σ相脆化失效可能性分级及检验策略

王立博 曹逻炜 刘文

（中国特种设备检测研究院，北京100029）

0 引言

不锈钢及其焊接接头在538～816°C温度范围内长期使用，会析出被称作σ 相的Fe-Cr 金属间化合物，造成材料冲击韧性急剧下降，甚至诱发开裂，产生σ相脆化。受σ相脆化影响的材料包括300系列不锈钢、400系列不锈钢、Cr元素含量超过17%的铁素体不锈钢和马氏体不锈钢，以及双相不锈钢[1]。

σ相脆化属于材质裂化范畴，脆化后的材料对晶间腐蚀更敏感，对其失效可能性的评估有助于增强对相关设备的风险衡量，并通过制定相应的检验策略降低相关设备的开裂风险。API 581-2000附录L的脆性断裂技术模块中有关于σ相脆化技术模块次因子的评估流程[2]。但GB/T 26610《承压设备系统基于风险的检验实施导则第4 部分：失效可能性定量分析方法》中在脆性断裂机制的筛选中并没有将σ相脆化包含进来[3]。鉴于这些年对旋风分离器、换热管-管板连接部位、不锈钢堆焊层以及不锈钢阀门检验过程中发现多起σ相脆化现象，有必要在探讨下σ相脆化失效可能性分级及检验策略的制定。

1 σ相的形成和影响

1.1 σ相的形成及稳定性

σ相形成时，首先在晶界形核。在奥氏体不锈钢中，σ相的形成靠消耗M23C6和γ相（奥氏体）生长；在双相钢中，由于高温条件下合金元素在铁素体上的扩散要比相应的奥氏体上快100倍以上，故双相不锈钢在高温热加工和服役条件下易在铁素体内和晶界上发生σ 相变[4]。晶内针状σ 相析出需要较长时间，并且具有方向性[5]，一方面是由于Cr元素在面心立方晶格里扩散缓慢，在900°C下Cr的扩散速度是Mo的一半；另一方面析出时间也取决于钢的含碳量，含碳量越小，析出时间越长。尽管Mo 的扩散速度比Cr 快，但Mo 也是控制σ 相形核的主要元素之一[6]。

Fe0.6Cr0.4合金在747°C 下完全转变为σ 相只需3 小时。奥氏体不锈钢在691°C 下进行焊后热处理，转变为σ相也在几小时之内发生。σ 相在899°C 以上温度下不稳定，奥氏体不锈钢部件在1066°C 下经历4 小时固溶退火处理，然后水淬，可消除σ相[2]。

1.2 σ相的显微组织及分布

σ相在钢中主要存在两种形貌，一种为具有复杂几何外形的块状，主要以不连续状态分布在晶界；另一种为针状，主要以弥散状分布在晶内或贯穿整个晶粒[5]。在三维上，存在板状结构，板与板之间互相平行，或成一定角度，在某区域内形成了类似魏氏组织的存在。二维平面上的块状形貌正是这种三维板状结构的截面反映。

表1 不锈钢σ相脆化失效可能性分级及分级原则

1.3 σ相对力学性能的影响

σ 相以第二相粒子的形式存在于材料中，会显著降低材料的韧性，使其脆化[6]。另一方面，由于σ 相的硬度很高，大量析出的σ相可一定程度提高材料强度[7]。

1.4 σ相对腐蚀性能的影响

σ 相的析出对材料的腐蚀性能有较大影响，因为在形成σ相的过程中，Mo和Cr在σ相中聚集，导致材料表面基体中Mo和Cr 含量的减少，而Mo 和Cr 对于材料的耐腐蚀性具有很重要的意义[8]。

2 σ相脆化失效可能性分级及检验策略

表2 不锈钢设备σ相脆化检验策略

σ相的形成速度、数量及分布取决于合金的化学成分、前期冷加工历史以及焊后热处理，σ相脆化失效可能性与材料种类、σ 相含量以及评估温度有关。其中，材料种类是确定是否存在σ 相脆化的基础，σ 相含量以及评估温度是评价脆化失效可能性的关键因素。根据引发脆化的因素，可以将材料失效可能性由低到高分为1 到4 级，1 级的失效可能性低，应加强现场巡查与日常检测维护，4级的失效可能性高，建议及时进行更换。σ相脆化失效可能性分级及分级原则见表1，其中主要考虑的因素有不锈钢类型、服役温度、服役时间和现场金相，满足全部4项分级原则可定为相应的失效可能性等级。

σ 相引起的主要失效模式是由于材料脆化造成的脆性断裂，虽然σ相对材料的腐蚀性能有一定影响，但目前少见由此引发的失效。因此，现场检验主要考虑脆性失效问题，应进行表面缺陷检测、金相检测和铁素体含量检测，检测数量应该与失效可能性相关，失效可能性越高，检测数量越多，有条件的可以取试样进行冲击韧性测试，得出韧性下降的直接数据。不锈钢设备σ相脆化检验策略见表2。

3 结语

在众多类型的不锈钢二次析出相中，σ 相无疑是最常见的一种，它在一定程度上提高强度，但却大大降低韧性，因此通常将其视为有害相。文章初步建立了σ相脆化失效可能性分级及检验策略制定。