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    奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用、檢測及預測

    發布時間:2021-08-25   點擊次數:100次

    奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用、檢測及預測

    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。


    合金元素對不銹鋼的作用


    圖片

    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最強,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、鐵素體常見的檢測/預測方法
    3.1 磁性法——JB/T 7853-95 鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體數的測量



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