铁素体对奥氏体不锈钢性能的影响

2013-04-17张仁军朱洪军管晓光谭延宏

机械工程师 2013年6期

关键词：晶间腐蚀铁素体奥氏体

张仁军，朱洪军，管晓光，谭延宏

（1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046；2.黑龙江科技学院材料学院，哈尔滨150027）

1 引言

奥氏体不锈钢因其具有良好的耐蚀性能、加工性能、力学性能，在工业各领域得到充分应用。铁素体含量及其准确测量更是直接关系到奥氏体钢的使用稳定性和安全性。

2 铁素体的形成机理

对于不锈钢材料，合金元素作用可分为两类，一类是有利于奥氏体形成的奥氏体形成元素，另一类是有利于铁素体形成的铁素体形成元素。这两类合金的比例直接决定了奥氏体钢的组织结构和综合性能。

不考虑特殊的使用条件，一般不锈钢材料中作为典型铁素体形成元素的Cr含量约为12%。通过铁碳二元相图可观察到，当合金温度从800℃降低至室温时，原本为面心立方晶体结构的奥氏体转变为具有体心立方结构的铁素体或马氏体组织［1］。若将Ni或多种奥氏体形成元素加入到上述铁铬合金中，则当温度降至常温时，原高温状态的奥氏体仍能够处于稳定状态，这就形成了常温下的稳定奥氏体组织。

综上所述，在合金中加入的奥氏体形成元素并不足以让所有高温奥氏体全部转化为常温稳定奥氏体时，在温度达到室温后，只能一部分转变为奥氏体，另一部分转变为铁素体，成为奥氏体-铁素体复相状态。这类钢与纯奥氏体钢相比，具有较为明显的优点，例如由于Cr的增加，奥氏体钢的抗晶间腐蚀能力有所提高，焊接热裂纹倾向小，但也同时存在加工性能差等缺点［2］。

3 铁素体对奥氏体钢的作用

对于铁素体对奥氏体不锈钢作用的研究是十分重要的，这一问题直接影响到对奥氏体不锈钢优良性能的探究。通过研究把握铁素体的利弊［3］，才能合理利用含有不同含量铁素体的奥氏体不锈钢，并采取相应的方法加以控制铁素体含量。

在焊接过程中易于出现的主要问题是：在焊缝区及焊接热影响区（即HAZ区）产生热裂纹，并出现腐蚀现象。这些现象又是作为奥氏体不锈钢工艺焊接性和使用焊接性的重要考核目标。因此对于奥氏体不锈钢中铁素体的作用，在这里我们最关注的是对焊接性能的影响。

在关注焊接性能的同时，对于不同的使用条件，研究铁素体对材料耐腐蚀性能、加工性能和力学性能的影响也是十分必要的。

3.1 铁素体对奥氏体不锈钢焊接性的影响

铁素体对奥氏体不锈钢焊接的影响主要从以下两个方面考虑：焊缝热裂纹，焊缝的脆化。

奥氏体不锈钢焊接热裂纹主要是由于焊缝及熔合区的P、S夹杂及低熔点相的偏聚，碳化铬的大量析出造成的。同时奥氏体钢的导热系数小、线膨胀系数大，焊缝金属凝固过程中存在较大拉应力也是产生热裂纹的重要原因。

铁素体含碳量低，具有塑性、韧性好，但强度、硬度低的特点，因此对杂质元素，如P、S等溶解度较大，从而能够有效防止杂质元素的偏析。而对Nb、Si等微量元素的溶解，能够减少低熔点相的形成，从而有效阻止热裂纹的产生，阻碍微小裂纹的延伸、扩展。

奥氏体不锈钢中的铁素体在焊接过程中，具有减少焊缝熔敷金属产生热裂纹倾向的作用，由此可见铁素体的存在能够在一定程度上改进焊接性，并保证了焊接结构的使用安全性。

然而铁素体在焊缝金属中同样存在一些负面影响，例如易产生σ相脆化［4］，这会造成材料脆性增大，导致焊缝性能的整体下降，不利于不锈钢的可焊性和低温韧性，因此焊缝铁素体含量应加以严格控制。

3.2 铁素体对奥氏体不锈钢耐蚀性能的影响

对于奥氏体不锈钢焊接而言，焊缝及热影响区的耐蚀性能也是一个重要方面。针对奥氏体钢焊缝耐蚀性能，当焊缝温度处于敏化温度范围内（600℃～850℃），将发生多余碳原子扩散在晶界处与铬形成不稳定的间隙碳化物Cr23C6，并在晶界处析出，造成了晶界处出现“贫铬区”。由于“贫铬区”与晶粒内部存在相对较大的电位差，因而容易导致奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。

为避免晶间腐蚀应考虑两方面因素：一方面是在母材含碳量一定的情况下，在焊材中加入稳定C元素的合金元素，如Ti、Nb；另一方面从焊接冶金方面考虑，应破坏奥氏体焊缝金属中形成的柱状晶，形成双相组织，即含有铁素体的奥氏体不锈钢［5］。

当奥氏体不锈钢中含有一定量的铁素体时，呈现出小坑状均匀分布在奥氏体晶粒之间，破坏奥氏体相柱状晶的单一方向性生长，不致形成连续贫铬区，减少了碳化物沉淀的可能性，从而提高不锈钢焊缝抗晶间腐蚀的能力［6］。目前已有研究证明TP.309L和TP.347系含少量铁素体的奥氏体不锈钢焊材，具有降低裂纹敏感性，提高晶间腐蚀的能力［7，8］。

从上述分析中，焊接材料中铁素体对于改善焊缝金属和HAZ区抗腐蚀能力的作用极为显著。同理可得，存在于奥氏体不锈钢铸件和锻件中的少量铁素体，整体上能够起到提高材料的耐腐蚀性能的作用［9］。这是因为铁素体中Cr的含量远大于奥氏体中的Cr含量，在熔炼冷却过程中，铁素体中大量的Cr会及时析出，减少了晶界处贫铬区的形成。