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不锈钢中铁素体的作用
来源: | 作者:pmt7f6ada | 发布时间: 2021-05-09 | 849 次浏览 | 分享到:
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。
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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
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
3.3.1 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。
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