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：

奥氏体不锈钢是一类重要的不锈钢焊接材料。 因其良好的耐热性、耐腐蚀性、耐低温性以及良好的加工性和焊接性而被广泛应用于各个领域。 其产量约占不锈钢总产量的70%。 。

奥氏体是C溶解在γ铁中形成的间隙固溶体。 它具有面心立方结构并且无磁性。 奥氏体不锈钢是主要通过冷加工强化的不锈钢（并产生诱导马氏体，产生磁性）。 。

铁素体是奥氏体不锈钢的重要成分。 它具有体心立方结构并且具有磁性。 分为α铁氧体和δ铁氧体。

奥氏体不锈钢在焊接时形成的铁素体是由液态转变为固态时形成的铁素体。 这类铁氧体称为δ铁氧体（也称高温铁氧体）； 而奥氏体形成的铁素体析出铁素体也是α铁素体，两者由于转变温度不同而有本质的区别。

α铁素体：C溶解在αFe中形成的间隙固溶体，通常用符号F表示，是铁素体不锈钢的主要成分；

δ铁素体：C溶解在δ铁形成的间隙固溶体中，又称高温铁素体，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

所有不同类型的不锈钢都是Cr含量超过12%的铁基合金。 不锈钢的组织结构由合金元素（即铬、镍的当量）含量决定。

对于不锈钢来说，合金元素可分为两大类，即铁素体形成元素（又称铬当量元素）和奥氏体形成元素（又称镍当量元素）。 两类元素之间的平衡关系决定了结构中的铁含量。 身体内容物的量。 主要奥氏体形成元素有C、N、Mn、Ni、Cu等。主要铁素体形成元素有Cr、Mo、Si、Nb、Al、Ti等。

合金元素对不锈钢的影响

铬镍奥氏体钢凝固时，根据化学成分不同，可能存在三种结晶模式，即A全奥氏体模式、AF（先共析奥氏体，在凝固完成前共晶生成部分铁素体）凝固模式和FA（先共析铁素体）凝固模式。并在凝固结束前形成部分奥氏体）凝固模式。 不同的焊缝凝固方式对焊缝凝固的裂纹敏感性不同。 FA凝固方式抗凝固裂纹能力最强，全奥氏体凝固方式抗裂纹能力最差。

铬镍奥氏体焊缝的凝固方式主要取决于焊缝金属的[Cr/Ni]eq。 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)时为AF凝固模式，当[Cr/Ni]eq<1.14-1.24)时为全奥氏体凝固模式，可提供参考对于设计师来说。

2、铁素体在不锈钢中的作用

奥氏体不锈钢中的δ相铁素体有利于提高焊缝的耐晶间腐蚀性能，同时也会引起σ相脆化和δ相选择性腐蚀。 不同行业对δ相铁氧体的含量有相关要求。 。 下面简单介绍一下奥氏体不锈钢中铁素体的优缺点。

δ相铁素体在奥氏体不锈钢焊缝中的作用

有益效果一：

防止热裂纹

机制：

铁素体在P、S、Si、Nb等元素中具有较高的溶解度，可以防止这些不利元素的偏析和低熔点共晶的形成，从而防止凝固裂纹的发生。

研究表明，δ相超过3%可显着提高奥氏体焊缝的抗热裂性能；

不利影响：

容易产生脆性相，降低材料的韧性。

机制：

在高温下，δ相铁素体很容易转变为σ脆化相，即使长时间不在高温下工作，多层焊接时也会出现这种现象。 δ相铁素体含量越高，越容易析出σ相；

若铁素体含量过高，则易产生脆性相，使堆焊层材料脆化，降低材料的韧性，造成脆性破坏；

它还会增加热加工裂纹的倾向。

有益效果二：

少量铁素体可提高焊接接头的耐蚀性，特别是抗晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的能力。

机制：

在奥氏体不锈钢中，铁素体的存在可以破坏单一奥氏体组织的方向性，从而阻止贫Cr层渗透到晶粒之间，形成腐蚀介质的集中通道；

δ相铁素体富含Cr，碳化铬可以优先在δ相边缘析出，不会在奥氏体晶粒表面形成贫铬层，这也有利于提高焊缝的耐晶间腐蚀性能。

不利影响：

过多的铁素体下降导致奥氏体降低耐点蚀能力和在特殊介质中的腐蚀性能。

机制：

由于电极电位与奥氏体不同，当超过一定限度时，点蚀和δ相选择性腐蚀的倾向就会增大；

选择性腐蚀与腐蚀介质有关，在硫酸和尿素介质中会优先腐蚀。

笔记：

① σ相（脆性、硬质、无磁性的Fe-Cr相化合物，长期在500~900℃工作，δ相铁素体易产生σ相，且分布在晶界处，严重降低塑性和韧性并增加晶粒尺寸。互腐蚀性能）；

②以免高温脆化； 此时，需要将铁素体控制在3~8%，或进行固溶处理，使σ相重新溶回基体中。

3. 常见的铁氧体检测/预测方法

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3.1 磁法 JB/T 7853-95 铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体数的测定

3.2金相方法——参照GB/T 1594铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测定方法(或ASTM E562系统手动点计数法)检测

3.3铁素体含量预测：

舍弗勒图

舍弗勒图

间谍图

WRC-1992图解

3.3.1 不同铁素体预测图的比较

3.4 不同铁氧体测量方法的比较

4、奥氏体不锈钢焊缝中铁素体的控制

1、除了焊接材料成分设计（即前面提到的Creq/Nieq比）；

2、还有焊接工艺的控制：

①电弧的水平和保护气体的种类会显着影响熔敷金属的N含量，进而影响焊缝的铁素体含量；

②焊接参数和工艺的控制将直接影响熔池温度和焊缝凝固速度，从而影响焊缝的铁素体含量。

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