鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼性能的影響

周麗

（山西鋼鐵建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，山西 太原 030008）

一、引言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐低溫性、良好的形狀和優(yōu)良的附著力。不銹鋼是一種重要的系列材料，其生產(chǎn)是不銹鋼的一般生產(chǎn)，不銹鋼閥門(mén)的主要材料幾乎都是奧氏體不銹鋼，閥門(mén)行業(yè)對(duì)奧氏體不銹鋼的概念只涵蓋了化學(xué)成分和機(jī)械性能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核電站用核安全閥、核反應(yīng)堆工程專(zhuān)用閥門(mén)、國(guó)防軍工以及大型化工廠ASC 管道的重要閥門(mén)被不斷使用。因此，有必要掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測(cè)定和計(jì)算方法。

二、奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用

（一）焊接性能

焊接奧氏體不銹鋼的主要問(wèn)題是它對(duì)焊縫和受熱區(qū)域的熱裂紋和腐蝕的抵抗力，這種類(lèi)型的問(wèn)題也是奧氏體鋼使用焊接和釬焊的證據(jù)。鐵素體在奧氏體鋼體的焊接中起著極其重要的作用，為防止焊縫的裂紋（熱裂紋）硬化，在奧氏體焊縫中應(yīng)形成一定量的δ 相鐵素體（4%～12%）。δ 鐵素體是奧氏體不銹鋼（包括焊接金屬），在主要結(jié)晶過(guò)程（固化過(guò)程）中形成并保持在常溫下，由于鐵素體含碳量低，在延展性和強(qiáng)度方面與純鐵相似，但強(qiáng)度和耐久性較低。

焊接工藝實(shí)際上是在母材和焊接材料上局部進(jìn)行的焊接結(jié)構(gòu)、冶金工藝和熱處理。焊接鐵素體能有效阻止低熔點(diǎn)共晶的形成，降低分離率，抵消二次晶界，從而防止塑料在熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋?？傊?，焊縫中的δ 鐵素體對(duì)防止和減少奧氏體焊縫金屬的熱裂紋和微裂紋具有積極作用，焊接設(shè)計(jì)的焊接能力和安全性大大提高。

δ 鐵素體對(duì)焊縫有一定的負(fù)面影響，對(duì)于焊后需要在600℃以上進(jìn)行熱處理的焊縫，或在600～850℃下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的焊縫，δ 相鐵素體具有6 相四邊形晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诟邷叵妈F素體相更高。它富含Cr，使周?chē)腃r放電，使焊縫金屬變脆，在這種情況下，必須檢查焊縫的鐵素體含量在3%到8%之間，或者必須批準(zhǔn)再固溶處理以將相鐵素體重新插入基體中。焊縫適用于整個(gè)焊接區(qū)域，包括焊縫、接頭和受熱區(qū)域，奧氏體鋼的焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常因腐蝕而損壞甚至斷裂，最常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型是晶間腐蝕和強(qiáng)腐蝕。

由于鐵素體均勻分布在奧氏體晶粒之間的小孔中，削弱了奧氏體柱的晶體和枝晶的取向，使奧氏體晶粒的邊界分離，不斷混合碳化鉻析出物，防止晶間腐蝕。試驗(yàn)表明，由于鐵素體不易因腐蝕而開(kāi)裂，因此含有鐵素體的奧氏體焊縫的耐腐蝕性能優(yōu)于成分相同但鐵素體較少的奧氏體焊縫。

（二）耐腐蝕性能

焊接材料中的δ 相鐵素體（母材和焊接材料）顯著改善了球團(tuán)的防腐機(jī)制和焊接應(yīng)力和被加熱區(qū)域的腐蝕機(jī)制，根據(jù)與奧氏體不銹鋼相同的機(jī)理，在主要金屬鑄件和鍛件中加入少量鐵素體（5%～12%）有助于提高材料的穩(wěn)定性。另一方面，鐵素體含量應(yīng)限制在一些腐蝕性介質(zhì)中，例如鐵素體在尿素和醋酸等介質(zhì)中的選擇性腐蝕。

（三）力學(xué)性能和加工性能

由不銹鋼制成的鐵素體顯著影響材料的機(jī)械性能，隨著鐵素體含量的強(qiáng)度增加，而可見(jiàn)度和沖擊強(qiáng)度降低，使用此功能，可以調(diào)整鐵素體的成分，以達(dá)到材料所需的機(jī)械性能。鐵素體含量過(guò)高會(huì)干擾不銹鋼的鍛造，尤其是鍛比高的鍛件，限制垃圾填埋場(chǎng)票中的鐵素體含量（通常限制在3%至8%）是可以接受的。冷彎奧氏體鋼也是如此，如冷彎、深拉、冷壓和奧氏體壓制鋼，鐵素體含量應(yīng)進(jìn)一步限制（通常限制小于5%）。鋼制閥門(mén)的基本外殼材料（外殼和涂層），當(dāng)?shù)仄髽I(yè)通常使用CF 奧氏體鋼鑄件中的鐵素體含量不僅可用于鑄件作為主要焊接材料，以防止焊縫中的熱裂紋和微裂紋，還可防止開(kāi)裂，并發(fā)展在固化和鑄造過(guò)程中分裂和鑄造材料的力學(xué)。

三、鐵素體的形成機(jī)理

結(jié)合劑對(duì)不銹鋼材料的作用可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是適合奧氏體形成的奧氏體形成元素，另一類(lèi)是促進(jìn)鐵素體形成的鐵素體形成元素，這兩種合金的配比直接決定了奧氏體鋼的整體組織和性能。

盡管使用條件特殊，但常規(guī)不銹鋼材料中作為典型鐵素體形成元素的Cr 含量約為12%，得益于鐵碳二元圖，當(dāng)合金溫度從室溫下降到800°C 時(shí)，原來(lái)表面中心具有立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎借F素體或馬氏體結(jié)構(gòu)。“如果在上述鐵鉻合金中加入鎳或多種奧氏體元素，如果溫度降至室溫，初始高溫狀態(tài)下的奧氏體仍然可以穩(wěn)定，從而產(chǎn)生真正的穩(wěn)定性。

因此，形成合金的奧氏體元素不足以將所有高溫奧氏體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的奧氏體，一旦溫度達(dá)到室溫，只有一部分會(huì)變成奧氏體，其余部分變成鐵素體和復(fù)雜的大燈奧氏體-鐵素體，這類(lèi)鋼與純奧氏體鋼相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，由于Cr的增加，提高了奧氏體鋼的抗晶間腐蝕能力，不易產(chǎn)生熱裂紋，而且具有加工性能。

所有不同類(lèi)型的不銹鋼都是鉻含量超過(guò)12%的鐵基合金，鐵基合金在高溫（800℃以上）下的主要晶體結(jié)構(gòu)是表面集中的立方奧氏體，當(dāng)溫度下降到室溫時(shí)，體中心的晶體結(jié)構(gòu)變成立方鐵素體（或馬氏體），如果在合金中加入超過(guò)7%的Ni 或加入一種或多種形成奧氏體的元素如CN 或Mn，高溫奧氏體晶體在室溫下是穩(wěn)定的，即在室溫下為奧氏體。如果奧氏體的添加元素總量（鎳當(dāng)量）不足，在常溫下可能只有一部分是奧氏體，其余可能是鐵素體，可以得出結(jié)論，不銹鋼的組織是由合金元素的組成決定的。對(duì)于奧氏體不銹鋼的作用，合金元素的作用可分為兩大類(lèi)，即鐵素體形成元素（稱(chēng)為鉻當(dāng)量元素）和奧氏體形成元素（所謂鎳當(dāng)量元素），兩種元素之間的平衡決定了奧氏體中鐵素體的含量，構(gòu)成奧氏體的元素包括鎳、Mn、C 和N。構(gòu)成鐵素體的元素包括Cr、Mo、Si，Nb 和TiCr 是典型的鐵素體形成元素，也是不銹鋼中的重要元素，基于鐵的合金，鉻含量超過(guò)12%，Cr 的主要作用是增加耐腐蝕性和抗高氧化溫度。

Ni 是形成和穩(wěn)定奧氏體的典型元素，圖1 顯示了鎳的影響，圖中對(duì)角線上的奧氏體在指定溫度下是穩(wěn)定的，沿著這條線，鐵素體和馬氏體都具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，Ni 的作用是增加抗酸蝕能力，提高非氧化性介質(zhì)的抗腐蝕性能，提高和加工混合時(shí)材料的強(qiáng)度、彈性和優(yōu)良的綜合性能。

Mo 是促進(jìn)鐵素體形成的元素，相當(dāng)于鉻1。Mo 可以增加鈍化膜的強(qiáng)度，增加抗局部腐蝕的能力，特別耐氯離子腐蝕，可提高在硫酸、磷酸和有機(jī)酸等可再生介質(zhì)中的耐腐蝕性。Mo 還可以提高奧氏體鋼在高溫下的強(qiáng)度。由于Mo 是鐵素體元素，所以在CF3M 等不銹鋼Mo 鋼中必須相應(yīng)增加Ni 等真正元素的成分，以平衡組織。添加2.0-3.0Mo 后，Ni 含量也增加到9.0%-13，如何提高鋼的高溫特性和在強(qiáng)氧化性介質(zhì)（如煙熏硝酸）中的耐腐蝕性能，以及在安裝過(guò)程中提高鑄件性能，Nb 和Ti 在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，而Cr能與碳結(jié)合形成均勻分布在基體中的穩(wěn)定碳化物，防止碳化物形成。以防止晶間腐蝕，Nb 比Ti 具有更高的抗晶間腐蝕性能，而且Nb 還能提高奧氏體鋼在高溫下的強(qiáng)度，Nb 相網(wǎng)絡(luò)的鉻當(dāng)量可用于計(jì)算，C 是大大擴(kuò)展奧氏體區(qū)域的元素，其鎳當(dāng)量為30。碳對(duì)增加奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性有非常顯著的作用，但碳和鉻很容易結(jié)合形成碳化鉻，奧氏體晶粒被耗盡在邊界鉻中，降低了抗晶間腐蝕的能力。因此，降低碳含量是防止晶間腐蝕最有效的措施，奧氏體鋼的含碳量應(yīng)控制在0.08%（低碳）和0.03%（超低碳）以下。

N 奧氏體的重要形成和穩(wěn)定元素，鎳當(dāng)量30 顯著提高了鋼的強(qiáng)度，增加了局部耐腐蝕性（孔和裂紋腐蝕）并減少了六相析出，防止了高溫元素并提供了良好的奧氏體抗性。利用這一特點(diǎn)，美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)在過(guò)去的20 年里一直在不斷開(kāi)發(fā)含氮或可控氬的不銹鋼，含氮代表有AISI304N 和AISI304LN（含氮0.10%-0.16%），控氮鋼又稱(chēng)核鋼，如304NG.X2CND18-12（法標(biāo)RCC-M）和316NG（含氮0.06-0.10%）。這樣的新鋼級(jí)顯著提高了強(qiáng)度，提高了鋼的抗晶間腐蝕和腐蝕應(yīng)力的能力，成功解決了核熱水反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕）破壞，該型已成功應(yīng)用于核控鋼制核反應(yīng)堆（PWR）。Mn 是使奧氏體膨脹穩(wěn)定的元素，鎳當(dāng)量為0.5，N 和Mn 通常組合使用作為替代和維持Ni 的基材，Mn 可以增加N 在鋼中的硬度和溶解度，但Mn 會(huì)引起六相析出，使鋼變脆，與鋼的耐低溫性和焊接性不匹配。

四、鐵素體含量的測(cè)量方法

通過(guò)分析鐵素體成分對(duì)奧氏體不銹鋼的影響，準(zhǔn)確測(cè)量鐵素體含量對(duì)于奧氏體不銹鋼的合理應(yīng)用至關(guān)重要，目前國(guó)際上采用FN 鐵素體數(shù)量和FP 鐵素體體積比作為焊縫中鐵素體含量的代表量。國(guó)內(nèi)外常用的檢測(cè)方法：化學(xué)圖譜法、金相法和磁性法，金相法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，因?yàn)樵诎凑战y(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，必須定期檢測(cè)足夠數(shù)量的會(huì)合區(qū)域和跟蹤點(diǎn)，但這種情況下，精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，速度慢，效率低，不同檢查員的檢查結(jié)果有很大差異?？梢?jiàn)，常規(guī)金相方法由于測(cè)量精度差、測(cè)量間隔窄、測(cè)量過(guò)程困難等原因?qū)е虏怀Ｊ褂?。Atlas 化學(xué)分析法可以通過(guò)測(cè)量奧氏體和雙相不銹鋼的化學(xué)成分來(lái)確定鐵素體含量，大量的試驗(yàn)和研究表明，鐵素體含量的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值有很大的偏差，這是由于光譜本身和化學(xué)成分分析結(jié)果的誤差等諸多因素的累積影響。磁法是目前檢測(cè)鐵素體含量最完善、最方便的方法，被認(rèn)為是測(cè)量焊縫中鐵素體含量最好的方法之一，但是，鐵素體分布不僅會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要多次測(cè)量才能保證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。因此，建議采用磁法檢測(cè)奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量。

五、結(jié)論

綜上所述，鐵素體的作用是雙重的，奧氏體鋼母材和焊接材料中含有一定量的鐵素體，對(duì)于防止熱焊、增加焊縫抗晶間腐蝕和腐蝕能力起著非常重要的作用，同時(shí)鑄件中一定量的鐵素體有利于防止熱溢出和提高鑄件的機(jī)械性能，其不利影響需要在某些特定條件下進(jìn)行控制，例如高溫、超低溫和選擇性侵蝕性環(huán)境。因此，研究鐵素體在奧氏體不銹鋼中的作用，掌握鐵素體的調(diào)節(jié)、測(cè)量和計(jì)算原理非常重要，特別是對(duì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)用高參數(shù)鋼制閥門(mén)的研發(fā)。