铁素体含量(δ%)对不锈钢性能的影响

铁素体含量(δ%)对不锈钢性能的影响一、铁素体（δ）的概述
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1.1 不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性，是不锈钢系列材料中重要的一类，其产量约占不锈钢总产量的60%。

不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢，而阀门行业对奥氏体不锈钢的认识水平，还仅涉及其化学成分和力学性能方面。

但是对一些石油化工重要工程中，都对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素体含量进行了规定，正常在5%～15%。

Fe-C相图
1.2 铁素体的作用具有双重性，奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体对防止焊接热裂纹, 提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力都有十分重
要的作用, 同时，铸件中一定数量的铁素体(5%～20%)对防止铸造热裂纹，提高铸件力学性能也都是有利的。

在一些特定的环境，如高温、超低温以及选择腐蚀环境，应控制其不利作用。

为此，研究奥氏体不锈钢中铁素体的作用, 掌握铁素体的调控原理、测量和计算方法, 对研制和开发不锈钢产品具有十分重要的意义。

铁素体金相组织图
二、铁素体对奥氏体钢性能的影响
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2.1 铁素体在奥氏体不锈钢中的作用是十分重要的，对阀门来讲，最重要的方面是对焊接性能的影响，其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能的影响。

不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。

奥氏体是面心立方晶体结构，无磁性。

铁素体和马氏体是体心立方晶体结构，有磁性。

2.1.1 其实奥氏体不锈钢，并不表明其组织结构必须是100%的奥氏体。

在不锈钢阀门和零件验收时，常可见到用磁铁来吸引被检测产品，若出现有弱磁性就以此认为产品存在质量问题，其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解。

2.1.2 奥氏体不锈钢的焊缝区由于其特定冷却结晶条件，熔池体积很小，焊缝金属的晶体是以熔池底部及边缘，沿着母材半熔化区残留的晶体外延生长的，结晶速度起初很慢，但在焊缝中心区很快，这样焊缝金属冷却结晶是在不平衡热力学条件下快速形成的。

结果就造成焊缝金属的化学成分因凝固过程中的偏析而很不均匀，从而导致奥氏体不锈钢的焊缝区铁素体可能较高且很不均匀，普通304不锈钢焊缝可达到5%~7%,甚至更高。

美国机械工程师学会（ASME)于20世纪80年代对1根304不锈钢焊管进行调查研究，发现其中只有0.2%的焊缝铁素体含量小于3%，近60%的焊缝铁素体含量大于8%~10%：
2.2 奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹，这类问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。

2.2.1 防止焊缝的热裂纹
奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。

奥氏体不锈钢焊缝中常常需要形成一定数量δ相铁素体（4%~12%），以防止焊缝产生凝固裂纹（热裂纹），铁素体是奥氏体不锈钢在一次结晶过程中生成并保留至常温的铁素体。

由于铁素体含碳量很低，性能与纯铁相似，有良好的塑性和韧性，低的强度和硬度。

铁素体的有利作用是对S、P、Si和Nb等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止凝固裂纹产生。

2.3 总之，焊接中的铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹作用是肯定的，显著的改进了焊接性，提高了焊接结构的安全程度。

奥氏体不锈钢中的铁素体对材料的力学性能也有显著影响。

铁素体含量增加时强度增加，同时，延展性和冲击强度减低。

利用此特性，可采用调控铁素体的含量来达到所需要的材料力学性能和加工性能。

2.4 铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性，特别是用于大型锻造件，一般控制在3%～8%，同样道理用于冷变形的奥氏体钢,如冷伸压、深冲压, 冷拔和冷挤压的奥氏体钢, 铁素体含量应进一步严格控制，一般5%以下。

三、舍夫勒图
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3.1 舍夫勒图(Schaeffier) 适用于所有奥氏体、铁素体或马氏体以及双相和沉淀硬化类不锈钢的铸件、锻件，也适用于常规的不锈钢焊后自然状态的焊缝组织评定。

此图是应用最广的不锈钢组织图，舍夫勒图的CR eq和Ni eq 计算公式为:
CR eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
Ni eq=Ni+30C+0.5Mn
从计算公式可以看出, 舍夫勒图没有考虑奥氏体形成元素N的作用, 因此估算铁素体含量的精确度为±4%。

舍夫勒图(Schaeffier)
3.2 舍夫勒图(Schaeffier) 最早于1949年根据焊条电弧焊所确定，组织图把室温组织CR eq和Ni eq所表示的焊缝成分联系起来。

根据组织图中CR eq 和Ni eq的关系式，可以计算奥氏体焊缝金属中δ铁素体含量：
δ=3(CR eq-0.93Ni eq-6.7)%
四、德龙图
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4.1 德龙图(Delong)是在舍夫勒图的基础上改进的，此图加入了奥氏体形成元素N的作用，更适合于含氮和控氮不锈钢以及气体保护焊的焊接组织评定。

德龙图的CR eq和Ni eq计算公式为:
CR eq=Cr+Mo+0.7Nb
Ni eq=Ni+35C+20N
德龙图(Delong)
4.2 在运用德龙图时, 应注意Ni eq中N元素的影响。

在ASME中关于N含量有明确的规定, 最好采用实测的含氮量。

如果没有实测值时, 可采用下列推荐的含氮量：
①熔化极气体保护焊(GMAW)的焊缝为0.08% ,药芯（FCAW）和焊条电弧焊为0.12% ，其他方法的焊缝为0.01% 。

②大量的试验数据证明, 当用上述ASME推荐的含N量代入德龙图的Ni eq计算式, 得出的δ铁素体计算值与实测值十分接近, 因此在应用德龙图时, 必须遵循ASME上述的规定。

4.3 在德龙图焊缝组织图中，由于CR eq和Ni eq的计算不同于舍夫勒焊缝组织图，因此，图中标出的AF/FA界限aa'，其CR eq和Ni eq＜1.5，大体为1.4，CR eq/Ni eq比值越大，δ铁素体相数量就越多，热裂倾向越小，下图是一个很有意义的研究结果。

如18-8系列奥氏体不锈钢，因CR eq/Ni eq处于1.5~2.0之间，不易产生热裂纹，而25-20系列奥氏体不锈钢，因CR eq/Ni eq ＜1.5，所以具有热裂倾向。

五、西威尔图
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1988年和1992年先后发表了标有凝固模式的新焊缝组织图WRC-1992。

图中将δ相数量用“铁素体数目”FN表示，两者对照，不足FN10时，FN值大体相当于δ%值，超过FN10之后，FN值越来越大于δ%值。

西威尔图CR eq 和Ni eq计算公式为:
CR eq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
Ni eq=Ni+30C+0.5Mn
WRC-1992
六、铁素体含量测量方法
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不锈钢中δ相铁素体含量的测量共有三种方法：
a 磁性仪测量法
b 金相检验法
c 计算法
a、磁性仪测量法
δ相铁素体是奥氏体状态不锈钢在凝固过程中生成并保留到常温的铁素体, 对铸件和焊缝可直接测量，利用铁素体的磁性特性, 奥氏体钢中δ相铁素体含量与钢的铁磁性成正比, 采用专用的磁性测量仪可直接测量铁素体含量。

德国菲希尔铁素体检测仪FMP30
b、金相检验法
利用δ相铁素体在奥氏体钢中是以不连续小坑型均匀分布的特点, 在金相显微镜下观测δ相铁素体“小坑”在奥氏体中分布情况和所占面积比例,并与相关国家或专业标准中的标准金相图比较, 并可检验出δ相铁素体含量。

c、计算法
铁素体含量计算法是根据材料的化学成分, 按照规定的CR eq和Ni eq计算公式, 分别计算出合金元素的CR eq和Ni eq值。

然后将计算的CR eq和Ni eq 值, 在不锈钢组织图中找到坐标值, 两坐标的相交点, 便是铁素体含量值。

采用计算法比用磁性仪测量法和金相检验法方便得多, 而且不受仪器设备限制, 一般具备材料的化学成分报告单, 就可用这一方法, 快速的计算出铁素体的含量。

依据何种组织图评定和相应的CR eq和Ni eq的计算公式, 是采用计算法应掌握的关键。

七、铁素体含量验收标准
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7.1 目前我国不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有统一的标准。

其中，对铁素体含量进行规定的主要是核电站、核反应堆、国防军工专用设备及重要化工装置用铸件，母材和焊材。

7.2 根据相关标准和经验，不同介质的不锈钢产品，对铁素体含量要求也不同。

从裂纹敏感性角度，要求含量大于5%为好；从抗腐蚀性能角度，在一般介质中铁素体含量大于8%为好；但在诸如尿素之类介质中，以小于0.5%为好；从机械性能角度，特别是在中、高温下工作的焊缝，以小于5%为宜，否则将产生西格玛相脆化。

而双相不锈钢焊缝的铁素体含量要求在40~60%之间。

7.3 《天津市宇航兴达真空设备制造有限公司》对GB/T24511《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》标准中，S31603和S30408两种牌号钢板及YB/T5092《焊接用不锈钢丝》标准中，ER308焊丝焊接的焊缝进行铁素体含量测试（δ%）：
S31603 1.83% S30408 1.07%
ER308焊缝 5.7%
经测试，两种牌号钢板铁素体含量均＜5%，符合SH3501标准，焊缝铁素体含量＜15%，符合NB/T20002.2标准。

因此，不锈钢焊接生产和科研工作中，准确地控制钢板或熔敷金属以及复层焊缝的铁素体含量，是保证产品性能的重要指标。

7.4 根据相关的标准、控制范围和经验指标, 综合介绍如下，(δ、FN代表铁素体含量)：
(1) SH3501-2011石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范规定：含Mo奥氏体不锈钢δ≤5%
(2) NB/T20002.2-2013压水堆核电厂核岛机械设备焊接规范规定：
a.奥氏体焊接材料δ=5%～15%
b.309L型焊丝及焊带δ=8%~18%
(3) GB/T24511-2017承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带规定：奥氏体-铁素体型不锈钢δ=40%~60%
(4) 金属手册(第九版) 第三卷规定：铸造奥氏体不锈钢δ=5%~20%
(5) AWS 10.4《Cr-Ni奥氏体不锈钢管焊接推荐规程》规定：各种奥氏体不锈钢填充金属防止凝固裂纹的最低铁素体含量要求：E16-8-2，E316L，
E308L的最低铁素体含量为3FN，E309的最低铁素体含量为4FN，E318的最低铁素体含量为5FN，E347的最低铁素体含量为6FN
(6) API 582《化工，石油和天然气工业的焊接指南》规定：焊后需要热处理或高温服役的产品，热处理前测量焊缝铁素体含量不超过10FN
八、参考资料
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1、《合金结构钢及不锈钢的焊接》
2、SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》
3、NB/T20002.2-2013《压水堆核电厂核岛机械设备焊接规范》
4、GB/T24511-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》
5、《金属手册(第九版) 第三卷》
6、API 582《化工，石油和天然气工业的焊接指南》
7、AWS 10.4《Cr-Ni奥氏体不锈钢管焊接推荐规程》
《完》。