浅谈铁素体含量磁性仪法和计算法的测定

浅谈铁素体含量磁性仪法和计算法的测定
王楠
【摘要】奥氏体不锈钢中的δ相铁素体的存在有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀性能,也会产生σ相脆化和δ相选择性腐蚀。

因此,不同行业对δ相铁素体含量均有相关要求。

文章主要从磁性法和计算法测定的原理介绍两种不同检测手段,并对各自检测的结果进行了对比,不难发现两种检测的方式的结果是比较接近的。

当在现场作业过程中暂时缺少必要的检测仪器时,可以考虑使用计算法进行铁素体数（FN）的预测值作为参考,具备条件时还是要严格按规范要求进行磁性法检测。

%The presence of δ phase in austenitic stainless steel ferrite was helpful to improve the weld resistance to intergranular corrosion, and produced the cr phase embrittlement and the δ phase selective etching. Therefore, the different sectors of the δ phase ferrite content we re the relevant requirements. From the principles, magnetic method and calculation method for the measurement were introduced. Compairing their respective test results, it was easily found the two detection results were relatively close. When a temporary lack of the necessary testing equipment in the process of field operations, the calculation of ferrite number （FN）predictive value as a reference, qualified in strict accordance with the regu- latory requirements, the magnetic assay was carried out.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2012(040)016
【总页数】3页(P161-163)
【关键词】δ相铁素体;镍当量;铬当量
【作者】王楠
【作者单位】中国石油化工集团公司武汉分公司,湖北武汉430082
【正文语种】中文
【中图分类】TE422.3
1．1 δ相铁素体和奥氏体
碳溶于δ铁中形成的间隙固溶体被称为δ相铁素体或高温铁素体，用δ表示。

铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。

碳溶于γ铁中形成的间隙固溶体成为奥氏体，用A表示，奥氏体是非铁磁性相［1］。

1．2 铁素体形成机理
如果在铁铬合金中加入7%以上的Ni或是C、N、Mn等一种或多种奥氏体形成元素，使得高温下的奥氏体晶体在常温下处于稳定状态，即常温奥氏体。

如果加入的奥氏体形成元素的总量不够多，在常温下只能形成一部分奥氏体和一部分铁素体。

因此，不锈钢的组织结构是由其合金元素含量决定的。

一类为铁素体形成元素如Cr、Mo、Si、Nb，另一类为奥氏体形成元素如Ni、Mn、C、N，两类元素之间的平衡关系决定了奥氏体中铁素体含量的多少。

1．3 δ相铁素体对奥氏体不锈钢焊缝的影响
焊缝中δ相的有利作用:第一，可以打乱单一奥氏体组装晶的方向性，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;第二，δ相富Cr，且Cr在δ相中已扩散，碳化铬可优先在δ相内部边缘沉淀，并由于供Cr条件好，不会在奥氏体晶粒表层形成贫Cr层。

因此，δ相的存在有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀性能。

焊缝中δ相的不利作用:σ相脆化和δ相选择性腐蚀，当铸态焊缝金属有δ相时，
有利于σ相的析出，即使不在高温下长时间工作，多层焊时在焊态下即可出现σ相。

δ相越多，越易出现σ相。

选择性腐蚀与腐蚀介质有关，例如在硫酸或尿素之类介质中δ相将优先腐蚀。

σ相是一种硬脆而无磁性的金属间化合物，在耐热钢中主要是Fe－Cr，实际是一种成分不定的间隙相。

一般，在500～900℃长时间加热有利于σ相形成。

其硬度高达HRC68以上，而起多分布在晶界，不但降低塑性和韧性，而且增大晶间腐蚀倾向。

因此综合考虑，对奥氏体不锈钢焊缝金属，一般希望δ相数量在4% ～12%之间比较适宜［2］。

奥氏体不锈钢中的δ相铁素体含量的测定方法共有3种方法:金相检验法、磁性仪测量法和计算法。

2．1 金相检验法
需要从试件上取样、研磨、抛光，还用通过化学方法或电解浸蚀显示铁素体，并用显微镜(不小于500倍)和配套工具进行观察并记录相关数据，测算铁素体的含量。

整个检验过程复杂，对人员要求也相对较高。

且随着磁性仪设备的普及，现在很少用金相检验法。

2．2 磁性仪测量法
利用铁素体的铁磁性，奥氏体钢中的δ相铁素体含量与钢的铁磁性成正比，采用专门的磁性测量仪可直接在试件或焊缝上直接读出铁素体含量(FN)。

在磁性仪测量法使用的早期阶段，一块试样的铁素体在不同的实验室中测定的数据偏差很大。

为此，美国焊接研究委员会(WRC)的高合金钢委员会的不锈钢焊接分委员会于1972年7月1日颁布了《测定奥氏体焊缝金属中的δ－铁素体含量用磁性仪器标定方法》。

1974年，AWS对该程序进行了补充，并制定了AWS A4．2《测量奥氏体焊缝金属中的δ－铁素体含量用磁性仪器标定的标准方法》。

用于测量AWS
分类的不锈钢焊条产品的铁素体含量的所有测定仪器都按照此标准进行标定。

WRC分委员会还采纳了“铁素体数”(FN)这个术语来取代百分数铁素体，以清楚表明测定仪器已经按照WRC的方法进行了标定［3］。

2．3 计算法
根据材料质量证明文件所提供的化学成分，按照规定的Cr和Ni当量计算公式，
分别计算出合金元素的镍当量(Nickel E-quivalent)和铬当量(Chromium Equivalent)，然后在不锈钢组织图上找到坐标值，两坐标相交点，便是铁素体含
量值。

不锈钢组织图有3种，见图1，歇弗勒尔(Schaeffler)图，(有译为舍夫勒图)、德朗(DeLong)图(有译为德龙图)和WRC－1988图。

其中，歇弗勒尔(Schaeffler)图是最早也是应用最广的不锈钢组织图，但是没有考虑奥氏体形成元素N的作用;德朗(DeLong)图是在歇弗勒尔(Schaeffler)图的基础上改进的，此图加入了奥氏体形成元素N的作用。

并且进一步改进了曲线的精确度，同时给出了“铁素体
数”(FN)，估算铁素体含量的精确度优于歇弗勒尔(Schaeffler)图;WRC－1988图是预测铁素体数(FN)更加新的一张图。

WRC不锈钢焊接分委员会和国际焊接学会第II委员会的研究表明，采用这张图，比起采用德朗(DeLong)图来，铁素体的测
定值与预测值之间有更紧密的一致性。

WRC－1988图的预测数值与硅和锰的含量无关。

WRC－1988图优先被用于“300”系列的不锈钢和双相不锈钢。

此图在又在1992年修订，出现了WRC－1992图，主要是在镍当量计算中加入了Cu。

WRC－1988图和WRC－1992图在对不含铜的不锈钢材料预测结果是相同的［4］。

3．1 试件的准备
我单位在新建装置的加热炉炉管安装的图纸上，设计明确要求对炉管的焊接材料依据规范GB/T1954－2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》进行铁
素体含量检测，且FN值应在4～8范围内。

炉管材质为TP347即0Cr18Ni11Nb，
焊丝采用ER347，具体的化学成分见表1。

现场试件的备制严格按照规范GB/T1954－2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体
含量测量方法》要求，重点控制堆焊试件的尺寸如长度、高度，焊接参数、层间温度、冷却方式等［5］，试件见图2。

3．2 磁性仪测量
测量仪器选用的是德国FISCHER公司生产的铁素体含量测定仪MP30型，如图3，仪器可方便准确的测量奥氏体钢及合金钢中铁素体含量，其设备以及配套使用的二级标块均通过国家焊接材料质量监督检验中心检定，并都在有效期内。

现场实测点数 10 个，依次为 7．4、7．5、7．4、7．4、7．2、7．6、7．4、7．3、7．8、7．6，平均值为 7．46(FN)。

3．3 计算法
考虑到焊丝的化学成分里含有Cu，因此使用WRC－1992图。

其中，镍当量(Nickel Equivalent)和铬当量(Chromium Equivalent)的计算式如下:
N是剧烈的奥氏体形成和稳定元素，但在ER347焊丝的化学成分没有N的成分含量，现场也不具备进行非金属元素含量测定的仪器。

因此参照经验数据:对于自保
护管状焊丝的熔化极气体保护电弧焊焊缝为0．12%;对于其他熔化极熔化极气体
保护电弧焊焊缝为 0．08%;对于其它焊接方法的焊缝为0．06%［6］。

将焊丝的相关成分引入到计算式中，得到镍当量(Nickel E-quivalent)为12．35，因为焊丝在进行熔敷金属堆焊时，采用的钨极氩弧焊，故N含量取值为0．08%;
铬当量(Chromium Equivalent)为19．87。

通过WRC－1992图预测值约为
7．3(FN)。

与磁性仪器检测的结果平均值7．46(FN)相比较，WRC－1992图预测值的精确度还是较高的。

两者的绝对误差仅为2．2%。

通过对奥氏体不锈钢中铁素体含量检测的两种不同方法即磁性法和计算法的简要介
绍和测定数据对比不难发现两种检测的方式的结果是比较接近的。

当在现场作业过程中暂时缺少必要的检测仪器时，可以考虑使用计算法进行铁素体数(FN)的预测
值作为参考，但一定要记得将N元素的成分含量计入镍当量的计算式中。

具备条
件时，还是要进行磁性仪器检测，并按规范要求制作试件。

【相关文献】
［1］陶曾毅．电厂金属材料［M］．北京:水利电力出版社，1986:59．
［2］周振丰，张文钺．焊接冶金与金属焊接性［M］．北京:机械工业出版社，1988:358 －359．［3］ ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会．ASME锅炉及压力容器规范国际性标准II材料C篇焊条、焊丝及填充金属［S］．北京:中国石化出版社，2004:71－75．
［4］ ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会．ASME锅炉及压力容器规范国际性标准II材料C篇焊条、焊丝及填充金属［S］．北京:中国石化出版社．2007:78．
［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T1954－2008．铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法［S］．北京:中国标准出版社，2008:1－3．
［6］美国金属学会主编．金属手册，第六卷:焊接、硬钎焊、软钎焊(第九版)［M］．北京:机械工业出版社，1994:441．。