奥氏体不锈钢中铁素体的作用、检测及预测

一、概述

1.1 不锈钢分类—按组织结构分为：

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

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

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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

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

3.3 铁素体含量的预测：

Schaeffler 图

Schaeffler 图

Espy 图 

WRC-1992 图 

3.3.1 不同铁素体预测图的比较

3.4不同铁素体测量方法比较

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。