鐵素體含量的測定在定期檢驗中的應用

邵冬冬 尹建斌 過世鈞 金學峰 寧波市特種設備檢驗研究院

奧氏體不銹鋼中通常含有一定數量的鐵素體，其作用具有雙重性，但在壓力容器定期檢驗規則和其他許多檢驗細則中對于鐵素體含量測定的具體方法都沒有明確的規定，因此在壓力容器定期檢驗中掌握鐵素體含量的現場測定和具體應用具有十分重要的意義。

1 奧氏體不銹鋼主要成分分析

奧氏體不銹鋼具有較好的耐蝕性、耐熱性、耐低溫性及良好的易成形性和優異的可焊接性，在石油化工行業中有著十分廣泛的應用。奧氏體不銹鋼主要由奧氏體相和鐵素體相組成。奧氏體相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶體間隙固溶體，其塑性好，強度低，具有一定的韌性。鐵素體相是溶于α-Fe的體心立方晶格間隙固溶體，相對于奧氏體相，鐵素體相強度較高，塑韌性較低。

鐵素體相的形態及數量顯著影響奧氏體不銹鋼力學性能、熱加工性能、焊接性能等。其中有利的影響有：鐵素體相的增加能提高奧氏體不銹鋼的強度；減小奧氏體不銹鋼焊接產生熱裂紋的傾向；強化鑄造奧氏體不銹鋼等。其不利的影響有：鐵素體相的增加會降低奧氏體不銹鋼的延塑性；增大奧氏體不銹鋼鍛件熱加工裂紋產生傾向；使其耐點蝕性能下降；鐵素體相在高溫下長時間加熱會轉變成為σ相使鋼變脆等。由于上述不利影響的存在，所以針對某些工況下使用的化工設備，需要對奧氏體不銹鋼材料及其焊縫金屬進行鐵素體含量的測定，以確保設備在使用過程中的安全運行。

2 定期檢驗中的鐵素體含量測定

目前我國國內對于奧氏體不銹鋼及其焊接材料和焊縫金屬中鐵素體的合適含量還沒有一個統一的標準，對于奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的規定主要涉及核電站、核反應堆、國防軍工專用設備及重要化工裝置用奧氏體鋼鑄件、焊接母材和焊材等。筆者通過總結前人的研究以及結合定期檢驗過程中遇到的情況，總結了以下幾種情況需要著重考慮鐵素體含量測定。

2.1 防止腐蝕的需要

選擇性腐蝕的條件下使用的奧氏體不銹鋼需側貼素體含量，如尿素級不銹鋼。

尿素裝置具有高溫、高壓、易燃、易爆和易腐蝕等特點，屬于特別危險生產區域。尿素生產中的介質有液氨、氨水、CO2、尿素溶液和尿素甲胺溶液等，在高溫高壓條件下易對材料產生多種腐蝕。

尿素級不銹鋼是單相的奧氏體組織，由于成分配比和生產工藝控制過程的不同往往可能存在少量的鐵素體。由于鐵素體在尿素介質中容易產生相的選擇性腐蝕，尿素級不銹鋼（包括焊接熔敷金屬）要求其鐵素體含量不超過0.6%。因此，在對此類設備進行定期檢驗過程中，可以進行相應的鐵素體含量測定，以確保設備的安全運行。

2.2 高溫條件下使用的需要

1）高溫蠕變。當奧氏體不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體含量達到約10FN時，會形成連續的鐵素體網絡，裂紋會在鐵素體-奧氏體界面上較早的起裂，從而促使在高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼發生快速的蠕變破壞。因此，對于高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼，應控制其焊縫金屬中的鐵素體含量不大于5FN，以減少蠕變破壞的發生。

2）475℃脆化。Cr含量在15%～70%的Fe-Cr合金，在加熱到425℃～550℃溫度區間會出現475℃脆化現象，鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性明顯下降。研究表明，鐵素體不銹鋼475℃脆化傾向，隨著鋼中鐵素體形成元素（Cr、Mo、Ti、Nb、Al、Si等）含量的增加而加強，隨著鋼中奧氏體形成元素（Ni、Mn、Cu等）含量的增加而加強超過一定含量后降低。而奧氏體不銹鋼焊縫金屬的鐵素體相，實質上是把鐵素體鑲嵌在奧氏體母體中，因此在425～550℃溫度區間長時間停留（約5000h），鐵素體相會脆化，從而導致焊縫金屬的硬度增加，塑性和韌性減小。

大于550℃的短時加熱，可以消除這種脆化現象，但長時間加熱又會引起σ相脆化。

3）σ相脆化。σ相是鉻鐵合金化合物，名義成分為FeCr，是Cr含量為20%～70%的鐵鉻合金中，由于加熱到500～800℃溫度區間停留而形成的，σ相硬而脆，當其體積含量高時會降低韌度和延性。在全奧氏體的微觀組織中σ相析出較慢，且長時間停留（一般要幾百到幾千小時）。高Cr含量會加速σ相的形成，Mo，Nb，Si，Ti等鐵素體化元素會促進σ相形成。在奧氏體-鐵素體焊縫金屬中，鐵素體中Cr含量高于奧氏體，σ相能夠快速形成，甚至在焊后熱處理的幾個小時內就可以形成。

σ相一般在鐵素體—奧氏體界面上形成，必須在組織中呈連續的或近似連續的分布，才會引起韌性和延性的降低。在σ相中鉻含量高于鐵素體的鉻含量，鐵素體向σ相轉變時體積上是不等量的，焊縫金屬中鐵素體含量在8FN以下時，只能轉化為4%以下的σ相，這個體積分數不足以使焊縫脆化，盡管韌性會有一些下降。因此，當焊縫金屬中鐵素體含量維持在8FN以下時可以避免σ相脆化的發生。

σ相在高溫時有足夠的韌性，室溫韌性低，因此高溫工作的設備，停車時要對這種脆化破壞足夠重視。

2.3 深冷條件下使用的需要

奧氏體不銹鋼在低溫下表現出良好的強度，延性和韌度。而鐵素體在低溫下會發生脆性轉變，因此對于在低溫環境中的奧氏體不銹鋼，要控制其焊縫中的鐵素體含量，減少其對焊縫金屬低溫韌性的影響。

奧氏體不銹鋼焊縫中含有少量的鐵素體就會使低溫韌度降低，當焊縫中鐵素體含量達到10FN時，低溫韌度會下降50%。國內外壓力容器標準都規定，設計溫度低于-100℃時焊縫應進行沖擊試驗。

2.4 確認奧氏體不銹鋼成分的需要

在實際檢驗過程中，經常遇到某些對其化學成分產生懷疑的奧氏體不銹鋼設備，就可以通過現場鐵素體含量的測定，來初步驗證其材質的化學成分是否符合相關標準。

在當前定期檢驗中，通常針對不銹鋼設備的母材進行鐵素體含量的測定，但實際上鐵素體含量的對于焊縫的影響比母材更大，因此針對焊縫中的鐵素體含量測定比針對母材測定更加具有實際意義。

3 鐵素體含量的現場檢測

鐵素體含量的測定方法通常來講有3種，分別為磁性儀測量法、金相檢驗法和計算法。現場檢驗中最常用的是磁性儀測量法，其工作原理為：測試儀內部線圈產生的磁場區域與工件內的磁性部件相互作用，磁場區域的變化使得第二個線圈內產生感生電壓，該電壓與鐵素體含量成比例關系，然后評估該電壓就可以得到工件內部的鐵素體含量。所有的磁性部件，也就是說，除了δ鐵素體，還包括其轉化形式馬氏體都能被識別。

鐵素體含量通常采用兩種表示方法，百分比含量(%)和鐵素體序數(FN)。鐵素體序數(FN)是由美國焊接研究學會(WRC)采用的技術術語，用來表示奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體含量獨立的標準化的數值。百分比含量(%)與鐵素體序數(FN)的換算通過實驗總結得出接近于線性關系，如圖1所示。因此，鐵素體序數(FN)可以認為與“鐵素體百分比含量”相同。

圖1 百分比含量（%）與鐵素體序數（FN）關系圖

4 結束語

通過上述分析，在對奧氏體不銹鋼制壓力容器的定期檢驗過程中，應充分考慮其具體的制造工藝、工作環境和失效機理，掌握鐵素體相的含量調整原理和現場測量方法，控制鐵素體相在特定情況下的不利作用，發揮其有利作用，對保證設備的質量和安全運行有著十分重要的意義。

1 吉章紅.奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量對性能的影響.材料與焊接,28,(12)

2 陳世修,秦宗瓊.奧氏體不銹鋼中鐵素體含量計算.閥門,2005,(1)

3 康繼.奧氏體及雙相不銹鋼鐵素體含量測定方法探討.大型鑄鍛鋼,2010,(5）

4 孫海濤.核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量.焊接,2011,(1)