铁素体对奥氏体不锈钢性能的影响

周丽

（山西钢铁建设（集团）有限公司，山西 太原 030008）

一、引言

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐热性、耐低温性、良好的形状和优良的附着力。不锈钢是一种重要的系列材料，其生产是不锈钢的一般生产，不锈钢阀门的主要材料几乎都是奥氏体不锈钢，阀门行业对奥氏体不锈钢的概念只涵盖了化学成分和机械性能。随着科学技术的发展，核电站用核安全阀、核反应堆工程专用阀门、国防军工以及大型化工厂ASC 管道的重要阀门被不断使用。因此，有必要掌握奥氏体不锈钢中铁素体含量的测定和计算方法。

二、奥氏体不锈钢中铁素体的作用

（一）焊接性能

焊接奥氏体不锈钢的主要问题是它对焊缝和受热区域的热裂纹和腐蚀的抵抗力，这种类型的问题也是奥氏体钢使用焊接和钎焊的证据。铁素体在奥氏体钢体的焊接中起着极其重要的作用，为防止焊缝的裂纹（热裂纹）硬化，在奥氏体焊缝中应形成一定量的δ 相铁素体（4%～12%）。δ 铁素体是奥氏体不锈钢（包括焊接金属），在主要结晶过程（固化过程）中形成并保持在常温下，由于铁素体含碳量低，在延展性和强度方面与纯铁相似，但强度和耐久性较低。

焊接工艺实际上是在母材和焊接材料上局部进行的焊接结构、冶金工艺和热处理。焊接铁素体能有效阻止低熔点共晶的形成，降低分离率，抵消二次晶界，从而防止塑料在热影响区产生裂纹。总之，焊缝中的δ 铁素体对防止和减少奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹具有积极作用，焊接设计的焊接能力和安全性大大提高。

δ 铁素体对焊缝有一定的负面影响，对于焊后需要在600℃以上进行热处理的焊缝，或在600～850℃下长时间运行的焊缝，δ 相铁素体具有6 相四边形晶体结构，因为在高温下铁素体相更高。它富含Cr，使周围的Cr放电，使焊缝金属变脆，在这种情况下，必须检查焊缝的铁素体含量在3%到8%之间，或者必须批准再固溶处理以将相铁素体重新插入基体中。焊缝适用于整个焊接区域，包括焊缝、接头和受热区域，奥氏体钢的焊接结构经常因腐蚀而损坏甚至断裂，最常见的腐蚀类型是晶间腐蚀和强腐蚀。

由于铁素体均匀分布在奥氏体晶粒之间的小孔中，削弱了奥氏体柱的晶体和枝晶的取向，使奥氏体晶粒的边界分离，不断混合碳化铬析出物，防止晶间腐蚀。试验表明，由于铁素体不易因腐蚀而开裂，因此含有铁素体的奥氏体焊缝的耐腐蚀性能优于成分相同但铁素体较少的奥氏体焊缝。

（二）耐腐蚀性能

焊接材料中的δ 相铁素体（母材和焊接材料）显著改善了球团的防腐机制和焊接应力和被加热区域的腐蚀机制，根据与奥氏体不锈钢相同的机理，在主要金属铸件和锻件中加入少量铁素体（5%～12%）有助于提高材料的稳定性。另一方面，铁素体含量应限制在一些腐蚀性介质中，例如铁素体在尿素和醋酸等介质中的选择性腐蚀。

（三）力学性能和加工性能

由不锈钢制成的铁素体显著影响材料的机械性能，随着铁素体含量的强度增加，而可见度和冲击强度降低，使用此功能，可以调整铁素体的成分，以达到材料所需的机械性能。铁素体含量过高会干扰不锈钢的锻造，尤其是锻比高的锻件，限制垃圾填埋场票中的铁素体含量（通常限制在3%至8%）是可以接受的。冷弯奥氏体钢也是如此，如冷弯、深拉、冷压和奥氏体压制钢，铁素体含量应进一步限制（通常限制小于5%）。钢制阀门的基本外壳材料（外壳和涂层），当地企业通常使用CF 奥氏体钢铸件中的铁素体含量不仅可用于铸件作为主要焊接材料，以防止焊缝中的热裂纹和微裂纹，还可防止开裂，并发展在固化和铸造过程中分裂和铸造材料的力学。

三、铁素体的形成机理

结合剂对不锈钢材料的作用可分为两类，一类是适合奥氏体形成的奥氏体形成元素，另一类是促进铁素体形成的铁素体形成元素，这两种合金的配比直接决定了奥氏体钢的整体组织和性能。

尽管使用条件特殊，但常规不锈钢材料中作为典型铁素体形成元素的Cr 含量约为12%，得益于铁碳二元图，当合金温度从室温下降到800°C 时，原来表面中心具有立方晶体结构的奥氏体转变为立方铁素体或马氏体结构。“如果在上述铁铬合金中加入镍或多种奥氏体元素，如果温度降至室温，初始高温状态下的奥氏体仍然可以稳定，从而产生真正的稳定性。

因此，形成合金的奥氏体元素不足以将所有高温奥氏体转化为稳定的奥氏体，一旦温度达到室温，只有一部分会变成奥氏体，其余部分变成铁素体和复杂的大灯奥氏体-铁素体，这类钢与纯奥氏体钢相比具有明显的优势。例如，由于Cr的增加，提高了奥氏体钢的抗晶间腐蚀能力，不易产生热裂纹，而且具有加工性能。

所有不同类型的不锈钢都是铬含量超过12%的铁基合金，铁基合金在高温（800℃以上）下的主要晶体结构是表面集中的立方奥氏体，当温度下降到室温时，体中心的晶体结构变成立方铁素体（或马氏体），如果在合金中加入超过7%的Ni 或加入一种或多种形成奥氏体的元素如CN 或Mn，高温奥氏体晶体在室温下是稳定的，即在室温下为奥氏体。如果奥氏体的添加元素总量（镍当量）不足，在常温下可能只有一部分是奥氏体，其余可能是铁素体，可以得出结论，不锈钢的组织是由合金元素的组成决定的。对于奥氏体不锈钢的作用，合金元素的作用可分为两大类，即铁素体形成元素（称为铬当量元素）和奥氏体形成元素（所谓镍当量元素），两种元素之间的平衡决定了奥氏体中铁素体的含量，构成奥氏体的元素包括镍、Mn、C 和N。构成铁素体的元素包括Cr、Mo、Si，Nb 和TiCr 是典型的铁素体形成元素，也是不锈钢中的重要元素，基于铁的合金，铬含量超过12%，Cr 的主要作用是增加耐腐蚀性和抗高氧化温度。

Ni 是形成和稳定奥氏体的典型元素，图1 显示了镍的影响，图中对角线上的奥氏体在指定温度下是稳定的，沿着这条线，铁素体和马氏体都具有稳定的晶体结构，Ni 的作用是增加抗酸蚀能力，提高非氧化性介质的抗腐蚀性能，提高和加工混合时材料的强度、弹性和优良的综合性能。

Mo 是促进铁素体形成的元素，相当于铬1。Mo 可以增加钝化膜的强度，增加抗局部腐蚀的能力，特别耐氯离子腐蚀，可提高在硫酸、磷酸和有机酸等可再生介质中的耐腐蚀性。Mo 还可以提高奥氏体钢在高温下的强度。由于Mo 是铁素体元素，所以在CF3M 等不锈钢Mo 钢中必须相应增加Ni 等真正元素的成分，以平衡组织。添加2.0-3.0Mo 后，Ni 含量也增加到9.0%-13，如何提高钢的高温特性和在强氧化性介质（如烟熏硝酸）中的耐腐蚀性能，以及在安装过程中提高铸件性能，Nb 和Ti 在不锈钢中起稳定碳的作用，而Cr能与碳结合形成均匀分布在基体中的稳定碳化物，防止碳化物形成。以防止晶间腐蚀，Nb 比Ti 具有更高的抗晶间腐蚀性能，而且Nb 还能提高奥氏体钢在高温下的强度，Nb 相网络的铬当量可用于计算，C 是大大扩展奥氏体区域的元素，其镍当量为30。碳对增加奥氏体不锈钢的稳定性有非常显著的作用，但碳和铬很容易结合形成碳化铬，奥氏体晶粒被耗尽在边界铬中，降低了抗晶间腐蚀的能力。因此，降低碳含量是防止晶间腐蚀最有效的措施，奥氏体钢的含碳量应控制在0.08%（低碳）和0.03%（超低碳）以下。

N 奥氏体的重要形成和稳定元素，镍当量30 显著提高了钢的强度，增加了局部耐腐蚀性（孔和裂纹腐蚀）并减少了六相析出，防止了高温元素并提供了良好的奥氏体抗性。利用这一特点，美国、法国和中国在过去的20 年里一直在不断开发含氮或可控氩的不锈钢，含氮代表有AISI304N 和AISI304LN（含氮0.10%-0.16%），控氮钢又称核钢，如304NG.X2CND18-12（法标RCC-M）和316NG（含氮0.06-0.10%）。这样的新钢级显著提高了强度，提高了钢的抗晶间腐蚀和腐蚀应力的能力，成功解决了核热水反应堆运行过程中发生的IGSCC（晶间应力腐蚀）破坏，该型已成功应用于核控钢制核反应堆（PWR）。Mn 是使奥氏体膨胀稳定的元素，镍当量为0.5，N 和Mn 通常组合使用作为替代和维持Ni 的基材，Mn 可以增加N 在钢中的硬度和溶解度，但Mn 会引起六相析出，使钢变脆，与钢的耐低温性和焊接性不匹配。

四、铁素体含量的测量方法

通过分析铁素体成分对奥氏体不锈钢的影响，准确测量铁素体含量对于奥氏体不锈钢的合理应用至关重要，目前国际上采用FN 铁素体数量和FP 铁素体体积比作为焊缝中铁素体含量的代表量。国内外常用的检测方法：化学图谱法、金相法和磁性法，金相法的优点是可靠性高，因为在按照统计原理进行测量的过程中，必须定期检测足够数量的会合区域和跟踪点，但这种情况下，精度、稳定性和重复性较差，速度慢，效率低，不同检查员的检查结果有很大差异。可见，常规金相方法由于测量精度差、测量间隔窄、测量过程困难等原因导致不常使用。Atlas 化学分析法可以通过测量奥氏体和双相不锈钢的化学成分来确定铁素体含量，大量的试验和研究表明，铁素体含量的计算值与实际测量值有很大的偏差，这是由于光谱本身和化学成分分析结果的误差等诸多因素的累积影响。磁法是目前检测铁素体含量最完善、最方便的方法，被认为是测量焊缝中铁素体含量最好的方法之一，但是，铁素体分布不仅会影响测量的准确性，需要多次测量才能保证数据的可重复性。因此，建议采用磁法检测奥氏体不锈钢中的铁素体含量。

五、结论

综上所述，铁素体的作用是双重的，奥氏体钢母材和焊接材料中含有一定量的铁素体，对于防止热焊、增加焊缝抗晶间腐蚀和腐蚀能力起着非常重要的作用，同时铸件中一定量的铁素体有利于防止热溢出和提高铸件的机械性能，其不利影响需要在某些特定条件下进行控制，例如高温、超低温和选择性侵蚀性环境。因此，研究铁素体在奥氏体不锈钢中的作用，掌握铁素体的调节、测量和计算原理非常重要，特别是对设计生产用高参数钢制阀门的研发。