研究學(xué)會(huì)(WRC)采用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)表示奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體含量獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值。百分比含量(%)與鐵素體序數(shù)(FN)的換算通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出接近于線性關(guān)系，如圖1所示。因此，鐵素體序數(shù)(FN)可以認(rèn)為與“鐵素體百分比含量”相同。

圖1 百分比含量（%）與鐵素體序數(shù)（FN）關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析，在對(duì)奧氏體不銹鋼制壓力容器的定期檢驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮其具體的制造工藝、工作環(huán)境和失效機(jī)理，掌握鐵素體相的含量調(diào)整原理和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，控制鐵素體相在特定情況下的不利作用，發(fā)揮其有利作用，對(duì)保證設(shè)備的質(zhì)量和安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

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