鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼性能的影響

張仁軍， 朱洪軍， 管曉光， 譚延宏

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046；2.黑龍江科技學(xué)院材料學(xué)院，哈爾濱150027）

1 引言

奧氏體不銹鋼因其具有良好的耐蝕性能、加工性能、力學(xué)性能，在工業(yè)各領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。鐵素體含量及其準(zhǔn)確測(cè)量更是直接關(guān)系到奧氏體鋼的使用穩(wěn)定性和安全性。

2 鐵素體的形成機(jī)理

對(duì)于不銹鋼材料，合金元素作用可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是有利于奧氏體形成的奧氏體形成元素，另一類(lèi)是有利于鐵素體形成的鐵素體形成元素。這兩類(lèi)合金的比例直接決定了奧氏體鋼的組織結(jié)構(gòu)和綜合性能。

不考慮特殊的使用條件，一般不銹鋼材料中作為典型鐵素體形成元素的Cr含量約為12%。通過(guò)鐵碳二元相圖可觀察到，當(dāng)合金溫度從800℃降低至室溫時(shí)，原本為面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體或馬氏體組織［1］。若將Ni或多種奧氏體形成元素加入到上述鐵鉻合金中，則當(dāng)溫度降至常溫時(shí)，原高溫狀態(tài)的奧氏體仍能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，這就形成了常溫下的穩(wěn)定奧氏體組織。

綜上所述，在合金中加入的奧氏體形成元素并不足以讓所有高溫奧氏體全部轉(zhuǎn)化為常溫穩(wěn)定奧氏體時(shí)，在溫度達(dá)到室溫后，只能一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，成為奧氏體-鐵素體復(fù)相狀態(tài)。這類(lèi)鋼與純奧氏體鋼相比，具有較為明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如由于Cr的增加，奧氏體鋼的抗晶間腐蝕能力有所提高，焊接熱裂紋傾向小，但也同時(shí)存在加工性能差等缺點(diǎn)［2］。

3 鐵素體對(duì)奧氏體鋼的作用

對(duì)于鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼作用的研究是十分重要的，這一問(wèn)題直接影響到對(duì)奧氏體不銹鋼優(yōu)良性能的探究。通過(guò)研究把握鐵素體的利弊［3］，才能合理利用含有不同含量鐵素體的奧氏體不銹鋼，并采取相應(yīng)的方法加以控制鐵素體含量。

在焊接過(guò)程中易于出現(xiàn)的主要問(wèn)題是：在焊縫區(qū)及焊接熱影響區(qū)（即HAZ區(qū)）產(chǎn)生熱裂紋，并出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。這些現(xiàn)象又是作為奧氏體不銹鋼工藝焊接性和使用焊接性的重要考核目標(biāo)。因此對(duì)于奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用，在這里我們最關(guān)注的是對(duì)焊接性能的影響。

在關(guān)注焊接性能的同時(shí)，對(duì)于不同的使用條件，研究鐵素體對(duì)材料耐腐蝕性能、加工性能和力學(xué)性能的影響也是十分必要的。

3.1 鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼焊接性的影響

鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼焊接的影響主要從以下兩個(gè)方面考慮：焊縫熱裂紋，焊縫的脆化。

奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋主要是由于焊縫及熔合區(qū)的P、S夾雜及低熔點(diǎn)相的偏聚，碳化鉻的大量析出造成的。同時(shí)奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大，焊縫金屬凝固過(guò)程中存在較大拉應(yīng)力也是產(chǎn)生熱裂紋的重要原因。

鐵素體含碳量低，具有塑性、韌性好，但強(qiáng)度、硬度低的特點(diǎn)，因此對(duì)雜質(zhì)元素，如P、S等溶解度較大，從而能夠有效防止雜質(zhì)元素的偏析。而對(duì)Nb、Si等微量元素的溶解，能夠減少低熔點(diǎn)相的形成，從而有效阻止熱裂紋的產(chǎn)生，阻礙微小裂紋的延伸、擴(kuò)展。

奧氏體不銹鋼中的鐵素體在焊接過(guò)程中，具有減少焊縫熔敷金屬產(chǎn)生熱裂紋傾向的作用，由此可見(jiàn)鐵素體的存在能夠在一定程度上改進(jìn)焊接性，并保證了焊接結(jié)構(gòu)的使用安全性。

然而鐵素體在焊縫金屬中同樣存在一些負(fù)面影響，例如易產(chǎn)生σ相脆化［4］，這會(huì)造成材料脆性增大，導(dǎo)致焊縫性能的整體下降，不利于不銹鋼的可焊性和低溫韌性，因此焊縫鐵素體含量應(yīng)加以嚴(yán)格控制。

3.2 鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼耐蝕性能的影響

對(duì)于奧氏體不銹鋼焊接而言，焊縫及熱影響區(qū)的耐蝕性能也是一個(gè)重要方面。針對(duì)奧氏體鋼焊縫耐蝕性能，當(dāng)焊縫溫度處于敏化溫度范圍內(nèi)（600℃～850℃），將發(fā)生多余碳原子擴(kuò)散在晶界處與鉻形成不穩(wěn)定的間隙碳化物Cr23C6，并在晶界處析出，造成了晶界處出現(xiàn)“貧鉻區(qū)”。由于“貧鉻區(qū)”與晶粒內(nèi)部存在相對(duì)較大的電位差，因而容易導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。

為避免晶間腐蝕應(yīng)考慮兩方面因素：一方面是在母材含碳量一定的情況下，在焊材中加入穩(wěn)定C元素的合金元素，如Ti、Nb；另一方面從焊接冶金方面考慮，應(yīng)破壞奧氏體焊縫金屬中形成的柱狀晶，形成雙相組織，即含有鐵素體的奧氏體不銹鋼［5］。

當(dāng)奧氏體不銹鋼中含有一定量的鐵素體時(shí)，呈現(xiàn)出小坑狀均勻分布在奧氏體晶粒之間，破壞奧氏體相柱狀晶的單一方向性生長(zhǎng)，不致形成連續(xù)貧鉻區(qū)，減少了碳化物沉淀的可能性，從而提高不銹鋼焊縫抗晶間腐蝕的能力［6］。目前已有研究證明TP.309L和TP.347系含少量鐵素體的奧氏體不銹鋼焊材，具有降低裂紋敏感性，提高晶間腐蝕的能力［7，8］。

從上述分析中，焊接材料中鐵素體對(duì)于改善焊縫金屬和HAZ區(qū)抗腐蝕能力的作用極為顯著。同理可得，存在于奧氏體不銹鋼鑄件和鍛件中的少量鐵素體，整體上能夠起到提高材料的耐腐蝕性能的作用［9］。這是因?yàn)殍F素體中Cr的含量遠(yuǎn)大于奧氏體中的Cr含量，在熔煉冷卻過(guò)程中，鐵素體中大量的Cr會(huì)及時(shí)析出，減少了晶界處貧鉻區(qū)的形成。

3.3 鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼的其他影響

鐵素體含量的增加和減少，會(huì)直接影響到奧氏體不銹鋼的可加工性，尤其是對(duì)大型鍛件、鑄坯的鍛造和加工，因此合理限制鐵素體的含量是十分必要的。過(guò)高的鐵素體含量往往會(huì)損壞奧氏體不銹鋼的可鍛造性能，這是由體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵素體延展性差的特性所決定的。

4 鐵素體含量的測(cè)量方法

通過(guò)對(duì)奧氏體不銹鋼中鐵素體含量影響的分析，準(zhǔn)確測(cè)量鐵素體含量對(duì)于合理應(yīng)用奧氏體不銹鋼具有至關(guān)重要的意義。目前國(guó)際上采用鐵素體數(shù)FN和鐵素體體積分?jǐn)?shù)FP作為焊縫鐵素體含量的表征量。

國(guó)內(nèi)外常用的檢測(cè)方法有化學(xué)分析-圖譜法、金相法及磁性法。

金相法由于測(cè)量過(guò)程中，必須按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理有序地對(duì)足夠多的視場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，因而具有可信度高的優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際操作中，準(zhǔn)確性、一致性和重現(xiàn)性差，而且速度慢、效率低，不同的檢測(cè)人員檢驗(yàn)結(jié)果相差很大。據(jù)了解，常規(guī)金相法由于測(cè)量精度差、測(cè)量范圍窄、測(cè)量過(guò)程繁瑣，已不常使用［10］。

化學(xué)分析-圖譜法是通過(guò)測(cè)出奧氏體及雙相不銹鋼的化學(xué)成分就能判定鐵素體含量，大量的試驗(yàn)和調(diào)查表明，鐵素體含量的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值存在較大偏差［11］。這是由于圖譜自身誤差和化學(xué)成分分析結(jié)果誤差等眾多因素的綜合作用造成的。

目前尤以磁性法對(duì)鐵素體含量的檢測(cè)最為廣泛和便捷，并被認(rèn)為是測(cè)量不銹鋼焊縫鐵素體含量最好的方法之一。但鐵素體的不均勻分布會(huì)影響測(cè)量精確度，檢測(cè)中需要進(jìn)行多位多次測(cè)量以確保數(shù)據(jù)重現(xiàn)性［10，12］。因此建議采用磁性法對(duì)奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)論

（1）奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量是由材料中的鐵素體形成元素與奧氏體形成元素的比例決定的。

（2）鐵素體含量對(duì)于奧氏體不銹鋼性能的影響較為顯著，焊縫中的鐵素體有利于減少熱裂紋及增強(qiáng)耐腐蝕性能，但其含量應(yīng)嚴(yán)格控制，以防產(chǎn)生負(fù)面影響。

（3）采用磁性法測(cè)量奧氏體不銹鋼中鐵素體含量是較為優(yōu)異的方法，方便快捷，同時(shí)能夠提高檢測(cè)效率。

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