周麗

（山西鋼鐵建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，山西 太原 030008）

一、引言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐低溫性、良好的形狀和優(yōu)良的附著力。不銹鋼是一種重要的系列材料，其生產(chǎn)是不銹鋼的一般生產(chǎn)，不銹鋼閥門的主要材料幾乎都是奧氏體不銹鋼，閥門行業(yè)對奧氏體不銹鋼的概念只涵蓋了化學(xué)成分和機(jī)械性能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核電站用核安全閥、核反應(yīng)堆工程專用閥門、國防軍工以及大型化工廠ASC 管道的重要閥門被不斷使用。因此，有必要掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測定和計算方法。

二、奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用

（一）焊接性能

焊接奧氏體不銹鋼的主要問題是它對焊縫和受熱區(qū)域的熱裂紋和腐蝕的抵抗力，這種類型的問題也是奧氏體鋼使用焊接和釬焊的證據(jù)。鐵素體在奧氏體鋼體的焊接中起著極其重要的作用，為防止焊縫的裂紋（熱裂紋）硬化，在奧氏體焊縫中應(yīng)形成一定量的δ 相鐵素體（4%～12%）。δ 鐵素體是奧氏體不銹鋼（包括焊接金屬），在主要結(jié)晶過程（固化過程）中形成并保持在常溫下，由于鐵素體含碳量低，在延展性和強(qiáng)度方面與純鐵相似，但強(qiáng)度和耐久性較低。

焊接工藝實際上是在母材和焊接材料上局部進(jìn)行的焊接結(jié)構(gòu)、冶金工藝和熱處理。焊接鐵素體能有效阻止低熔點共晶的形成，降低分離率，抵消二次晶界，從而防止塑料在熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋?？傊缚p中的δ 鐵素體對防止和減少奧氏體焊縫金屬的熱裂紋和微裂紋具有積極作用，焊接設(shè)計的焊接能力和安全性大大提高。

δ 鐵素體對焊縫有一定的負(fù)面影響，對于焊后需要在600℃以上進(jìn)行熱處理的焊縫，或在600～850℃下長時間運行的焊縫，δ 相鐵素體具有6 相四邊形晶體結(jié)構(gòu)，因為在高溫下鐵素體相更高。它富含Cr，使周圍的Cr放電，使焊縫金屬變脆，在這種情況下，必須檢查焊縫的鐵素體含量在3%到8%之間，或者必須批準(zhǔn)再固溶處理以將相鐵素體重新插入基體中。焊縫適用于整個焊接區(qū)域，包括焊縫、接頭和受熱區(qū)域，奧氏體鋼的焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常因腐蝕而損壞甚至斷裂，最常見的腐蝕類型是晶間腐蝕和強(qiáng)腐蝕。

由于鐵素體均勻分布在奧氏體晶粒之間的小孔中，削弱了奧氏體柱的晶體和枝晶的取向，使奧氏體晶粒的邊界分離，不斷混合碳化鉻析出物，防止晶間腐蝕。試驗表明，由于鐵素體不易因腐蝕而開裂，因此含有鐵素體的奧氏體焊縫的耐腐蝕性能優(yōu)于成分相同但鐵素體較少的奧氏體焊縫。

（二）耐腐蝕性能

焊接材料中的δ 相鐵素體（母材和焊接材料）顯著改善了球團(tuán)的防腐機(jī)制和焊接應(yīng)力和被加熱區(qū)域的腐蝕機(jī)制，根據(jù)與奧氏體不銹鋼相同的機(jī)理，在主要金屬鑄件和鍛件中加入少量鐵素體（5%～12%）有助于提高材料的穩(wěn)定性。另一方面，鐵素體含量應(yīng)限制在一些腐蝕性介質(zhì)中，例如鐵素體在尿素和醋酸等介質(zhì)中的選擇性腐蝕。

（三）力學(xué)性能和加工性能

由不銹鋼制成的鐵素體顯著影響材料的機(jī)械性能，隨著鐵素體含量的強(qiáng)度增加，而可見度和沖擊強(qiáng)度降低，使用此功能，可以調(diào)整鐵素體的成分，以達(dá)到材料所需的機(jī)械性能。鐵素體含量過高會干擾不銹鋼的鍛造，尤其是鍛比高的鍛件，限制垃圾填埋場票中的鐵素體含量（通常限制在3%至8%）是可以接受的。冷彎奧氏體鋼也是如此，如冷彎、深拉、冷壓和奧氏體壓制鋼，鐵素體含量應(yīng)進(jìn)一步限制（通常限制小于5%）。鋼制閥門的基本外殼材料（外殼和涂層），當(dāng)?shù)仄髽I(yè)通常使用CF 奧氏體鋼鑄件中的鐵素體含量不僅可用于鑄件作為主要焊接材料，以防止焊縫中的熱裂紋和微裂紋，還可防止開裂，并發(fā)展在固化和鑄造過程中分裂和鑄造材料的力學(xué)。

三、鐵素體的形成機(jī)理

結(jié)合劑對不銹鋼材料的作用可分為兩類，一類是適合奧氏體形成的奧氏體形成元素，另一類是促進(jìn)鐵素體形成的鐵素體形成元素，這兩種合金的配比直接決定了奧氏體鋼的整體組織和性能。

盡管使用條件特殊，但常規(guī)不銹鋼材料中作為典型鐵素體形成元素的Cr 含量約為12%，得益于鐵碳二元圖，當(dāng)合金溫度從室溫下降到800°C 時，原來表面中心具有立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎借F素體或馬氏體結(jié)構(gòu)?！叭绻谏鲜鲨F鉻合金中加入鎳或多種奧氏體元素，如果溫度降至室溫，初始高溫狀態(tài)下的奧氏體仍然可以穩(wěn)定，從而產(chǎn)生真正的穩(wěn)定性。

因此，形成合金的奧氏體元素不足以將所有高溫奧氏體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的奧氏體，一旦溫度達(dá)到室溫，只有一部分會變成奧氏體，其余部分變成鐵素體和復(fù)雜的大燈奧氏體-鐵素體，這類鋼與純奧氏體鋼相比具有明顯的優(yōu)勢。例如，由于Cr的增加，提高了奧氏體鋼的抗晶間腐蝕能力，不易產(chǎn)生熱裂紋，而且具有加工性能。

所有不同類型的不銹鋼都是鉻含量超過12%的鐵基合金，鐵基合金在高溫（800℃以上）下的主要晶體結(jié)構(gòu)是表面集中的立方奧氏體，當(dāng)溫度下降到室溫時，體中心的晶體結(jié)構(gòu)變成立方鐵素體（或馬氏體），如果在合金中加入超過7%的Ni 或加入一種或多種形成奧氏體的元素如CN 或Mn，高溫奧氏體晶體在室溫下是穩(wěn)定的，即在室溫下為奧氏體。如果奧氏體的添加元素總量（鎳當(dāng)量）不足，在常溫下可能只有一部分是奧氏體，其余可能是鐵素體，可以得出結(jié)論，不銹鋼的組織是由合金元素的組成決定的。對于奧氏體不銹鋼的作用，合金元素的作用可分為兩大類，即鐵素體形成元素（稱為鉻當(dāng)量元素）和奧氏體形成元素（所謂鎳當(dāng)量元素），兩種元素之間的平衡決定了奧氏體中鐵素體的含量，構(gòu)成奧氏體的元素包括鎳、Mn、C 和N。構(gòu)成鐵素體的元素包括Cr、Mo、Si，Nb 和TiCr 是典型的鐵素體形成元素，也是不銹鋼中的重要元素，基于鐵的合金，鉻含量超過12%，Cr 的主要作用是增加耐腐蝕性和抗高氧化溫度。

Ni 是形成和穩(wěn)定奧氏體的典型元素，圖1 顯示了鎳的影響，圖中對角線上的奧氏體在指定溫度下是穩(wěn)定的，沿著這條線，鐵素體和馬氏體都具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，Ni 的作用是增加抗酸蝕能力，提高非氧化性介質(zhì)的抗腐蝕性能，提高和加工混合時材料的強(qiáng)度、彈性和優(yōu)良的綜合性能。

Mo 是促進(jìn)鐵素體形成的元素，相當(dāng)于鉻1。Mo 可以增加鈍化膜的強(qiáng)度，增加抗局部腐蝕的能力，特別耐氯離子腐蝕，可提高在硫酸、磷酸和有機(jī)酸等可再生介質(zhì)中的耐腐蝕性。Mo 還可以提高奧氏體鋼在高溫下的強(qiáng)度。由于Mo 是鐵素體元素，所以在CF3M 等不銹鋼Mo 鋼中必須相應(yīng)增加Ni 等真正元素的成分，以平衡組織。添加2.0-3.0Mo 后，Ni 含量也增加到9.0%-13，如何提高鋼的高溫特性和在強(qiáng)氧化性介質(zhì)（如煙熏硝酸）中的耐腐蝕性能，以及在安裝過程中提高鑄件性能，Nb 和Ti 在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，而Cr能與碳結(jié)合形成均勻分布在基體中的穩(wěn)定碳化物，防止碳化物形成。以防止晶間腐蝕，Nb 比Ti 具有更高的抗晶間腐蝕性能，而且Nb 還能提高奧氏體鋼在高溫下的強(qiáng)度，Nb 相網(wǎng)絡(luò)的鉻當(dāng)量可用于計算，C 是大大擴(kuò)展奧氏體區(qū)域的元素，其鎳當(dāng)量為30。碳對增加奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性有非常顯著的作用，但碳和鉻很容易結(jié)合形成碳化鉻，奧氏體晶粒被耗盡在邊界鉻中，降低了抗晶間腐蝕的能力。因此，降低碳含量是防止晶間腐蝕最有效的措施，奧氏體鋼的含碳量應(yīng)控制在0.08%（低碳）和0.03%（超低碳）以下。

N 奧氏體的重要形成和穩(wěn)定元素，鎳當(dāng)量30 顯著提高了鋼的強(qiáng)度，增加了局部耐腐蝕性（孔和裂紋腐蝕）并減少了六相析出，防止了高溫元素并提供了良好的奧氏體抗性。利用這一特點，美國、法國和中國在過去的20 年里一直在不斷開發(fā)含氮或可控氬的不銹鋼，含氮代表有AISI304N 和AISI304LN（含氮0.10%-0.16%），控氮鋼又稱核鋼，如304NG.X2CND18-12（法標(biāo)RCC-M）和316NG（含氮0.06-0.10%）。這樣的新鋼級顯著提高了強(qiáng)度，提高了鋼的抗晶間腐蝕和腐蝕應(yīng)力的能力，成功解決了核熱水反應(yīng)堆運行過程中發(fā)生的IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕）破壞，該型已成功應(yīng)用于核控鋼制核反應(yīng)堆（PWR）。Mn 是使奧氏體膨脹穩(wěn)定的元素，鎳當(dāng)量為0.5，N 和Mn 通常組合使用作為替代和維持Ni 的基材，Mn 可以增加N 在鋼中的硬度和溶解度，但Mn 會引起六相析出，使鋼變脆，與鋼的耐低溫性和焊接性不匹配。

四、鐵素體含量的測量方法

通過分析鐵素體成分對奧氏體不銹鋼的影響，準(zhǔn)確測量鐵素體含量對于奧氏體不銹鋼的合理應(yīng)用至關(guān)重要，目前國際上采用FN 鐵素體數(shù)量和FP 鐵素體體積比作為焊縫中鐵素體含量的代表量。國內(nèi)外常用的檢測方法：化學(xué)圖譜法、金相法和磁性法，金相法的優(yōu)點是可靠性高，因為在按照統(tǒng)計原理進(jìn)行測量的過程中，必須定期檢測足夠數(shù)量的會合區(qū)域和跟蹤點，但這種情況下，精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，速度慢，效率低，不同檢查員的檢查結(jié)果有很大差異?？梢姡Ｒ?guī)金相方法由于測量精度差、測量間隔窄、測量過程困難等原因?qū)е虏怀Ｊ褂?。Atlas 化學(xué)分析法可以通過測量奧氏體和雙相不銹鋼的化學(xué)成分來確定鐵素體含量，大量的試驗和研究表明，鐵素體含量的計算值與實際測量值有很大的偏差，這是由于光譜本身和化學(xué)成分分析結(jié)果的誤差等諸多因素的累積影響。磁法是目前檢測鐵素體含量最完善、最方便的方法，被認(rèn)為是測量焊縫中鐵素體含量最好的方法之一，但是，鐵素體分布不僅會影響測量的準(zhǔn)確性，需要多次測量才能保證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。因此，建議采用磁法檢測奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量。

五、結(jié)論

綜上所述，鐵素體的作用是雙重的，奧氏體鋼母材和焊接材料中含有一定量的鐵素體，對于防止熱焊、增加焊縫抗晶間腐蝕和腐蝕能力起著非常重要的作用，同時鑄件中一定量的鐵素體有利于防止熱溢出和提高鑄件的機(jī)械性能，其不利影響需要在某些特定條件下進(jìn)行控制，例如高溫、超低溫和選擇性侵蝕性環(huán)境。因此，研究鐵素體在奧氏體不銹鋼中的作用，掌握鐵素體的調(diào)節(jié)、測量和計算原理非常重要，特別是對設(shè)計生產(chǎn)用高參數(shù)鋼制閥門的研發(fā)。