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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(yōu)異的可焊接性，是不銹鋼系列材料中重要的一類(lèi)，其產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%。不銹鋼閥門(mén)主體材料幾乎全部采用奧氏體不銹鋼，而閥門(mén)行業(yè)對(duì)奧氏體不銹鋼的認(rèn)識(shí)水平，還僅涉及其化學(xué)成分和力學(xué)性能方面。隨著科技進(jìn)步，在核電站、核反應(yīng)堆工程用核安全級(jí)閥門(mén)、國(guó)防軍工用特種閥門(mén)以及大型化工裝置中“SHA級(jí)”管道重要閥門(mén)，都相繼對(duì)奧氏體不銹鋼焊接母材和焊縫中的鐵素體含量進(jìn)行了規(guī)定。因此，必須掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測(cè)量和計(jì)算方法。

奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用

分析奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用是十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)，只有通過(guò)深入的研究，充分的了解和掌握鐵素體的正面(有利)和負(fù)面(不利)的作用，才能正確的加以利用或控制。奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用，對(duì)閥門(mén)來(lái)講，最重要的方面是對(duì)焊接性能的影響，其次是對(duì)材料耐腐蝕性能、力學(xué)性能和加工性能的影響。

1、含量

不銹鋼閥門(mén)的承壓件(閥體、閥蓋和閥瓣)大部分材料采用ASTM A351中的 C F類(lèi)不銹鋼鑄件和ASTM A182中F304和F316類(lèi)不銹鋼鍛件，其屬于18-8型和18-12型(其數(shù)值表示 Cr 和 Ni 的大致含量)奧氏體不銹鋼。

不銹鋼按晶體結(jié)構(gòu)分為奧氏體、鐵素體和馬氏體。奧氏體具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)磁性。鐵素體具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，有磁性。應(yīng)當(dāng)指出，冶金產(chǎn)品稱(chēng)謂的奧氏體不銹鋼，并不表明它的組織結(jié)構(gòu)必須是100%的奧氏體。在不銹鋼閥門(mén)和零件驗(yàn)收時(shí)，?？梢?jiàn)到用磁鐵來(lái)吸引被檢測(cè)物體，若出現(xiàn)有弱磁性就以此認(rèn)為產(chǎn)品存在質(zhì)量問(wèn)題，其實(shí)這是對(duì)奧氏體不銹鋼的一種誤解，這種做法往往容易造成錯(cuò)誤判斷。

奧氏體不銹鋼中通常都會(huì)有一定數(shù)量的鐵素體。依據(jù)《金屬手冊(cè)》中第三卷《性能與選擇：不銹鋼》，在《鑄造不銹鋼的性能》中指出：對(duì)于CF類(lèi)鑄造不銹鋼，通常具有5%~25%的鐵素體。為此，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)將閥門(mén)用奧氏體不銹鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)的名稱(chēng)定義為 ASTM A351《承壓件用奧氏體奧氏體-鐵素體(雙相)鑄鋼》。

2、焊接性能

奧氏體不銹鋼在焊接中的主要問(wèn)題是焊縫和熱影響區(qū)的熱裂紋以及耐蝕性，這類(lèi)問(wèn)題也是奧氏體鋼工藝焊接性和使用焊接性的指標(biāo)。

鐵素體含量過(guò)高會(huì)損害奧氏體不銹鋼的可鍛性，特別是用于大鍛造比的鍛件，鑄坯限制鐵素體的含量是合理而必要的(通常限制在3%~8%)。同樣道理用于冷變形的奧氏體鋼，如冷伸壓、深沖壓，冷拔和冷擠壓的奧氏體鋼，鐵素體含量應(yīng)進(jìn)一步限制(通常限制在5%以下)。

不銹鋼閥門(mén)的主體(閥體和閥蓋)材料，國(guó)內(nèi)企業(yè)一般采用CF類(lèi)奧氏體不銹鋼鑄件。鑄件中的鐵素體含量，除了有利于鑄件作為焊接母材，防止焊縫熱裂紋和微裂紋外，鐵素體還有利于防止鑄造凝固成形過(guò)程中裂紋和偏析產(chǎn)生，以及增加鑄件材料力學(xué)性能。

3、鐵素體形成機(jī)理

所有不同種類(lèi)的不銹鋼都是鉻含量在12%以上的鐵基合金。鐵基合金在高溫下(大于800℃)基本晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體-奧氏體。當(dāng)溫度下降到常溫時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)變成體心立方體-鐵素體(或馬氏體)。

如果在鐵鉻合金中加入7%以上Ni或增加C、N或Mn等一種或多種奧氏體形成元素，高溫下的奧氏體晶體在常溫下將處于穩(wěn)定狀態(tài)，即常溫下的奧氏體。如果加入的奧氏體形成元素的總量(鎳當(dāng)量)不夠多，則常溫下只能有一部分是奧氏體，另一部分則是鐵素體。由此得出，不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)是由合金元素含量決定的。對(duì)于奧氏體不銹鋼，合金元素的作用可分成兩大類(lèi)，即鐵素體形成元素(稱(chēng)為鉻當(dāng)量元素)和奧氏體形成元素(稱(chēng)為鎳當(dāng)量元素)。兩大類(lèi)元素之間的平衡關(guān)系決定了奧氏體中鐵素體含量的多少。奧氏體形成元素主要有Ni、Mn、C和N，鐵素體形成元素主要有Cr、Mo、Si、Nb和Ti。

Cr是典型的鐵素體形成元素，也是不銹鋼中必不可少的元素，所有不銹鋼都是鉻含量在12%以上的鐵基合金。Cr的主要作用是耐腐蝕，提高抗高溫氧化性能。

Ni是典型的形成并穩(wěn)定奧氏體元素。圖1可以看出鎳的作用，在圖中斜線以上，所示溫度下奧氏體是穩(wěn)定的。在這條線以下鐵素體和馬氏體都具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。Ni的作用是增強(qiáng)抗酸的腐蝕能力，提高抗非氧化性介質(zhì)的耐蝕性，同時(shí)提高材料韌性、延展性和優(yōu)良的綜合性能，使它更易于加工和焊接。

4、鐵素體含量測(cè)量方法

奧氏體不銹鋼中δ相鐵素體含量的測(cè)量共有3種方法，磁性?xún)x測(cè)量法、金相檢驗(yàn)法和計(jì)算法。

4.1 磁性?xún)x測(cè)量法

利用鐵素體的磁性特性，奧氏體鋼中δ相鐵素體含量與鋼的鐵磁性成正比，采用專(zhuān)用的磁性測(cè)量?jī)x可直接測(cè)量讀出鐵素體含量。

δ相鐵素體是奧氏體狀態(tài)不銹鋼在凝固過(guò)程中生成并保留到常溫的鐵素體，對(duì)鑄件和焊縫可直接測(cè)量。而對(duì)于鍛軋等變形狀態(tài)奧氏體不銹鋼，例如其鍛件、棒材、板材、焊條或焊絲等材料，由于δ相鐵素體已嚴(yán)重錯(cuò)位，鐵磁特性已改變，故應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范(如ASME 第Ⅲ卷《核動(dòng)力設(shè)備》)進(jìn)行制作試樣。本身自溶焊接，通常采用鎢極無(wú)焊絲氬氣保護(hù)進(jìn)行自溶焊接，才能對(duì)自然狀態(tài)的凝固表面進(jìn)行測(cè)量，并且至少應(yīng)讀取6個(gè)不同位置的讀數(shù)，取其平均值。應(yīng)注意的是國(guó)外磁性?xún)x通常是按美國(guó)WRC(焊接研究學(xué)會(huì))采用的“鐵素體含量級(jí)別序數(shù)”(FN)校正，得出的鐵素體值單位為FN，與鐵素體含量百分比數(shù)基本等同。

4.2 金相檢驗(yàn)法

利用δ相鐵素體在奧氏體鋼中是以不連續(xù)小坑型均勻分布的特點(diǎn)，在金相顯微鏡下觀測(cè)δ相鐵素體“小坑”在奧氏體中分布情況和所占面積比例，并與相關(guān)國(guó)家或?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)(我國(guó)已發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))中的標(biāo)準(zhǔn)金相圖比較，并可檢驗(yàn)出δ相鐵素體含量。

采用金相法應(yīng)注意的事項(xiàng)與磁性?xún)x測(cè)量法相同，即對(duì)奧氏體鍛件板材，焊條等應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行本身自溶焊接后制成凝固態(tài)試塊才能觀測(cè)。

4.3 計(jì)算法

鐵素體含量計(jì)算法的程序是根據(jù)材料化學(xué)分析單提供的化學(xué)成分，按照規(guī)定的Cr和Ni當(dāng)量計(jì)算公式，分別計(jì)算出合金元素的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量值。然后將計(jì)算的鉻和鎳當(dāng)量值，在不銹鋼組織圖中找到坐標(biāo)值，兩坐標(biāo)的相交點(diǎn)，便是鐵素體含量值。采用計(jì)算法比用磁性?xún)x測(cè)量法和金相檢驗(yàn)法方便得多，而且不受儀器設(shè)備限制，一般具備化學(xué)分析能力或掌握材料的化學(xué)成分報(bào)告單，便可用這一方法，快速的評(píng)定出鐵素體的含量。依據(jù)何種組織圖評(píng)定和相應(yīng)的鉻和鎳當(dāng)量的計(jì)算公式，是采用計(jì)算法應(yīng)掌握的關(guān)鍵。

結(jié)語(yǔ)

奧氏體不銹鋼中通常都含有一定數(shù)量的鐵素體(5%~15%)。鐵素體的作用具有雙重性，奧氏體不銹鋼母材和焊材中一定數(shù)量的鐵素體(5%~15%)對(duì)防止焊接熱裂紋，提高焊縫抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力都有十分重要的作用，同時(shí)鑄件中一定數(shù)量的鐵素體含量(5%~20%)對(duì)防止鑄造熱裂紋，提高鑄件力學(xué)性能也都是有利的。在一些特定的環(huán)境，如高溫、超低溫以及選擇腐蝕環(huán)境，應(yīng)控制其不利作用。為此，研究奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用，掌握鐵素體的調(diào)控原理、測(cè)量和計(jì)算方法，對(duì)研制和開(kāi)發(fā)高參數(shù)不銹鋼閥門(mén)，特別是設(shè)計(jì)制造核安全級(jí)不銹鋼閥門(mén)，具有十分重要的意義。