201不銹鋼板、202不銹鋼板、304不銹鋼板廠家無錫鑫晟榮不銹鋼2020年2月21日訊  介紹了奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用和測(cè)量方法，分析了奧氏體不銹鋼中鐵素體形成機(jī)理，重點(diǎn)闡述了采用不銹鋼組織圖和合金元素鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量控制奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的計(jì)算方法。

1 概述

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，是不銹鋼系列材料中重要的一類，其產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的 70%。不銹鋼閥門主體材料幾乎全部采用奧氏體不銹鋼，而閥門行業(yè)對(duì)奧氏體不銹鋼的認(rèn)識(shí)水平，還僅涉及其化學(xué)成分和力學(xué)性能方面。隨著科技進(jìn)步，在核電站、核反應(yīng)堆工程用核安全級(jí)閥門、國防軍工用特種閥門以及大型化工裝置中“SHA 級(jí)”管道重要閥門，都相繼對(duì)奧氏體不銹鋼焊接母材和焊縫中的鐵素體含量進(jìn)行了規(guī)定。因此，必須掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測(cè)量和計(jì)算方法。

2 奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用

分析奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用是十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)，只有通過深入的研究，充分的了解和掌握鐵素體的正面（有利）和負(fù)面（不利）的作用，才能正確的加以利用或控制。奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用，對(duì)閥門來講，最重要的方面是對(duì)焊接性能的影響，其次是對(duì)材料耐腐蝕性能、力學(xué)性能和加工性能的影響。

2.1 含量

不銹鋼閥門的承壓件（閥體、閥蓋和閥瓣）大部分材料采用 ASTM A351 中的 C F類不銹鋼鑄件和 ASTM A182 中的 F304 和 F316 類不銹鋼鍛件，其屬于 18-8 型和 18-12 型（其數(shù)值表示 Cr 和 Ni 的大致含量）奧氏體不銹鋼。

不銹鋼按晶體結(jié)構(gòu)分為奧氏體、鐵素體和馬氏體。奧氏體具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，無磁性。鐵素體具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，有磁性。應(yīng)當(dāng)指出，冶金產(chǎn)品稱謂的奧氏體不銹鋼，并不表明它的組織結(jié)構(gòu)必須是 100% 的奧氏體。在不銹鋼閥門和零件驗(yàn)收時(shí)，?？梢姷接么盆F來吸引被檢測(cè)物體，若出現(xiàn)有弱磁性就以此認(rèn)為產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，其實(shí)這是對(duì)奧氏體不銹鋼的一種誤解，這種做法往往容易造成錯(cuò)誤判斷。

奧氏體不銹鋼中通常都會(huì)有一定數(shù)量的鐵素體。依據(jù)《金屬手冊(cè)》中第三卷《性能與選擇：不銹鋼》，在《鑄造不銹鋼的性能》中指出：對(duì)于 CF 類鑄造不銹鋼，通常具有 5% ~ 25% 的鐵素體。為此，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）將閥門用奧氏體不銹鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)的名稱定義為 ASTM A351《承壓件用奧氏體奧氏體-鐵素體（雙相）鑄鋼》。

2.2 焊接性能

奧氏體不銹鋼在焊接中的主要問題是焊縫和熱影響區(qū)的熱裂紋以及耐蝕性，這類問題也是奧氏體鋼工藝焊接性和使用焊接性的指標(biāo)。

2.2.1防止焊縫的熱裂紋

奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體起著極其重要的作用。奧氏體不銹鋼焊縫中常常需要形成一定數(shù)量 δ 相鐵素體（4% ~ 12%），以防止焊縫產(chǎn)生凝固裂紋（熱裂紋）。δ 鐵素體是奧氏體不銹鋼（含焊縫金屬）在一次結(jié)晶過程（凝固過程）中生成并保留至常溫的鐵素體。由于鐵素體含碳量很低，性能與純鐵相似，有良好的塑性和韌性，低的強(qiáng)度和硬度。鐵素體的有利作用是對(duì) S、P、Si 和 Nb 等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶，從而阻止凝固裂紋產(chǎn)生。

焊接過程實(shí)際上是一個(gè)在焊接結(jié)構(gòu)上，母材金屬與焊材局部進(jìn)行的冶金和熱處理過程。焊縫中的鐵素體可以有效的阻止低溶點(diǎn)共晶生成和減少偏析程度以及二次晶界的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，因而可防止熱影響區(qū)裂紋和高溫低塑性裂紋?？傊?，焊接中的 δ 鐵素體對(duì)防止和降低奧氏體焊縫金屬的熱裂紋和微裂紋作用是肯定的，它顯著的改進(jìn)了焊接性，提高了焊接結(jié)構(gòu)的安全程度。

δ 鐵素體在焊縫中具有一定的負(fù)作用。對(duì)于焊后需要 600℃以上熱處理的焊件或長期在 600 ~ 850℃溫度下工作的焊件，由于在上述高溫下 δ 相鐵素體會(huì)析出 б 相鐵素體，б 相具有四方結(jié)晶構(gòu)造，且富含 Cr 造成周圍 Cr 的貧化，引起焊縫金屬的脆化。此時(shí)應(yīng)將焊縫鐵素體的含量控制在 3% ~ 8%，或者采用重新固溶處理，將 б 相鐵素體溶解回基體中。

2.2.2改善焊接接頭的耐蝕性

焊接接頭是指整個(gè)焊接區(qū)，包括焊縫和熔合區(qū)以及熱影響區(qū)。奧氏體鋼的焊接結(jié)構(gòu)常常因?yàn)楦g而損壞甚至報(bào)廢，最常見的腐蝕類型是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。由于鐵素體是以分散并均布成小坑狀存在于奧氏體晶粒之間，削弱奧氏體柱狀晶和樹枝晶的方向性，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻析出，從而防止晶間腐蝕，因此鐵素體對(duì)提高耐晶間腐蝕的作用有好處。通過試驗(yàn)證明，由于鐵素體對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂不敏感，因此含有鐵素體的奧氏體鋼焊縫的耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于同成分但含有很少鐵素體的奧氏體鋼焊縫。

2.3 耐腐蝕性能

焊接材料（母材和焊材）中的δ 相鐵素體能顯著改善焊縫及熱影響區(qū)抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的機(jī)理。依據(jù)同樣的機(jī)理可以得出，對(duì)于奧氏體不銹鋼鑄件和鍛件母材中少量的鐵素體（5% ~ 12%），總體上講有利于改善材料的抗晶間腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕性能。另一方，對(duì)于某些特殊的腐蝕環(huán)境，例如在尿素和醋酸等介質(zhì)中鐵素體會(huì)發(fā)生選擇性腐蝕，應(yīng)對(duì)鐵素體含量進(jìn)行限制。

2.4 力學(xué)性能和加工性能

奧氏體不銹鋼中的鐵素體對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著影響。鐵素體含量增加時(shí)強(qiáng)度增加，同時(shí)，延展性和沖擊強(qiáng)度減低（表 1）。利用此特性，可采用調(diào)控鐵素體的含量來達(dá)到所需要的材料力學(xué)性能和加工性能。

鐵素體含量過高會(huì)損害奧氏體不銹鋼的可鍛性，特別是用于大鍛造比的鍛件，鑄坯限制鐵素體的含量是合理而必要的（通常限制在 3% ~ 8%）。同樣道理用于冷變形的奧氏體鋼，如冷伸壓、深沖壓，冷拔和冷擠壓的奧氏體鋼，鐵素體含量應(yīng)進(jìn)一步限制（通常限制在 5% 以下）。

不銹鋼閥門的主體（閥體和閥蓋）材料，國內(nèi)企業(yè)一般采用 CF 類奧氏體不銹鋼鑄件。鑄件中的鐵素體含量，除了有利于鑄件作為焊接母材，防止焊縫熱裂紋和微裂紋外，鐵素體還有利于防止鑄造凝固成形過程中裂紋和偏析產(chǎn)生，以及增加鑄件材料力學(xué)性能。

3 鐵素體形成機(jī)理

所有不同種類的不銹鋼都是鉻含量在12% 以上的鐵基合金。鐵基合金在高溫下（大于 800℃）基本晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體-奧氏體。當(dāng)溫度下降到常溫時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)變成體心立方體-鐵素體（或馬氏體）。

如果在鐵鉻合金中加入 7% 以上 Ni 或增加 C、N 或 Mn 等一種或多種奧氏體形成元素，高溫下的奧氏體晶體在常溫下將處于穩(wěn)定狀態(tài)，即常溫下的奧氏體。如果加入的奧氏體形成元素的總量（鎳當(dāng)量）不夠多，則常溫下只能有一部分是奧氏體，另一部分則是鐵素體。由此得出，不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)是由合金元素含量決定的。對(duì)于奧氏體不銹鋼，合金元素的作用可分成兩大類，即鐵素體形成元素（稱為鉻當(dāng)量元素）和奧氏體形成元素（稱為鎳當(dāng)量元素）。兩大類元素之間的平衡關(guān)系決定了奧氏體中鐵素體含量的多少。奧氏體形成元素主要有 Ni、Mn、C 和 N，鐵素體形成元素主要有 Cr、Mo、Si、Nb 和 Ti。

Cr 是典型的鐵素體形成元素，也是不銹鋼中必不可少的元素，所有不銹鋼都是鉻含量在 12% 以上的鐵基合金。Cr 的主要作用是耐腐蝕，提高抗高溫氧化性能。

Ni 是典型的形成并穩(wěn)定奧氏體元素。圖 1 可以看出鎳的作用，在圖中斜線以上，所示溫度下奧氏體是穩(wěn)定的。在這條線以下鐵素體和馬氏體都具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。Ni 的作用是增強(qiáng)抗酸的腐蝕能力，提高抗非氧化性介質(zhì)的耐蝕性，同時(shí)提高材料韌性、延展性和優(yōu)良的綜合性能，使它更易于加工和焊接。

Mo 是促進(jìn)鐵素體形成元素，它的鉻當(dāng)量為 1。Mo 可提高鈍化膜的強(qiáng)度，顯著增強(qiáng)耐局部腐蝕性。特別是抗氯離子點(diǎn)蝕，同時(shí)能提高還原性介質(zhì)中，如硫酸、磷酸及有機(jī)酸中的耐蝕性。Mo 還可提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度。由于 Mo 是鐵素體形成元素，為了平衡組織，加Mo的不銹鋼中應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增加 Ni 等奧氏體形成元素含量。例如 CF3M，加入 2.0%~ 3.0% Mo 后，Ni含量也增加到 9.0%~ 13.0%。

Si 是強(qiáng)鐵素體形成元素，其鉻當(dāng)量為 1.5。Si 可提高鋼的高溫性能和在強(qiáng)氧化性介質(zhì)（如發(fā)煙硝酸）中的耐腐蝕。同時(shí)還可改善鑄造特性。

Nb 是鐵素體形成元素，其鉻當(dāng)量為0.5。Nb 和 Ti 在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，能優(yōu)先與碳結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，并均勻的分布在基體中，阻止 Cr 的碳化物生成，防止晶間腐蝕。Nb 的抗晶間腐蝕穩(wěn)定性比 Ti 更高，Nb 還可增強(qiáng)奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度。Ti 也是鐵素體形成元素。在計(jì)算時(shí)可采用與Nb相同的鉻當(dāng)量。

C 是強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體區(qū)域元素，其鎳當(dāng)量為 30。碳對(duì)增加奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度作用非常明顯，但由于碳與鉻非常容易化合生成碳化鉻，造成奧氏體晶界貧鉻，顯著降低抗晶間腐蝕性能。因此，降低含碳量是防止晶間腐蝕最有效的措施，奧氏體鋼含碳量應(yīng)控制在 0.08% 以下（低碳級(jí)）和 0.03%（超低碳級(jí)）。

N 是劇烈的奧氏體形成和穩(wěn)定元素，其鎳當(dāng)量為 30?？娠@著提高鋼的強(qiáng)度，增強(qiáng)抗局部腐蝕（點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕）能力，并能減少 б 相析出，防止高溫脆性，使奧氏體具有良好的抗敏化能力。利用 N 的這一特征，近 20 年來，美國、法國以及中國相繼研制開發(fā)出了含氮或控氮不銹鋼，代表性的含氮鋼種是 AISI 304N 和 AISI 304LN（含氮 0.10% ~ 0.16%）?？氐摲N又稱為核級(jí)鋼，如304NG、X2CND18-12（法國 RCC-M標(biāo)準(zhǔn)）和 316NG（含氮 0.06%~ 0.10%）。此類新鋼種明顯的提高了強(qiáng)度，改善了鋼的抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，成功的解決了沸水（BWR）核反應(yīng)堆運(yùn)行中出現(xiàn)的 IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕）破裂事故。此類核級(jí)控氮鋼已成功應(yīng)用到壓水（PWR）核反應(yīng)堆中。

Mn 是擴(kuò)大及穩(wěn)定奧氏體元素，其鎳當(dāng)量為 0.5。通常 N 和 Mn 聯(lián)合使用成為代替和節(jié)約 Ni 的主要材料。Mn 可提高強(qiáng)度，增加 N 在鋼中的溶解度，但是 Mn 可促進(jìn) б 相析出，造成鋼有脆性，同時(shí)不利于鋼的低溫韌性和可焊性。

常用合金元素對(duì)不銹鋼的作用見表2。

4 鐵素體含量測(cè)量方法

奧氏體不銹鋼中 δ 相鐵素體含量的測(cè)量共有 3 種方法，磁性儀測(cè)量法、金相檢驗(yàn)法和計(jì)算法。

4.1 磁性儀測(cè)量法

利用鐵素體的磁性特性，奧氏體鋼中δ 相鐵素體含量與鋼的鐵磁性成正比，采用專用的磁性測(cè)量儀可直接測(cè)量讀出鐵素體含量。

δ 相鐵素體是奧氏體狀態(tài)不銹鋼在凝固過程中生成并保留到常溫的鐵素體，對(duì)鑄件和焊縫可直接測(cè)量。而對(duì)于鍛軋等變形狀態(tài)奧氏體不銹鋼，例如其鍛件、棒材、板材、焊條或焊絲等材料，由于 δ 相鐵素體已嚴(yán)重錯(cuò)位，鐵磁特性已改變，故應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范（如 ASME 第Ⅲ卷《核動(dòng)力設(shè)備》）進(jìn)行制作試樣。本身自溶焊接，通常采用鎢極無焊絲氬氣保護(hù)進(jìn)行自溶焊接，才能對(duì)自然狀態(tài)的凝固表面進(jìn)行測(cè)量，并且至少應(yīng)讀取 6 個(gè)不同位置的讀數(shù)，取其平均值。應(yīng)注意的是國外磁性儀通常是按美國 WRC（焊接研究學(xué)會(huì)）采用的“鐵素體含量級(jí)別序數(shù)”（FN）校正，得出的鐵素體值單位為 FN，與鐵素體含量百分比數(shù)基本等同。

4.2 金相檢驗(yàn)法

利用 δ 相鐵素體在奧氏體鋼中是以不連續(xù)小坑型均勻分布的特點(diǎn)，在金相顯微鏡下觀測(cè) δ 相鐵素體“小坑”在奧氏體中分布情況和所占面積比例，并與相關(guān)國家或?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)（我國已發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)）中的標(biāo)準(zhǔn)金相圖比較，并可檢驗(yàn)出 δ 相鐵素體含量。

采用金相法應(yīng)注意的事項(xiàng)與磁性儀測(cè)量法相同，即對(duì)奧氏體鍛件板材，焊條等應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行本身自溶焊接后制成凝固態(tài)試塊才能觀測(cè)。

4.3 計(jì)算法

鐵素體含量計(jì)算法的程序是根據(jù)材料化學(xué)分析單提供的化學(xué)成分，按照規(guī)定的 Cr 和 Ni 當(dāng)量計(jì)算公式，分別計(jì)算出合金元素的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量值。然后將計(jì)算的鉻和鎳當(dāng)量值，在不銹鋼組織圖中找到坐標(biāo)值，兩坐標(biāo)的相交點(diǎn)，便是鐵素體含量值。采用計(jì)算法比用磁性儀測(cè)量法和金相檢驗(yàn)法方便得多，而且不受儀器設(shè)備限制，一般具備化學(xué)分析能力或掌握材料的化學(xué)成分報(bào)告單，便可用這一方法，快速的評(píng)定出鐵素體的含量。依據(jù)何種組織圖評(píng)定和相應(yīng)的鉻和鎳當(dāng)量的計(jì)算公式，是采用計(jì)算法應(yīng)掌握的關(guān)鍵。

4.3.1謝夫爾圖

謝夫爾（Schaefier）圖適用于所有奧氏體、鐵素體或馬氏體以及雙相和沉淀硬化類不銹鋼的鑄件、鍛件或變形件，也適用于常規(guī)的不銹鋼焊后自然狀態(tài)的焊縫組織評(píng)定。

謝夫爾圖是最早也是應(yīng)用最廣的不銹鋼組織圖（圖2），謝夫爾圖的鉻和鎳當(dāng)量計(jì)算公式為：

鉻當(dāng)量 = %Cr + %Mo + (1.5×%Si) + (0.5×%Nb)

鎳當(dāng)量 = %Ni + (30×%C) + (0.5×%Mn)

從計(jì)算公式中可以看出，謝夫爾圖沒有考慮奧氏體形成元素 N 的作用，因此估算鐵素體含量的精確度為 ±4%，但它廣泛作為閥門主體材料（鑄鍛件）鐵素體含量的評(píng)定圖。例如《RCC-M-壓力堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》中規(guī)定奧氏體-鐵素體不銹鋼制造的 1、2 和 3 級(jí)核安全設(shè)備中的承壓鑄件，鐵素體含量按 RCC-M MC1000 規(guī)定中的謝夫爾曲線圖評(píng)定，不考慮N 含量。

4.3.2德龍圖

德龍（Delong）圖是在謝夫爾圖的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，此圖加入了奧氏體形成元素 N 的作用，更適合于含氮和控氮不銹鋼以及氣體保護(hù)焊的焊接組織評(píng)定。德龍圖的鉻和鎳當(dāng)量計(jì)算公式為：

鉻當(dāng)量 = %Cr + %Mo + (1.5×%Si) + (0.5×%Nb)

鎳當(dāng)量 = %Ni + (30×%C) + (30×%N) +(0.5×%Mn)

德龍圖進(jìn)一步改進(jìn)了曲線精確度，考慮了 N 的作用，估算鐵素體含量的精確度為 ±2%，圖 3 是所規(guī)定采用的德龍圖，主要用于焊接材料的 δ 鐵素體含量計(jì)算。

ASME 提供的德龍圖不僅給出了 δ 鐵素體含量的百分比，同時(shí)還給出了“鐵素體含量級(jí)別序數(shù)”（FN），簡稱為“鐵素體序數(shù)”（FN），它是美國焊接研究學(xué)會(huì)（WRC）采用的技術(shù)術(shù)語，用來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。用以代替鐵素體百分比含量值，“鐵素體序數(shù)”（FN）可以認(rèn)為與“鐵素體百分比含量”相同。

在運(yùn)用德龍圖時(shí)，應(yīng)注意鎳當(dāng)量中N 元素的影響。在 ASME 中關(guān)于 N 含量有明確的規(guī)定，最好采用實(shí)測(cè)的含氮量。如果沒有實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用下列推薦的含氮量。①熔化氣體保護(hù)焊（GMAW）的焊縫為 0.08%，自保護(hù)管狀焊條熔化極氣體保護(hù)焊為 0.12%。②其他方法的焊縫為