通过舍弗勒相图了解奥氏体不锈钢的性能 [帖子3260621]

沙漠里的游鱼

奥氏体不锈钢、或叫铬镍不锈钢与其他类型的不锈钢一样，由于铬在钢表面形成钝化膜，奥氏体不锈钢具有抗腐蚀和抗氧化性能。它们在极低温度下也有很好的韧性，因此也被广泛应用于低温容器。它们可以通过冷加工而不是热处理来硬化和提高强度。它们是不锈钢家族中最容易焊接的，可使用所有焊接工艺方法进行焊接，主要问题是避免热裂纹和保持耐腐蚀性能。

ASTM对于奥氏体不锈钢的识别是，使用三位数的数字“3XX”，“3”表示其为奥氏体不锈钢，并使用附加字母来区别合金的成分和某些特性，例如304H型、316L型等。

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奥氏体不锈钢在冶金上是简单的。它们要么是100%奥氏体，要么是含有少量铁素体的奥氏体（见表1）。这不是碳钢中的铁素体，而是一种高温形式的δ铁素体。与碳钢和低合金钢不同，奥氏体不锈钢在高温下冷却时不会发生相变。因此，它们不能淬火硬化形成马氏体，其机械性能在很大程度上不受焊接的影响。因此，氢致裂纹（不是问题，且无论部件厚度如何，无需预热。

奥氏体不锈钢中的合金元素可分为两类：促进奥氏体形成的合金元素和有利于铁素体形成的合金元素。主要形成奥氏体的是镍、碳、锰和氮；重要的铁素体形成元素是铬、硅、钼和铌。通过改变这些元素的含量，钢可以完全奥氏体化，或者设计成含有少量的铁素体。

1949年，安东·舍弗勒（Anton Schaeffler）发表了一个成分相图，说明了成分对微观组织的影响。在图表中，舍弗勒给各种元素指定了一个因子，这个因子反映了对铁素体或奥氏体形成的影响的强度；这些因子可以在图中看到。然后将这些元素组合成两组，得到铬和镍的“当量”。它们构成了图表的x轴和y轴，并且知道了奥氏体不锈钢的成分，因此可以确定相的比例。

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舍夫勒组织图(Schaeffler，s Diagram) 表征不锈钢焊缝金属之化学组成(不计氮元素)与相组织的定量关系图。是舍夫勒(schaeffler)根据不锈钢手工电弧焊的焊缝组织实测统计绘成的组织图(1949年)。利用此图，可依据熔敷的有效方法。

组织图中，纵坐标用Nieq(镍当量)表示，镍当量是反映不锈钢焊缝金属组织奥氏体化程度的指标。其量值是根据焊缝金属组织中包含的奥氏体元素(如镍，碳，锰等)，按其奥氏体化作用的强烈程度折算成相当于若干个镍之总和；横坐标用creq(铬当量)来表示，铬当量是反映焊缝金属组织的铁素体化程度的指标，其量值是根据参与焊缝组织中的铁素体化元素(如铬，钼，硅，铌等)，按其铁素体化作用的强烈程度，折算成相当于若干个铬之总和。

图中标有：A(奥氏体)，F(铁素体)，M(马氏体)等组织的区域范围。根据被焊母材和添加焊接材料的化学成分，用熔焊稀释率换算出焊缝金属的化学组成，并分别折算成镍当量和铬当量，即可在组织图中查出焊缝金属组织的相组织和铁素体的含量。反之，也可以按照对焊缝金属组织的相组成要求，确定对应的镍当量和铬当量值。然后，据此组织图进行焊缝金属化学组成的调整。舍夫勒组织图考虑了化学成分对组织的影响，但未考虑到实际结晶条件及合金元素存在形态的影响。

实际上，合金元素只有在固溶状态下才对γ奥氏体与δ铁素体的比例发生影响。如合金元素以化合物形式沉淀时，并不能影响γ与δ的比例。而不同的焊接方法，焊接工艺及接头形式，都会对熔焊稀释率和熔池的凝固结晶条件产生影响。利用舍夫勒组织图估算的δ铁素体含量同实测值有所出入(按体积，估算精度为±4％)。尽管如此，工程上用此组织图估算不锈钢焊缝金属组织的相织成较为简便，仍具有一定的实用价值。

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常见合金的典型位置如上图所示。图上还叠加了彩色区域，用于识别奥氏体不锈钢可能遇到的一些问题。

尽管所有奥氏体不锈钢都对热裂纹敏感，但图1中垂直蓝色区域内的全奥氏体钢（如310型）尤其敏感。

罪魁祸首是硫和磷。为此，这些杂质元素已逐渐减少，因此硫含量低于0.010%和磷低于0.020%的钢现在可以随时获得。理想情况下，310型或317型合金的硫和磷含量应低于0.003%。清理也是最重要的，必须在焊接前立即进行彻底的脱脂。

304型、316型、347型等钢位于或接近图中心的小的未着色三角形区域内，含有少量的δ铁素体，虽然不能避免热裂，但提高了对含硫液态薄膜形成的抵抗力。其原因是— 铁素体比奥氏体能溶解更多的硫和磷，因此它们保留在溶液中，而不是沿着晶界形成液膜；

— 相当少量的铁素体的存在增加了晶界面积，因此任何液膜都必须扩散到更大的而不能再形成连续的液膜。奥氏体钢没有100%的优势。

低硫钢出现的问题是一种被称为“铸后变化”或“可变熔深”的现象。低硫钢焊接时（<0.005%），熔池往往较宽，熔深较浅；硫含量超过0.010%的钢的焊道更窄、更深入。

使用全自动TIG焊接工艺焊接低硫钢是有一些问题的，但手工焊接能够处理由于不同铸钢件中硫含量的差异而导致的熔深变化。然而，应用“高”硫钢自动TIG焊接工艺时，可能会导致熔深不足或反之可能导致过度熔透。

优化工艺可以改善但从未消除过这个问题，包括缓慢的焊接速度、脉冲电流、使用Ar/H2保护气体混合物。其他方法包括规定最低硫含量（例如0.010%）或将钢分成不同的批次，制定相应的焊接工艺。A-TIG活性焊剂工艺也被发现是有益的。

对于属于粉红色区域的全铁素体钢的焊接问题，晶粒长大和脆化是一个问题。

落入黄色区域的奥氏体不锈钢也会脆化，于硬脆相形成的结果，称为“σ”（σ）和“chi”（χ）。这种脆化发生在大约500到900°C的温度范围内。这是一个缓慢的过程，在奥氏体不锈钢焊接过程中不是问题，但在高温环境下或焊接部件进行应力消除处理时可能发生。

高铬和钼（铁素体形成元素）促进了这些相的形成，因此310型和316型钢特别敏感，在消除应力后，可能会出现明显的塑性损失。δ铁素体的转变速度也比奥氏体快，因此含有大量该相的合金比只有少量铁素体的奥氏体钢降解得更快；因此，双相和超双相不锈钢存在这个问题。

当有必要消除制造过程中的应力时，必须考虑延性损失。在含有δ铁素体的钢中，应通过控制铁素体形成元素（通常需要2%到5%的δ铁素体）将该相保持在最低水平，以最大限度地降低热裂纹的风险。

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油气输送管道焊接接头的可靠性是石油工程安全不可忽视的问题。高强度、大口径的管道钢可提升输送压力进而使得输送效率提高、输送管道管壁减薄,相应的焊接材料的消耗也会降低油气输送管道的成本。随着管线钢强度级别的提高,焊接接头处产生焊接缺陷的倾向越大,焊接残余应力和应力集中的倾向也更大,可引起导致疲劳强度降低,焊接氢致裂纹、脆性断裂、应力腐蚀裂纹等失效倾向增大。传统的焊接残余应力消除手段在管道的现场焊接过程中实施困难且不可避免的提高成本。合理控制管线钢焊接接头中残余应力的分布和大小是保障其焊接结构安全的重要方法。
特殊焊接填充材料法可利用焊接过程中发生的一系列组织转变产生的相变体积膨胀补偿热收缩过程产生的体积收缩,从而得到焊接残余压缩应力,这一方法无需焊前及焊后热处理,可直接在焊接过程中达到降低甚至消除残余应力的目的,除了成本低外更适合于很多难以进行焊后热处理的大型和复杂结构及条件苛刻的现场焊接,具有广阔的应用前景。

通过理论与实验相结合的方法对合金元素在钢中的作用及合金元素对马氏体转变温度的影响进行分析,结合舍弗勒相图研制了三种具有不同马氏体转变温度的焊丝,称其为低温相变焊丝(LTT),分别命名为LTT1、LTT2、LTT3。以X65管线钢为母材,同质焊丝及低温相变焊丝为填充材料,利用手工钨极氩弧焊(TIG)的方法进行焊接。

焊后利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对焊接接头的微观组织进行观察并分析了焊接接头中的相组成,合金元素扩散及显微组织形貌,结果表明低温相变焊接接头中微观组织主要由马氏体及少量残余奥氏体组成(10%~15%),母材与焊缝金属熔合良好,母材与焊缝熔合处存在合金元素的扩散现象,主要合金元素在熔合区和焊缝处呈连续变化趋势。

对焊接接头的低温冲击韧性、显微硬度、拉伸强度进行测试,结果表明低温相变焊缝焊缝金属的显微硬度和抗拉强度均高于同质填充焊丝,室温下三种低温相变焊丝的冲击韧性良好,但是随温度降低,LTT1,LTT3焊接接头的冲击韧性明显下降,而LTT2焊接接头的冲击韧性随温度变化不大。利用盲孔法对焊接接头的残余应力状态进行检测,结果显示同质焊接接头中焊缝区域分布着较大数量级的残余拉伸应力,其纵向峰值可达450MPa、横向峰值可达到250MPa左右;低温相变焊接接头焊缝中心的应力状态为残余压缩应力或较小数量级的残余拉伸应力,其纵向应力在-300~200MPa之间,其横向应力在-200~200MPa之间。

此外,焊后同质焊丝填充的钢板变形方向与低温相变材料填充的方向相反,变形弧度分别为TT1焊后焊接接头变形为0.056rad,LTT2焊后焊接接头变形为0.083rad,LTT3焊后焊接接头变形为0.033rad,同质焊丝焊后焊接接头变形为0.14rad。

造成这种结果的主要原因即为残余应力状态改变。利用电化学方法对低温相变填充的焊接接头在含有不同NaCl浓度和不同PH值的两组0.2mol/L H2S的饱和溶液中的耐腐蚀性能进行测试,结果表明随着NaCl浓度的增加,焊接接头的耐蚀性下降,随着溶液PH的增加,焊接接头的耐蚀性提高,当溶液由酸性变化为弱碱性时,焊接接头在腐蚀介质中的腐蚀情况几乎不受溶液PH值影响。