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奥氏体不锈钢中铁素体的作用、检测及预测

2020-12-16

一、概述

1.1 不锈钢分类—按组织结构分为:


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奥氏体不锈钢是不锈钢焊材中重要的一类,因其良好的耐热、耐蚀、耐低温及好的加工和焊接性被广泛应用于各个领域,其产量约占不锈钢总量的70%。

奥氏体是C溶解在γ铁形成的间隙固溶体,具有面心立方结构,无磁性;奥氏体不锈钢是主要通过冷作加工使其强化(并产生诱导马氏体而导致有磁性)的不锈钢。

铁素体是奥氏体不锈钢中的重要组成部,具有体心立方结构,有磁性,分为α铁素体和δ铁素体。

焊接时奥氏体不锈钢形成的铁素体,是由液态向固态转变时形成的铁素体,此种铁素体称为δ铁素体(也叫高温铁素体);而由奥氏体析出的铁素体也就是α铁素体,两者因转变温度不同而有着 本质上的区别。


α铁素体:C溶解在α铁形成的间隙固溶体,常用符号F表示,是铁素体不锈钢的主要组成;

δ铁素体:C溶解在δ铁形成的间隙固溶体,也称高温铁素体,在奥氏体不锈钢焊缝中起着极其重要的作用;


1.2 铁素体的形成机理


所有不同种类的不锈钢都是Cr含量12%以上的铁基合金。不锈钢的组织结构由合金元素含量(也就是铬、镍当量)所决定。

对不锈钢,合金元素可分为两大类,即铁素体形成元素(也称铬当量元素)和奥氏体形成元素(也称镍当量元素),两大类元素的平衡关系决定了组织中铁素体含量的多少。奥氏体形成元素主要有C、N 、Mn、Ni、Cu等,铁素体形成元素主要有Cr、Mo、Si、Nb、Al、Ti等。


合金元素对不锈钢的作用

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铬镍奥氏体钢凝固时,根据不同的化学成分可能会有3种结晶模式,即A全奥氏体模式、AF(初析奥氏体并在凝固终了前,共晶生成部分铁素体)凝固模式和FA(初析铁素体并在凝固终了前形成部分奥氏体)凝固模式。焊缝凝固模式不同,焊缝凝固的开裂敏感性也不同。FA凝固模式抗凝固裂纹能力最强,全奥氏体凝固模式抗裂能力最差。

而铬镍奥氏体焊缝的凝固模式主要取决于焊缝金属的[Cr/Ni]eq,有文献研究表明当[Cr/Ni]eq>(1.47-1.58)时为FA凝固模式,当(1.47-1.58)>[Cr/Ni]eq>(1.14-1.24)为AF凝固模式,当[Cr/Ni]eq<1.14-1.24)为全奥氏体凝固模式,可为设计者提供参考。



二、不锈钢中铁素体的作用


奥氏体不锈钢中的δ相铁素体有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀性能,也能产生σ相脆化和δ相选择性腐蚀,不同行业对δ相铁素体含量均有相关要求。下面简要阐述奥氏体不锈钢中铁素体利与弊。


奥氏体不锈钢焊缝中δ相铁素体的作用

有利作用一:

防止热裂纹

机理:

铁素体对P、S、Si、和Nb等元素溶解度较大,能防止这些不利元素偏析和形成低熔点共晶,从而阻止凝固裂纹产生。

研究表明δ相超过3%可明显提高奥氏体焊缝抗热裂性能;


不利作用:

易产生脆化相,降低材料韧性。

机理:

高温下δ相铁素体容易转化成σ脆化相,即使不在高温下长时间工作,多层焊接时即可产生。δ相铁素体含量越高,越易析出σ相;

铁素体含量过高,极易产生脆性相,将造成堆焊层材料脆化,降低材料韧性,造成脆性破坏;

也会使热加工裂纹倾向性增大。


有利作用二:

少量铁素体可提高焊接接头的耐腐蚀性能,尤其是耐晶间腐蚀和应力腐蚀破裂性能。

机理:

在奥氏体不锈钢中,铁素体的存在可以打乱单一奥氏体组织的方向性,从而避免贫Cr层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道;

δ相铁素体富Cr,碳化铬可优先在δ相边缘沉淀,不会在奥氏体晶粒表面形成贫铬层,从而也有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀性能。


不利作用:

过高的铁素体降造成奥氏体抗点腐蚀和特殊介质中的腐蚀性能下降。

机理:

因其与奥氏体的电极电位不同,超过一定限度后,会使点腐蚀和δ相选择性腐蚀倾向增大;

选择性腐蚀与腐蚀介质有关,在硫酸和尿素介质中将优先腐蚀。


注:

① σ相(脆硬无磁性的Fe-Cr相化合物,500~900℃下长时间工作,δ相铁素体易产生σ相,并分布于晶界,严重降低塑性和韧性并会增大晶间腐蚀性能);

② 为避免高温脆化;此时需将铁素体控制在3~8%,或固溶处理,将σ相溶解回基体。



三、铁素体常见的检测/预测方法


我国外汇市场运行总体稳健。外汇市场供 求基本平衡,外汇储备规模总体稳定。更 加专注于实现优先稳就业、保民生、坚决 打赢脱贫攻坚战、努力实现全面建成小康 社会目标任务。


3.1 磁性法——JB/T 7853-95 铬镍奥氏体不锈钢焊缝中铁素体数的测量


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3.2 金相法——参照 GB/T 1594   铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法(或ASTM E562 系统人工点计数法) 检测


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3.3 铁素体含量的预测:


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Schaeffler 图


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Delong 图 


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Espy 图 


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WRC-1992 图 


3.3.1 不同铁素体预测图的比较


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3.4不同铁素体测量方法比较


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四、奥氏体不锈钢焊缝中铁素体的控制


1、除了焊材成分设计(即前面提到的Creq/Nieq比);


2、还有焊接过程的控制:

① 电弧的高低、保护气体的种类会显著影响熔敷金属的N含量,进而影响焊缝铁素体含量;

② 焊接参数及工艺的控制,会直接影响熔池温度和焊缝凝固速度,进而影响焊缝铁素体含量。



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