什么是475℃脆性和σ相脆性化全解

什么是475℃脆性和σ相脆性化(1)475℃脆性铬含量大于15%的铁素体钢、铁素体含量较高（不小于15%）奥氏体不锈钢和双相不锈钢，在400～500℃较长时间保温会产生强烈脆性化，并使钢的强度、硬度显著提高，因为是在475℃附近最易出现，所以叫475℃脆性。

产生475℃脆性的原因是α’相的析出。

α’相是种富Cr相，含Cr量可高达61%～82%，含铁量为37%～17.5%，尺寸为10～20nm，此相具有体心立方结构且无磁性，晶格常数为0.2877nm，介于铁与铬的晶格常数之间。

图1-9是Fe-Cr合金中α’相存在的相图，从相图中可以看出，α’相的产生是由于520℃以下σ→α+α’反应的结果。

由于α’相析出较为缓慢，因此，从α’相在α相的溶解度线以上加热所得到的单相α，即使在空冷的条件下，也不会有α’相的析出。

只有在520℃以下长时间保温，α’相才会析出，从而导致钢的脆化。

当重新加热到550℃以上时。

由于α’相的溶解，又会使钢的塑性、韧性得到恢复。

由于α’相析出是在铁素体基础上，铁素体含量增加就是增加475℃脆性的敏感性。

(2)σ相脆化铁素体不锈钢或含有铁素体的不锈钢，在500～925℃范围内加热或停留时，就会产生严重的脆化，也就是σ相的析出脆化。

在不锈钢中σ相的名义成分是Fe、Cr，但实际上由于Ni、Mo等原子参与析出，该相的实际成分应为(FeNi)x(CrMo)y, σ相是一种无磁且具有高硬度的脆性相。

σ相析出会引起不锈钢的韧性下降。

由于σ相富Cr，还会富Mo、Si，因而在其周围常常会出现贫Cr（或MO、Si）区，或由于σ相本身的选择性溶解而降低钢的耐蚀性。

实践表明，在常温下使用的不锈钢是会析出σ相的，但在一定温度下，不锈钢中的铁素体会促进σ相析出，一般认为σ相直接产生于铁素体相，即α→σ转变。

因此，铁素体形成元素会促进σ相析出。

在含有铁素体组织的不锈钢（如铁素体不锈钢、双相不锈钢及含有一定铁素体的奥氏体不锈钢）都比较容易产生σ相脆化。

这里必须要指出的是纯奥氏体不锈钢也有σ相析出的可能，甚至镍合金中也有σ相析出的可能（前面高温合金析出相已谈及），只是σ相析出温度更高一些，析出更难一些。

一般来说，不锈钢σ相经过固溶处理，或加热到σ相形成温度以上保温一段时间，使其溶解到基体中，然后快冷却，可以有效地防止σ相析出。

475℃脆性指铬的质量分数大于15%并含有较多铁素体相的不锈钢，在350-550℃温度范围内长时间停留或缓冷出现的一种脆化现象。

由于这种脆化现象在475℃左右最敏感，故称475℃脆性。

产生原因：一般认为在该温度范围加热或冷却时，铁素体相内的铬原子趋于有序化，并形成较多的富铬铁素体，铬与铁的质量分数分别达到80%和20%。

该富铬相在母相晶面族上及位错处的析出且与母相仍保持共格关系，导致发生晶格畸变，产生很大的内应力使滑移堆以进行，易于产生孪晶。

孪晶面会形成解理断裂的形核点，从而导致脆化，使常温及负温时的冲击初度严重下降(高温时不降)，并使钢的耐蚀性显著降低。

475℃脆性主要发生在高铬铁素体钢及其焊缝中，也可能发生在含较多铁素体的奥氏体不锈钢及其焊缝中，含铁素体越多，脆化倾向越严重。

发生475℃脆性后，可以通过重新加热至590 - 650℃，保温1-5h后快冷予以消除。

高铬铁素体不锈钢在520～820℃长期加热时,由于析出σ相(参见“σ相”)引起的韧性显著降低的现象。

如果加热至820℃以上,σ相重新溶入固溶体中,可使韧性恢复到原来的水平。

其他合金钢的组织中,一旦出现σ相,也会引起σ相脆性。

故在设计合金成分和加工工艺时,应尽量防止σ相出现。

σ相一旦出现,应设法通过热处理或其他方法消除。

(铁素体不锈钢管σ相脆性与475℃脆性及高温脆性危害σ相脆性、475℃脆性和高温脆性构成了铁素体不锈钢管三大脆性特征，与奥氏体不锈钢管比较，其中的后两者为其独有。

铁素体不锈钢管的脆性行为对某些铁素体不锈钢品种的生产构成了威胁，并且限制了铁素体不锈钢管的应用范围。

在巧铁铬系铁素体不锈钢中，纯σ相形成的铬区间为42%～50%。

α+γ的双相结构的含铬区域可扩展到12%～70%。

在工业不锈钢管范围内，钢管中的铬含量一般不会超过32%。

在铬含量低于20%～25%的铁素体不锈钢管中，在600℃σ相的析出需要在相应温度时效相当长时间，因此对于含铬量如低于如20%的铁素体不锈钢管，σ相形成相当困难，需数千小时时效。

对于铬含量在15%～33%的铁素体不锈钢管，在一般的焊接、铸造和冶金生产的受热过程中，没有足够时间形成σ相。

对于这类铁素体不锈钢管，只要避开在σ相形成温度长期运行，相对于它们并不构成威胁。

在高铬含钼的超级铁素体不锈钢管中，σ相形成相当快，除形成σ相外，尚有χ相和η相形成，这些相的形成过程是一种C曲线的形式，最敏感温度即鼻子点温度与钢中Cr含量和Mo含量相关，大体上在800℃。

对于高铬含钼的超级铁素体不锈钢管Monit其金属间相的析出速度非常快，σ、χ和η相的析出温度范围为600℃至900℃，σ相和χ相析出的鼻子点温度约850℃，在此温度约2min χ相首先析出，η相析出的敏感温度为650℃，η相析出所需要保温时间不足20min。

σ相等金属间化合物沉淀使钢变脆，最明显的特点是钢的冲击韧度极度下降，其脆化程度与σ相析出数量相关，只要避开脆化温度服役，即可避免σ相脆化的危害，但对于不锈钢管厂原始的大板卷生产是难于避免在σ相形成的温度停留的，即难以避免σ相脆化造成的危害。

通常在不锈钢管生产中，大卷板的冲击韧度低于50冲击攻，就难以开卷，串带和重卷操作。

对于28Cr4Ni2Mo和28Cr2Ni4Mo两个牌号的冲击韧度曲线见下图。

这些数据指出，高铬钼含量的铁素体不锈钢管在σ相脆性区和475℃脆性区引起塑韧性下降所需要的保温时间很大，在热带卷生产时，终轧卷曲后的冷却过程中，在这两个脆性区的停留的时间远远超过了引起脆性所需要的临界保温时间，对于9.5t（1500mm×1000mm)的28Cr4Ni2Mo热卷经空冷和水冷，也难于避免这两种脆性的发生，因此在当前最现代的热连轧生产线上应降低卷曲温度以避开这两个脆性温度。

不管采用哪种冷却方式，在两个脆性区的停留时间将极大地缩短，因此在生产时可采用水冷降温至400℃以下进行卷曲，完全可以消除这两种脆性引起的麻烦高温时效对2205双相不锈钢中σ相析出行为的影响刘雄何燕霖丁秀平宋红梅胡锦程陈旭李麟【摘要】：对2205双相不锈钢进行了750、800、850、900和950℃分别保温0.5、1、2h的时效处理,采用定量金相、SEM和EDS、化学萃取、XRD和电子背散射衍射(EBSD)等方法研究了2205双相不锈钢中σ相析出与时效时间、温度的变化规律。

结果表明:2205双相不锈钢经不同时效工艺处理后的组织主要由奥氏体、铁素体、σ相组成,σ相一般在γ/α相界处或铁素体内析出;在相同时效温度下,随着时间的延长,σ相的析出量明显增多,而在850℃进行时效处理会使钢中σ相的析出量达到最高值。

此外,采用EBSD方法有望对2205双相不锈钢中的σ相进行准确的定量分析。

【作者单位】：上海大学材料科学与工程学院;宝山钢铁股份有限公司技术中心;【关键词】：双相不锈钢时效处理σ相电子背散射衍射技术(EBSD)铁素体相高温时效奥氏体析出相相组成定量分析【基金】：国家自然科学基金(50971137)宝钢基金上海市教委优秀青年教师科研专项基金(shu05004)【分类号】：TG142.71【正文快照】：双相不锈钢由奥氏体和铁素体两相组成,且两相比例相近,所以具有优良性能。

但是,该钢种在600～1000℃温度范围内易于形成金属间相,如σ相、χ相、R相、以及各种碳氮化物等,这些相的析出会显著降低双相不锈钢的耐蚀性、力学性能以及焊接性能,其中σ相是危害最大的一种析出相,什么是475°C脆性？高铬钢在370—540℃温度下长期加热后，会出现强度升高、韧性大幅度降低的现象。

这种现象在475℃左右尤为强烈，因此称为475℃脆性。

475℃脆性在含铬13.7%以上的钢中就有可能出现，在含铬较高的马氏体—铁素体钢、18—8型奥氏体钢及沉淀硬化钢中亦曾发现，但远不及高铬铁素体钢明显。

铁素体钢的475℃脆性，随含铬量的增加，脆性转变温度提高，转变所需的加热时间缩短。

Cr13钢的转变温度为400℃℃，Cr17为500℃。

Cr17加热14天冲击值降低不大，Cr28短期加热就可能变脆。

微观上来讲，475℃脆性是铬原子在钢中不均匀的偏聚，引起点阵畸变和内应力增加造成的，已产生475℃脆性的钢，可通过600℃以上加热，然后快冷予以消除。

奥氏体定义：奥氏体（Austenite）也称为沃斯田铁或ɣ-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。

奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯特·沃斯田（William Chandler Roberts-Austen）。

结构：γ－Fe为面心立方晶体，其最大空隙为0.51×10－8cm（该空隙的数据可能有误，跟c原子不在同一数量级上），略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃时，γ－Fe最大溶碳量为2.11%，随着温度下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时其溶碳量为0.77%。

特点：磁性：具有顺磁性，故可作为无磁钢。

比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。

膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。

故也可被用来制作要求膨胀灵敏的元件。

导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。

为避免热应力引起的工件变形，不可采用过大的加热速度加热。

力学性能：具有较高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成型。

面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。

故奥氏体钢可作为高温用钢。

奥氏体的硬度一般是170~220HBS，延长率为40%~50%。

铁素体铁素体(ferrite，缩写：FN，用F表示)即碳在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。

称为铁素体或α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F在行文中常用。

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格。

碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。

由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量约为0.0008%。

因此其性能几乎和纯铁相同，其机械性能如下：抗拉强度180—280MN/平方米屈服强度100—170MN/平方米延伸率30--50%断面收缩率70--80%冲击韧性160—200J/平方厘米硬度HB 50—80由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。