铁素体含量

01

概述



       奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性，是不锈钢系列材料中重要的一类，其产量约占不锈钢总产量的70%。不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢，而阀门行业对奥氏体不锈钢的认识水平，还仅涉及其化学成分和力学性能方面。随着科技进步，在核电站、核反应堆工程用核安全级阀门、国防军工用特种阀门以及大型化工装置中“SHA级”管道重要阀门，都相继对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素体含量进行了规定。因此，必须掌握奥氏体不锈钢中铁素体含量的测量和计算方法。

02

奥氏体不锈钢中铁素体的作用



      分析奥氏体不锈钢中铁素体的作用是十分重要的技术基础，只有通过深入的研究，充分的了解和掌握铁素体的正面（有利）和负面（不利）的作用，才能正确的加以利用或控制。奥氏体不锈钢中铁素体的作用，对阀门来讲，最重要的方面是对焊接性能的影响，其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能的影响。



2.1 含量

      不锈钢阀门的承压件（阀体、阀盖和阀瓣）大部分材料采用ASTM A351中的 C F类不锈钢铸件和ASTM A182中F304和F316类不锈钢锻件，其属于18-8型和18-12型（其数值表示 Cr 和 Ni 的大致含量）奥氏体不锈钢。  



      不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。奥氏体具有面心立方晶体结构，无磁性。铁素体具有体心立方晶体结构，有磁性。应当指出，冶金产品称谓的奥氏体不锈钢，并不表明它的组织结构必须是100%的奥氏体。在不锈钢阀门和零件验收时，常可见到用磁铁来吸引被检测物体，若出现有弱磁性就以此认为产品存在质量问题，其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解，这种做法往往容易造成错误判断。  



     奥氏体不锈钢中通常都会有一定数量的铁素体。依据《金属手册》中第三卷《性能与选择：不锈钢》，在《铸造不锈钢的性能》中指出：对于CF类铸造不锈钢，通常具有5%~25%的铁素体。为此，美国材料与试验协会（ASTM）将阀门用奥氏体不锈钢铸件标准的名称定义为 ASTM A351《承压件用奥氏体奥氏体-铁素体（双相）铸钢》。



2.2 焊接性能  

      奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹以及耐蚀性，这类问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。



2.2.1 防止焊缝的热裂纹  

      奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。奥氏体不锈钢焊缝中常常需要形成一定数量δ相铁素体（4% ~ 12%），以防止焊缝产生凝固裂纹（热裂纹）。δ铁素体是奥氏体不锈钢（含焊缝金属）在一次结晶过程（凝固过程）中生成并保留至常温的铁素体。由于铁素体含碳量很低，性能与纯铁相似，有良好的塑性和韧性，低的强度和硬度。铁素体的有利作用是对S、P、Si和Nb等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止凝固裂纹产生。  



      焊接过程实际上是一个在焊接结构上，母材金属与焊材局部进行的冶金和热处理过程。焊缝中的铁素体可以有效的阻止低溶点共晶生成和减少偏析程度以及二次晶界的错位运动，因而可防止热影响区裂纹和高温低塑性裂纹。总之，焊接中的 δ铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹作用是肯定的，它显著的改进了焊接性，提高了焊接结构的安全程度。  



     δ铁素体在焊缝中具有一定的负作用。对于焊后需要 600℃以上热处理的焊件或长期在600 ~ 850℃温度下工作的焊件，由于在上述高温下δ相铁素体会析出б相铁素体，б相具有四方结晶构造，且富含Cr造成周围Cr的贫化，引起焊缝金属的脆化。此时应将焊缝铁素体的含量控制在 3%~8%，或者采用重新固溶处理，将б相铁素体溶解回基体中。



2.2.2 改善焊接接头的耐蚀性  

      焊接接头是指整个焊接区，包括焊缝和熔合区以及热影响区。奥氏体钢的焊接结构常常因为腐蚀而损坏甚至报废，最常见的腐蚀类型是晶间腐蚀和应力腐蚀。由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间，削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向性，隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出，从而防止晶间腐蚀，因此铁素体对提高耐晶间腐蚀的作用有好处。通过试验证明，由于铁素体对应力腐蚀开裂不敏感，因此含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但含有很少铁素体的奥氏体钢焊缝。



2.3 耐腐蚀性能  

     焊接材料（母材和焊材）中的δ相铁素体能显著改善焊缝及热影响区抗晶间腐蚀和应力腐蚀的机理。依据同样的机理可以得出，对于奥氏体不锈钢铸件和锻件母材中少量的铁素体（5%~12%），总体上讲有利于改善材料的抗晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能。另一方面，对于某些特殊的腐蚀环境，例如在尿素和醋酸等介质中铁素体会发生选择性腐蚀，应对铁素体含量进行限制。

奥氏体不锈钢中铁素体的含量通常在5%~25%之间，对焊接性能、耐腐蚀性能以及力学性能和加工性能有重要影响。铁素体能防止焊接过程中的凝固裂纹产生，提高奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能，但在某些条件下可能导致材料的脆化或选择性腐蚀，因此需要适当控制铁素体含量。
.