奧氏體不銹鋼中鐵素體含量計算

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量方法，分析了奧氏體不銹鋼中鐵素體形成機理，重點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)對奧氏體不銹鋼的認識水平，還僅涉及其化學(xué)成分和力學(xué)性能方面。隨著科技進步，在核電站、核反應(yīng)堆工程用核安全級閥門、國防軍工用特種閥門以及大型化工裝置中“SHA 級”管道重要閥門，都相繼對奧氏體不銹鋼焊接母材和焊縫中的鐵素體含量進行了規(guī)定。因此，必須掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測量和計算方法。

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，對閥門來講，最重要的方面是對焊接性能的影響，其次是對材料耐腐蝕性能、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收時，常可見到用磁鐵來吸引被檢測物體，若出現(xiàn)有弱磁性就以此認為產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，其實這是對奧氏體不銹鋼的一種誤解，這種做法往往容易造成錯誤判斷。

奧氏體不銹鋼中通常都會有一定數(shù)量的鐵素體。依據(jù)《金屬手冊》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，美國材料與試驗協(xié)會（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，低的強度和硬度。鐵素體的有利作用是對 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共晶，從而阻止凝固裂紋產(chǎn)生。

焊接過程實際上是一個在焊接結(jié)構(gòu)上，母材金屬與焊材局部進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共晶生成和減少偏析程度以及二次晶界的錯位運動，因而可防止熱影響區(qū)裂紋和高溫低塑性裂紋。總之，焊接中的 δ 鐵素體對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作用。對于焊后需要 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)常常因為腐蝕而損壞甚至報廢，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，因此鐵素體對提高耐晶間腐蝕的作用有好處。通過試驗證明，由于鐵素體對應(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)力腐蝕的機理。依據(jù)同樣的機理可以得出，對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)中鐵素體會發(fā)生選擇性腐蝕，應(yīng)對鐵素體含量進行限制。

2.4 力學(xué)性能和加工性能

奧氏體不銹鋼中的鐵素體對材料的力學(xué)性能有顯著影響。鐵素體含量增加時強度增加，同時，延展性和沖擊強度減低（表 1）。利用此特性，可采用調(diào)控鐵素體的含量來達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，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 的作用是增強抗酸的腐蝕能力，提高抗非氧化性介質(zhì)的耐蝕性，同時提高材料韌性、延展性和優(yōu)良的綜合性能，使它更易于加工和焊接。

Mo 是促進鐵素體形成元素，它的鉻當(dāng)量為 1。Mo 可提高鈍化膜的強度，顯著增強耐局部腐蝕性。特別是抗氯離子點蝕，同時能提高還原性介質(zhì)中，如硫酸、磷酸及有機酸中的耐蝕性。Mo 還可提高奧氏體鋼的高溫強度。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氧化性介質(zhì)（如發(fā)煙硝酸）中的耐腐蝕。同時還可改善鑄造特性。

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 還可增強奧氏體鋼的高溫強度。Ti 也是鐵素體形成元素。在計算時可采用與Nb相同的鉻當(dāng)量。

C 是強烈的擴大奧氏體區(qū)域元素，其鎳當(dāng)量為 30。碳對增加奧氏體不銹鋼的強度作用非常明顯，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）和 0.03%（超低碳級）。

N 是劇烈的奧氏體形成和穩(wěn)定元素，其鎳當(dāng)量為 30。可顯著提高鋼的強度，增強抗局部腐蝕（點蝕及縫隙腐蝕）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%）。控氮鋼種又稱為核級鋼，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)堆運行中出現(xiàn)的 IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕）破裂事故。此類核級控氮鋼已成功應(yīng)用到壓水（PWR）核反應(yīng)堆中。

Mn 是擴大及穩(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 可提高強度，增加 N 在鋼中的溶解度，但是 Mn 可促進 б 相析出，造成鋼有脆性，同時不利于鋼的低溫韌性和可焊性。

常用合金元素對不銹鋼的作用見表2。

4 鐵素體含量測量方法

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

4.1 磁性儀測量法

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，采用專用的磁性測量儀可直接測量讀出鐵素體含量。

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，對鑄件和焊縫可直接測量。而對于鍛軋等變形狀態(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 相鐵素體已嚴重錯位，鐵磁特性已改變，故應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范（如 ASME 第Ⅲ卷《核動力設(shè)備》）進行制作試樣。本身自溶焊接，通常采用鎢極無焊絲氬氣保護進行自溶焊接，才能對自然狀態(tài)的凝固表面進行測量，并且至少應(yīng)讀取 6 個不同位置的讀數(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）采用的“鐵素體含量級別序數(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，在金相顯微鏡下觀測 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，并可檢驗出 δ 相鐵素體含量。

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

4.3 計算法

鐵素體含量計算法的程序是根據(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)量計算公式，分別計算出合金元素的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量值。然后將計算的鉻和鎳當(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，便是鐵素體含量值。采用計算法比用磁性儀測量法和金相檢驗法方便得多，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)成分報告單，便可用這一方法，快速的評定出鐵素體的含量。依據(jù)何種組織圖評定和相應(yīng)的鉻和鎳當(dāng)量的計算公式，是采用計算法應(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）鐵素體含量的評定圖。例如《RCC-M-壓力堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(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焊的焊接組織評定。德龍圖的鉻和鎳當(dāng)量計算公式為：

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

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

德龍圖進一步改進了曲線精確度，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，同時還給出了“鐵素體含量級別序數(shù)”（FN），簡稱為“鐵素體序數(shù)”（FN），它是美國焊接研究學(xué)會（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）可以認為與“鐵素體百分比含量”相同。

在運用德龍圖時，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，最好采用實測的含氮量。如果沒有實測值時，可采用下列推薦的含氮量。①熔化氣體保護焊（GMAW）的焊縫為 0.08%，自保護管狀焊條熔化極氣體保護焊為 0.12%。②其他方法的焊縫為