奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用、檢測及預測

一、概述

1.1 不銹鋼分類—按組織結構分為：

奧氏體不銹鋼是不銹鋼焊材中重要的一類，因其良好的耐熱、耐蝕、耐低溫及好的加工和焊接性被廣泛應用于各個領域，其產量約占不銹鋼總量的70%。

奧氏體是C溶解在γ鐵形成的間隙固溶體，具有面心立方結構，無磁性；奧氏體不銹鋼是主要通過冷作加工使其強化（并產生誘導馬氏體而導致有磁性）的不銹鋼。

鐵素體是奧氏體不銹鋼中的重要組成部，具有體心立方結構，有磁性，分為α鐵素體和δ鐵素體。

焊接時奧氏體不銹鋼形成的鐵素體，是由液態向固態轉變時形成的鐵素體，此種鐵素體稱為δ鐵素體（也叫高溫鐵素體）；而由奧氏體析出的鐵素體也就是α鐵素體，兩者因轉變溫度不同而有著 本質上的區別。

α鐵素體：C溶解在α鐵形成的間隙固溶體，常用符號F表示，是鐵素體不銹鋼的主要組成；

δ鐵素體：C溶解在δ鐵形成的間隙固溶體，也稱高溫鐵素體，在奧氏體不銹鋼焊縫中起著極其重要的作用；

1.2 鐵素體的形成機理

所有不同種類的不銹鋼都是Cr含量12%以上的鐵基合金。不銹鋼的組織結構由合金元素含量（也就是鉻、鎳當量）所決定。

對不銹鋼，合金元素可分為兩大類，即鐵素體形成元素（也稱鉻當量元素）和奧氏體形成元素（也稱鎳當量元素），兩大類元素的平衡關系決定了組織中鐵素體含量的多少。奧氏體形成元素主要有C、N 、Mn、Ni、Cu等，鐵素體形成元素主要有Cr、Mo、Si、Nb、Al、Ti等。

鉻鎳奧氏體鋼凝固時，根據不同的化學成分可能會有3種結晶模式，即A全奧氏體模式、AF（初析奧氏體并在凝固終了前，共晶生成部分鐵素體）凝固模式和FA（初析鐵素體并在凝固終了前形成部分奧氏體）凝固模式。焊縫凝固模式不同，焊縫凝固的開裂敏感性也不同。FA凝固模式抗凝固裂紋能力強，全奧氏體凝固模式抗裂能力最差。

而鉻鎳奧氏體焊縫的凝固模式主要取決于焊縫金屬的[Cr/Ni]eq，有文獻研究表明當[Cr/Ni]eq＞（1.47-1.58）時為FA凝固模式，當（1.47-1.58）＞[Cr/Ni]eq＞（1.14-1.24）為AF凝固模式，當[Cr/Ni]eq＜1.14-1.24）為全奧氏體凝固模式，可為設計者提供參考。

二、不銹鋼中鐵素體的作用

奧氏體不銹鋼中的δ相鐵素體有利于提高焊縫的抗晶間腐蝕性能，也能產生σ相脆化和δ相選擇性腐蝕，不同行業對δ相鐵素體含量均有相關要求。下面簡要闡述奧氏體不銹鋼中鐵素體利與弊。

奧氏體不銹鋼焊縫中δ相鐵素體的作用

有利作用一：

防止熱裂紋

機理：

鐵素體對P、S、Si、和Nb等元素溶解度較大，能防止這些不利元素偏析和形成低熔點共晶，從而阻止凝固裂紋產生。

研究表明δ相超過3%可明顯提高奧氏體焊縫抗熱裂性能；

不利作用：

易產生脆化相，降低材料韌性。

機理：

高溫下δ相鐵素體容易轉化成σ脆化相，即使不在高溫下長時間工作，多層焊接時即可產生。δ相鐵素體含量越高，越易析出σ相；

鐵素體含量過高，極易產生脆性相，將造成堆焊層材料脆化，降低材料韌性，造成脆性破壞；

也會使熱加工裂紋傾向性增大。

有利作用二：

少量鐵素體可提高焊接接頭的耐腐蝕性能，尤其是耐晶間腐蝕和應力腐蝕破裂性能。

機理：

在奧氏體不銹鋼中，鐵素體的存在可以打亂單一奧氏體組織的方向性，從而避免貧Cr層貫穿于晶粒之間構成腐蝕介質的集中通道；

δ相鐵素體富Cr，碳化鉻可優先在δ相邊緣沉淀，不會在奧氏體晶粒表面形成貧鉻層，從而也有利于提高焊縫的抗晶間腐蝕性能。

不利作用：

過高的鐵素體降造成奧氏體抗點腐蝕和特殊介質中的腐蝕性能下降。

機理：

因其與奧氏體的電極電位不同，超過一定限度后，會使點腐蝕和δ相選擇性腐蝕傾向增大；

選擇性腐蝕與腐蝕介質有關，在硫酸和尿素介質中將優先腐蝕。

注：① σ相（脆硬無磁性的Fe-Cr相化合物，500~900℃下長時間工作，δ相鐵素體易產生σ相，并分布于晶界，嚴重降低塑性和韌性并會增大晶間腐蝕性能）；

② 為避免高溫脆化；此時需將鐵素體控制在3~8%，或固溶處理，將σ相溶解回基體。

三、奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的控制

1、除了焊材成分設計（即前面提到的Creq/Nieq比）；

2、還有焊接過程的控制：

① 電弧的高低、保護氣體的種類會顯著影響熔敷金屬的N含量，進而影響焊縫鐵素體含量；

② 焊接參數及工藝的控制，會直接影響熔池溫度和焊縫凝固速度，進而影響焊縫鐵素體含量。