阀 门 2005年第1
期—20—
文章编号:100225855(2005)0120020206
奥氏体不锈钢中铁素体含量计算
陈世修,秦宗琼
(无锡锡山阀门厂,江苏 无锡 214117)
摘要 介绍了奥氏体不锈钢中铁素体的作用和测量方法,分析了奥氏体不锈钢中铁素体形成机理,重点阐述了采用不锈钢组织图和合金元素铬当量与镍当量控制奥氏体不锈钢中铁素体含量的计算方法。 关键词 不锈钢阀门;奥氏体;铁素体;计算
中图分类号:TG14125 文献标识码:A
CalculationofferritecontentinAusteniticSteel
CHENShi2xiu,QINZhong2qiong
(WuxiXishanValvefactory,Wuxi214117,China)
Abstract:IntroduceseffectandmeasuringmethodsfortypemechanismofferriteinAustenticsteel,ferritecontentinAustenticsteelbyusingelementsofchromiumandnickelKeyw;;ferrite;calculation1 概述
接性能的影响,其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能的影响。211 含量
奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性,是不锈钢系列材料中重要的一类,其产量约占不锈钢总产量的70%。不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢,而阀门行业对奥氏体不锈钢的认识水平,还仅涉及其化学成分和力学性能方面。随着科技进步,在核电站、核反应堆工程用核安全级阀门、国防军工用特种阀门以及大型化工装置中“SHA级”管道重要阀门,都相继对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素体含量进行了规定。因此,必须掌握奥氏体不锈钢中铁素体含量的测量和计算方法。
2 奥氏体不锈钢中铁素体的作用
不锈钢阀门的承压件(阀体、阀盖和阀瓣)大部分材料采用ASTMA351中的CF类不锈钢铸件和ASTMA182中的F304和F316类不锈钢锻件,
其属于1828型和18212型(其数值表示Cr和Ni的大致含量)奥氏体不锈钢。
不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。奥氏体具有面心立方晶体结构,无磁性。铁素体具有体心立方晶体结构,有磁性。应当指出,冶金产品称谓的奥氏体不锈钢,并不表明它的组织结构必须是100%的奥氏体。在不锈钢阀门和零件验收时,常可见到用磁铁来吸引被检测物体,若出现有弱磁性就以此认为产品存在质量问题,其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解,这种做法往往容易造成错误判断。
奥氏体不锈钢中通常都会有一定数量的铁素体。依据文献[1]中第三卷《性能与选择:不锈
分析奥氏体不锈钢中铁素体的作用是十分重要的技术基础,只有通过深入的研究,充分的了解和掌握铁素体的正面(有利)和负面(不利)的作用,才能正确的加以利用或控制。奥氏体不锈钢中铁素体的作用,对阀门来讲,最重要的方面是对焊
作者简介:陈世修(1940-),男,四川荣县人,研究员级高工,部省级专家,长期从事阀门设计及研究开发工作。
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性,隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出,从而防止晶间腐蚀,因此铁素体对提高耐晶间腐蚀的作用有好处。通过试验证明,由于铁素体对应力腐蚀开裂不敏感,因此含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但含有很少铁素体的奥氏体钢焊缝。213 耐腐蚀性能
钢》,在《铸造不锈钢的性能》中指出:对于CF类铸造不锈钢,通常具有5%～25%的铁素体。为此,美国材料与试验协会(ASTM)将阀门用奥氏体不锈钢铸件标准的名称定义为ASTMA351《承压件用奥氏体奥氏体2铁素体(双相)铸钢》。212 焊接性能
奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹以及耐蚀性,这类问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。21211 防止焊缝的热裂纹奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。奥氏体不锈钢焊缝中常常需要形成一定数量δ相铁素体(4%～12%),以防止焊缝产生凝固裂纹(热裂纹)。δ铁素体是奥氏体不锈钢(含焊缝金属)在一次结晶过程(凝固过程)中生成并保留至
焊接材料(母材和焊材)中的δ相铁素体能显著改善焊缝及热影响区抗晶间腐蚀和应力腐蚀的机理。依据同样的机理可以得出,对于奥氏体不锈钢铸件和锻件母材中少量的铁素体(5%～12%),总体上讲有利于改善材料的抗晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能。另一方,对于某些特殊的腐蚀环境,例如在尿素和醋酸等介质中铁素体会发生选择性腐蚀,应对铁素体含量进行限制。214 常温的铁素体。由于铁素体含碳量很低,性能与纯
铁相似,有良好的塑性和韧性,低的强度和硬度。铁素体的有利作用是对S、P、Si和Nb解度较大,晶,,母材金。焊缝中的铁素体可以有效的阻止低溶点共晶生成和减少偏析程度以及二次晶界的错位运动,因而可防止热影响区裂纹和高温低塑性裂纹。总之,焊接中的δ铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹作用是肯定的,它显著的改进了焊接性,提高了焊接结构的安全程度。
δ铁素体在焊缝中具有一定的负作用。对于焊后需要600℃以上热处理的焊件或长期在600～850℃温度下工作的焊件,由于在上述高温下δ相铁素体会析出б相铁素体,б相具有四方结晶构造,且富含Cr造成周围Cr的贫化,引起焊缝金属的脆化。此时应将焊缝铁素体的含量控制在3%～8%,或者采用重新固溶处理,将б相铁素体溶解回基体中。21212 改善焊接接头的耐蚀性
焊接接头是指整个焊接区,包括焊缝和熔合区以及热影响区。奥氏体钢的焊接结构常常因为腐蚀而损坏甚至报废,最常见的腐蚀类型是晶间腐蚀和应力腐蚀。
由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间,削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向
。,同时,延(表1)。利用此特性,可采和加工性能。
表1 铁素体含量对1828奥氏体钢拉伸性能的影响
铁素体含量
%
抗拉强度屈服强度
MPa465
[***********]延伸率断面收缩率
%[***********]1543103615%[***********]1269174715δ012/MPa
216
[***********]在室温下试验
3102041
在355℃下试验
3
1020 铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性,特别是用于大锻造比的锻件,铸坯限制铁素体的含量是合理而必要的(通常限制在3%～8%)。同样道理用于冷变形的奥氏体钢,如冷伸压、深冲压,冷拔和冷挤压的奥氏体钢,铁素体含量应进一步限制(通常限制在5%以下)。
不锈钢阀门的主体(阀体和阀盖)材料,
国内企业一般采用CF类奥氏体不锈钢铸件。铸件中的铁素体含量,除了有利于铸件作为焊接母材,防止焊缝热裂纹和微裂纹外,铁素体还有利于防止铸造凝固成形过程中裂纹和偏析产生,以及增加铸件材料力学性能。
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3 铁素体形成机理
所有不同种类的不锈钢都是铬含量在12%以
)上的铁基合金。铁基合金在高温下(大于800℃基本晶体结构为面心立方体———奥氏体。当温度下
降到常温时,晶体结构变成体心立方体———铁素体(或马氏体)。
如果在铁铬合金中加入7%以上Ni或增加C、N或Mn等一种或多种奥氏体形成元素,高温下的奥氏体晶体在常温下将处于稳定状态,即常温下的奥氏体。如果加入的奥氏体形成元素的总量(镍当量)不够多,则常温下只能有一部分是奥氏体,另一部分则是铁素体。由此得出,不锈钢的组织结构是由合金元素含量决定的。对于奥氏体不锈钢,合金元素的作用可分成两大类,即铁素体形成元素(称为铬当量元素)和奥氏体形成元素(称为镍当量元素)。两大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。奥氏体形成元素主要有Ni、Mn、C和N,铁素体形成元素主要有CrMo、Si、Nb和
Ti。
Cr性。特别是抗氯离子点蚀,同时能提高还原性介质中,如硫酸、磷酸及有机酸中的耐蚀性。Mo还可提高奥氏体钢的高温强度。由于Mo是铁素体形成元素,为了平衡组织,加Mo的不锈钢中应当相应增加Ni等奥氏体形成元素含量。例如CF3M,加入210%～310%Mo后,Ni含量也增加到910%～1310%。
Si是强铁素体形成元素,其铬当量为115。Si可提高钢的高温性能和在强氧化性介质(如发烟硝酸)中的耐腐蚀。同时还可改善铸造特性。
Nb是铁素体形成元素,其铬当量为015。Nb
和Ti在不锈钢中起稳定碳的作用,能优先与碳结合形成稳定的碳化物,并均匀的分布在基体中,阻止Cr的碳化物生成,防止晶间腐蚀。Nb的抗晶间腐蚀稳定性比Ti更高,Nb还可增强奥氏体钢的高温强度。Ti,其镍当量为,,造成奥氏体晶界贫铬,显著降低抗晶间腐蚀性能。因此,降低含碳量是防止晶间腐蚀最有效的措施,奥氏体钢含碳量应控制在0108%以下(低碳级)和0103%(超低碳级)。
N是剧烈的奥氏体形成和稳定元素,其镍当量
,12%,提高抗高温氧化性能。
Ni是典型的形成并稳定奥氏体元素。图1可以看出镍的作用,在图中斜线以上,所示温度下奥氏体是稳定的。在这条线以下铁素体和马氏体都具有稳定的晶体结构。Ni的作用是增强抗酸的腐蚀能力,提高抗非氧化性介质的耐蚀性,同时提高材料韧性、延展性和优良的综合性能,使它更易于加工和焊接。
为30。可显著提高钢的强度,增强抗局部腐蚀(点蚀及缝隙腐蚀)能力,并能减少б相析出,防止高温脆性,使奥氏体具有良好的抗敏化能力。利用N的这一特征,近20年来,美国、法国以及中国相继研制开发出了含氮或控氮不锈钢,代表性的含氮钢种是AISI304N和AISI304LN(含氮0110%～0116%)。控氮钢种又称为核级钢,如304NG、X2CND18212(法国RCC2M标准)和316NG(含氮0106%～0110%)。此类新钢种明显的提高了强度,改善了钢的抗晶间腐蚀和应力腐蚀性能,
成功的解决了沸水(BWR)核反应堆运行中出现的IGSCC(晶间应力腐蚀)破裂事故。此类核级控氮钢已成功应用到压水(PWR)核反应堆中。
Mn是扩大及稳定奥氏体元素,其镍当量为015。通常N和Mn联合使用成为代替和节约Ni
图1 加入Ni对铁2铬合金的影响
Mo是促进铁素体形成元素,它的铬当量为1。
Mo可提高钝化膜的强度,显著增强耐局部腐蚀
的主要材料。Mn可提高强度,增加N在钢中的溶解度,但是Mn可促进б相析出,造成钢有脆性,同时不利于钢的低温韧性和可焊性。
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表2 合金元素对不锈钢的作用
添加目的
Cr
Ni
Mn
N
Ti
Nb
Si
Mo
Cu
C
S
Se
Al
合 金 元 素
形成铁素体
形成奥氏体形成碳化物改善抗氧化性酸改善抗还原性酸防止晶间腐蚀防止点蚀改善抗应力腐蚀改善抗氧化性改善高温抗蠕变性改善时效硬化性细化晶粒改善机械加工性中—中强————强—————中——强——强中中————弱弱——————弱————强———————中—弱—强—强——强——中中中强—中—强——强———强强中—中——中中中中—强—中——中—弱—强弱强——中————弱——强—————中———强———————中———————————————强————————————强强———————强—中——
常用合金元素对不锈钢的作用见表2。4 铁素体含量测量方法
同,即对奥氏体锻件板材,焊条等应按规定进行本。413奥氏体不锈钢中δ相铁素体含量的测量共有3种方法,磁性仪测量法、金相检验法和计算法。411 磁性仪测量法
Cr和Ni当量计算,。然后将计算的铬和镍当量值,在不锈钢组织图中找到坐标值,两坐标的相交点,便是铁素体含量值。采用计算法比用磁性仪测量法和金相检验法方便得多,而且不受仪器设备限制,一般具备化学分析能力或掌握材料的化学成分报告单,便可用这一方法,快速的评定出铁素体的含量。依据何种组织图评定和相应的铬和镍当量的计算公式,是采用计算法应掌握的关键。41311 谢夫尔图
利用铁素体的磁性特性,δδ生成并保留到常温的铁素体,对铸件和焊缝可直接测量。而对于锻轧等变形状态奥氏体不锈钢,例如其锻件、棒材、板材、焊条或焊丝等材料,由于δ相铁素体已严重错位,铁磁特性已改变,故应按照
)进行相关规范(如ASME第Ⅲ卷《核动力设备》制作试样。本身自溶焊接,通常采用钨极无焊丝氩气保护进行自溶焊接,才能对自然状态的凝固表面进行测量,并且至少应读取6个不同位置的读数,取其平均值。应注意的是国外磁性仪通常是按美国
WRC(焊接研究学会)采用的“铁素体含量级别序数”(FN)校正,得出的铁素体值单位为FN,与铁素体含量百分比数基本等同。412 金相检验法
谢夫尔(Schaefier)图适用于所有奥氏体、铁素体或马氏体以及双相和沉淀硬化类不锈钢的铸件、锻件或变形件,也适用于常规的不锈钢焊后自然状态的焊缝组织评定。
谢夫尔图是最早也是应用最广的不锈钢组织图
(图2),谢夫尔图的铬和镍当量计算公式为铬当量=%Cr+%Mo+(115×%Si)+(015×%Nb)
镍当量=%Ni+(30×%C)+(015×%Mn)
利用δ相铁素体在奥氏体钢中是以不连续小坑型均匀分布的特点,在金相显微镜下观测δ相铁素体“小坑”在奥氏体中分布情况和所占面积比例,并与相关国家或专业标准(我国已发布国家标准)中的标准金相图比较,并可检验出δ相铁素体含量。
采用金相法应注意的事项与磁性仪测量法相
从计算公式中可以看出,谢夫尔图没有考虑奥氏体形成元素N的作用,因此估算铁素体含量的精确度为±4%,但它广泛作为阀门主体材料(铸锻件)铁素体含量的评定图。例如文献[3]中规定奥
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氏体2铁素体不锈钢制造的1、2和3级核安全设备中的承压铸件,铁素体含量按RCC2MMC1000规定中的谢夫尔曲线图评定,不考虑N
含量。
合于含氮和控氮不锈钢以及气体保护焊的焊接组织评定。
德龙图的铬和镍当量计算公式为
铬当量=%Cr+%Mo+(115×%Si)+(015×%Nb)
镍当量=%Ni+(30×%C)+(30×%N)+(015×%Mn)
德龙图进一步改进了曲线精确度,考虑了N的作用,估算铁素体含量的精确度为±2%,图3是所规定采用的德龙图,主要用于焊接材料的δ铁素体含量计算。
ASME提供的德龙图不仅给出了δ铁素体含量的百分比,同时还给出了“铁素体含量级别序数”(FN),简称为“铁素体序数”(FN),它是美国焊接研究学会(WRC
)采用的技术术语,用来表示值,“铁素体序数”)。
图2 不锈钢的谢夫尔组织图
41312 德龙图
德龙(Delong)图是在谢夫尔图的基础上改进
的,此图加入了奥氏体形成元素N的作用,更适
图3 不锈钢的德龙组织图
在运用德龙图时,应注意镍当量中N元素的影响。在ASME中关于N含量有明确的规定,最好采用实测的含氮量。如果没有实测值时,可采用
下列推荐的含氮量。①熔化气体保护焊(GMAW)的焊缝为0108%,自保护管状焊条熔化极气体保
护焊为0112%。②其他方法的焊缝为0101%。大量的试验数据证明,当用上述ASME推荐的含N
量代入德龙图的镍当量计算式,得出的δ铁素体计算值与实测值十分接近,因此在应用德龙图时,必须遵循ASME上述的规定。
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(b)美国ASME,δ≥5FN(FN2铁素体序
法国RCC2M也提供了与ASME十分近似的德
3〕
龙图〔,只给出了δ铁素体含量百分比,没有引入铁素体序数(FN)概念,仅在指明按RCC2M规范制造设备时采用。
另外不锈钢的组织图还有WRC(1992)图,此图是美国焊接研究学会(WRC)制订的,以铁素体序数(FN)表示铁素体含量。该图已把铁素体序数(FN)扩大到100FN,主要适用于双相不锈钢(铁素体与奥氏体各占50%左右)。5 铁素体含量验收标准
数)。
(8)核电站(沸水堆、压水堆)和核安全级设备。
(a)中国压水堆焊接材料,δ=5%～12%,承压铸件,δ=10%～18%。
(b)美国ASME,焊接材料,δ≥5FN。(c)法国RCC2M,压水堆和承压铸件,δ=12%～25%(理想含量为15%～20%)。
本文中的焊接材料和焊缝金属,不包括阀门密封面堆焊材料及密封面金属。6 结语
奥氏体不锈钢中通常都含有一定数量的铁素体(5%～15%)。铁素体的作用具有双重性,奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体(5%～15%)对防止焊接热裂纹,目前我国奥氏体不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有统一的标准,对奥氏体不锈钢中铁素体含量进行规定的主要是核电站、核反应堆、国防军工专用设备及重要化工装置用奥氏体钢铸件、焊接母材和焊材。根据相关的标准、
δ代表铁素控制范围和经验指标,综合介绍如下(
体含量)。
(1)要求无磁性材料,磁性铸件,δ≤011%。
(2),,同时铸件中一
(20%对防止铸造热,。在一些特,如高温、超低温以及选择腐蚀环境,应控制其不利作用。为此,研究奥氏体不锈钢中铁素体的作用,掌握铁素体的调控原理、测量和计算方法,对研制和开发高参数不锈钢阀门,特别是设计制造核安全级不锈钢阀门,具有十分重要的意义。
参
考
文
献
≤(3)℃,δ≤110%。
使用于-150～150℃,非稳定化焊缝金属,δ=4%～12%,稳定化焊缝金属,δ=6%～15%。
(4)锻材、管件、棒材和板材的铸坯,δ=3%
～8%。
(5)冷冲压和冷拔材料的铸坯,δ≤5%。(6)适用于540～900℃,б相形成温度的母材及焊材,δ=3%～8%。
(7)核反应堆核安全级设备焊接材料。(a)中国钠冷却增值反应堆,δ=3%～12%。
〔1〕 〔美〕美国金属学会,金属手册,第九版,第三卷〔M〕.北
京:机械工业出版社.1991.
〔2〕 〔美〕ASME2Ⅲ锅炉及压力容器规范第三卷,核动力装置
设备〔S〕.
〔3〕 〔法〕RCC2M2压力堆核岛机械设备设计和建造规则,第二
卷.材料〔S〕.
〔4〕 中国特钢企业协会不锈钢分会.不锈钢实用手册〔M〕.北
京:中国科学技术出版社,2003.
(收稿日期:2004110129)
书讯
《实用阀门设计手册》
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文章编号:100225855(2005)0120020206
奥氏体不锈钢中铁素体含量计算
陈世修,秦宗琼
(无锡锡山阀门厂,江苏 无锡 214117)
摘要 介绍了奥氏体不锈钢中铁素体的作用和测量方法,分析了奥氏体不锈钢中铁素体形成机理,重点阐述了采用不锈钢组织图和合金元素铬当量与镍当量控制奥氏体不锈钢中铁素体含量的计算方法。 关键词 不锈钢阀门;奥氏体;铁素体;计算
中图分类号:TG14125 文献标识码:A
CalculationofferritecontentinAusteniticSteel
CHENShi2xiu,QINZhong2qiong
(WuxiXishanValvefactory,Wuxi214117,China)
Abstract:IntroduceseffectandmeasuringmethodsfortypemechanismofferriteinAustenticsteel,ferritecontentinAustenticsteelbyusingelementsofchromiumandnickelKeyw;;ferrite;calculation1 概述
接性能的影响,其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能的影响。211 含量
奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性,是不锈钢系列材料中重要的一类,其产量约占不锈钢总产量的70%。不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢,而阀门行业对奥氏体不锈钢的认识水平,还仅涉及其化学成分和力学性能方面。随着科技进步,在核电站、核反应堆工程用核安全级阀门、国防军工用特种阀门以及大型化工装置中“SHA级”管道重要阀门,都相继对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素体含量进行了规定。因此,必须掌握奥氏体不锈钢中铁素体含量的测量和计算方法。
2 奥氏体不锈钢中铁素体的作用
不锈钢阀门的承压件(阀体、阀盖和阀瓣)大部分材料采用ASTMA351中的CF类不锈钢铸件和ASTMA182中的F304和F316类不锈钢锻件,
其属于1828型和18212型(其数值表示Cr和Ni的大致含量)奥氏体不锈钢。
不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。奥氏体具有面心立方晶体结构,无磁性。铁素体具有体心立方晶体结构,有磁性。应当指出,冶金产品称谓的奥氏体不锈钢,并不表明它的组织结构必须是100%的奥氏体。在不锈钢阀门和零件验收时,常可见到用磁铁来吸引被检测物体,若出现有弱磁性就以此认为产品存在质量问题,其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解,这种做法往往容易造成错误判断。
奥氏体不锈钢中通常都会有一定数量的铁素体。依据文献[1]中第三卷《性能与选择:不锈
分析奥氏体不锈钢中铁素体的作用是十分重要的技术基础,只有通过深入的研究,充分的了解和掌握铁素体的正面(有利)和负面(不利)的作用,才能正确的加以利用或控制。奥氏体不锈钢中铁素体的作用,对阀门来讲,最重要的方面是对焊
作者简介:陈世修(1940-),男,四川荣县人,研究员级高工,部省级专家,长期从事阀门设计及研究开发工作。
2005年第1期 阀 门 —21—
性,隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出,从而防止晶间腐蚀,因此铁素体对提高耐晶间腐蚀的作用有好处。通过试验证明,由于铁素体对应力腐蚀开裂不敏感,因此含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但含有很少铁素体的奥氏体钢焊缝。213 耐腐蚀性能
钢》,在《铸造不锈钢的性能》中指出:对于CF类铸造不锈钢,通常具有5%～25%的铁素体。为此,美国材料与试验协会(ASTM)将阀门用奥氏体不锈钢铸件标准的名称定义为ASTMA351《承压件用奥氏体奥氏体2铁素体(双相)铸钢》。212 焊接性能
奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹以及耐蚀性,这类问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。21211 防止焊缝的热裂纹奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。奥氏体不锈钢焊缝中常常需要形成一定数量δ相铁素体(4%～12%),以防止焊缝产生凝固裂纹(热裂纹)。δ铁素体是奥氏体不锈钢(含焊缝金属)在一次结晶过程(凝固过程)中生成并保留至
焊接材料(母材和焊材)中的δ相铁素体能显著改善焊缝及热影响区抗晶间腐蚀和应力腐蚀的机理。依据同样的机理可以得出,对于奥氏体不锈钢铸件和锻件母材中少量的铁素体(5%～12%),总体上讲有利于改善材料的抗晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能。另一方,对于某些特殊的腐蚀环境,例如在尿素和醋酸等介质中铁素体会发生选择性腐蚀,应对铁素体含量进行限制。214 常温的铁素体。由于铁素体含碳量很低,性能与纯
铁相似,有良好的塑性和韧性,低的强度和硬度。铁素体的有利作用是对S、P、Si和Nb解度较大,晶,,母材金。焊缝中的铁素体可以有效的阻止低溶点共晶生成和减少偏析程度以及二次晶界的错位运动,因而可防止热影响区裂纹和高温低塑性裂纹。总之,焊接中的δ铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂纹作用是肯定的,它显著的改进了焊接性,提高了焊接结构的安全程度。
δ铁素体在焊缝中具有一定的负作用。对于焊后需要600℃以上热处理的焊件或长期在600～850℃温度下工作的焊件,由于在上述高温下δ相铁素体会析出б相铁素体,б相具有四方结晶构造,且富含Cr造成周围Cr的贫化,引起焊缝金属的脆化。此时应将焊缝铁素体的含量控制在3%～8%,或者采用重新固溶处理,将б相铁素体溶解回基体中。21212 改善焊接接头的耐蚀性
焊接接头是指整个焊接区,包括焊缝和熔合区以及热影响区。奥氏体钢的焊接结构常常因为腐蚀而损坏甚至报废,最常见的腐蚀类型是晶间腐蚀和应力腐蚀。
由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间,削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向
。,同时,延(表1)。利用此特性,可采和加工性能。
表1 铁素体含量对1828奥氏体钢拉伸性能的影响
铁素体含量
%
抗拉强度屈服强度
MPa465
[***********]延伸率断面收缩率
%[***********]1543103615%[***********]1269174715δ012/MPa
216
[***********]在室温下试验
3102041
在355℃下试验
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1020 铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性,特别是用于大锻造比的锻件,铸坯限制铁素体的含量是合理而必要的(通常限制在3%～8%)。同样道理用于冷变形的奥氏体钢,如冷伸压、深冲压,冷拔和冷挤压的奥氏体钢,铁素体含量应进一步限制(通常限制在5%以下)。
不锈钢阀门的主体(阀体和阀盖)材料,
国内企业一般采用CF类奥氏体不锈钢铸件。铸件中的铁素体含量,除了有利于铸件作为焊接母材,防止焊缝热裂纹和微裂纹外,铁素体还有利于防止铸造凝固成形过程中裂纹和偏析产生,以及增加铸件材料力学性能。
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3 铁素体形成机理
所有不同种类的不锈钢都是铬含量在12%以
)上的铁基合金。铁基合金在高温下(大于800℃基本晶体结构为面心立方体———奥氏体。当温度下
降到常温时,晶体结构变成体心立方体———铁素体(或马氏体)。
如果在铁铬合金中加入7%以上Ni或增加C、N或Mn等一种或多种奥氏体形成元素,高温下的奥氏体晶体在常温下将处于稳定状态,即常温下的奥氏体。如果加入的奥氏体形成元素的总量(镍当量)不够多,则常温下只能有一部分是奥氏体,另一部分则是铁素体。由此得出,不锈钢的组织结构是由合金元素含量决定的。对于奥氏体不锈钢,合金元素的作用可分成两大类,即铁素体形成元素(称为铬当量元素)和奥氏体形成元素(称为镍当量元素)。两大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。奥氏体形成元素主要有Ni、Mn、C和N,铁素体形成元素主要有CrMo、Si、Nb和
Ti。
Cr性。特别是抗氯离子点蚀,同时能提高还原性介质中,如硫酸、磷酸及有机酸中的耐蚀性。Mo还可提高奥氏体钢的高温强度。由于Mo是铁素体形成元素,为了平衡组织,加Mo的不锈钢中应当相应增加Ni等奥氏体形成元素含量。例如CF3M,加入210%～310%Mo后,Ni含量也增加到910%～1310%。
Si是强铁素体形成元素,其铬当量为115。Si可提高钢的高温性能和在强氧化性介质(如发烟硝酸)中的耐腐蚀。同时还可改善铸造特性。
Nb是铁素体形成元素,其铬当量为015。Nb
和Ti在不锈钢中起稳定碳的作用,能优先与碳结合形成稳定的碳化物,并均匀的分布在基体中,阻止Cr的碳化物生成,防止晶间腐蚀。Nb的抗晶间腐蚀稳定性比Ti更高,Nb还可增强奥氏体钢的高温强度。Ti,其镍当量为,,造成奥氏体晶界贫铬,显著降低抗晶间腐蚀性能。因此,降低含碳量是防止晶间腐蚀最有效的措施,奥氏体钢含碳量应控制在0108%以下(低碳级)和0103%(超低碳级)。
N是剧烈的奥氏体形成和稳定元素,其镍当量
,12%,提高抗高温氧化性能。
Ni是典型的形成并稳定奥氏体元素。图1可以看出镍的作用,在图中斜线以上,所示温度下奥氏体是稳定的。在这条线以下铁素体和马氏体都具有稳定的晶体结构。Ni的作用是增强抗酸的腐蚀能力,提高抗非氧化性介质的耐蚀性,同时提高材料韧性、延展性和优良的综合性能,使它更易于加工和焊接。
为30。可显著提高钢的强度,增强抗局部腐蚀(点蚀及缝隙腐蚀)能力,并能减少б相析出,防止高温脆性,使奥氏体具有良好的抗敏化能力。利用N的这一特征,近20年来,美国、法国以及中国相继研制开发出了含氮或控氮不锈钢,代表性的含氮钢种是AISI304N和AISI304LN(含氮0110%～0116%)。控氮钢种又称为核级钢,如304NG、X2CND18212(法国RCC2M标准)和316NG(含氮0106%～0110%)。此类新钢种明显的提高了强度,改善了钢的抗晶间腐蚀和应力腐蚀性能,
成功的解决了沸水(BWR)核反应堆运行中出现的IGSCC(晶间应力腐蚀)破裂事故。此类核级控氮钢已成功应用到压水(PWR)核反应堆中。
Mn是扩大及稳定奥氏体元素,其镍当量为015。通常N和Mn联合使用成为代替和节约Ni
图1 加入Ni对铁2铬合金的影响
Mo是促进铁素体形成元素,它的铬当量为1。
Mo可提高钝化膜的强度,显著增强耐局部腐蚀
的主要材料。Mn可提高强度,增加N在钢中的溶解度,但是Mn可促进б相析出,造成钢有脆性,同时不利于钢的低温韧性和可焊性。
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表2 合金元素对不锈钢的作用
添加目的
Cr
Ni
Mn
N
Ti
Nb
Si
Mo
Cu
C
S
Se
Al
合 金 元 素
形成铁素体
形成奥氏体形成碳化物改善抗氧化性酸改善抗还原性酸防止晶间腐蚀防止点蚀改善抗应力腐蚀改善抗氧化性改善高温抗蠕变性改善时效硬化性细化晶粒改善机械加工性中—中强————强—————中——强——强中中————弱弱——————弱————强———————中—弱—强—强——强——中中中强—中—强——强———强强中—中——中中中中—强—中——中—弱—强弱强——中————弱——强—————中———强———————中———————————————强————————————强强———————强—中——
常用合金元素对不锈钢的作用见表2。4 铁素体含量测量方法
同,即对奥氏体锻件板材,焊条等应按规定进行本。413奥氏体不锈钢中δ相铁素体含量的测量共有3种方法,磁性仪测量法、金相检验法和计算法。411 磁性仪测量法
Cr和Ni当量计算,。然后将计算的铬和镍当量值,在不锈钢组织图中找到坐标值,两坐标的相交点,便是铁素体含量值。采用计算法比用磁性仪测量法和金相检验法方便得多,而且不受仪器设备限制,一般具备化学分析能力或掌握材料的化学成分报告单,便可用这一方法,快速的评定出铁素体的含量。依据何种组织图评定和相应的铬和镍当量的计算公式,是采用计算法应掌握的关键。41311 谢夫尔图
利用铁素体的磁性特性,δδ生成并保留到常温的铁素体,对铸件和焊缝可直接测量。而对于锻轧等变形状态奥氏体不锈钢,例如其锻件、棒材、板材、焊条或焊丝等材料,由于δ相铁素体已严重错位,铁磁特性已改变,故应按照
)进行相关规范(如ASME第Ⅲ卷《核动力设备》制作试样。本身自溶焊接,通常采用钨极无焊丝氩气保护进行自溶焊接,才能对自然状态的凝固表面进行测量,并且至少应读取6个不同位置的读数,取其平均值。应注意的是国外磁性仪通常是按美国
WRC(焊接研究学会)采用的“铁素体含量级别序数”(FN)校正,得出的铁素体值单位为FN,与铁素体含量百分比数基本等同。412 金相检验法
谢夫尔(Schaefier)图适用于所有奥氏体、铁素体或马氏体以及双相和沉淀硬化类不锈钢的铸件、锻件或变形件,也适用于常规的不锈钢焊后自然状态的焊缝组织评定。
谢夫尔图是最早也是应用最广的不锈钢组织图
(图2),谢夫尔图的铬和镍当量计算公式为铬当量=%Cr+%Mo+(115×%Si)+(015×%Nb)
镍当量=%Ni+(30×%C)+(015×%Mn)
利用δ相铁素体在奥氏体钢中是以不连续小坑型均匀分布的特点,在金相显微镜下观测δ相铁素体“小坑”在奥氏体中分布情况和所占面积比例,并与相关国家或专业标准(我国已发布国家标准)中的标准金相图比较,并可检验出δ相铁素体含量。
采用金相法应注意的事项与磁性仪测量法相
从计算公式中可以看出,谢夫尔图没有考虑奥氏体形成元素N的作用,因此估算铁素体含量的精确度为±4%,但它广泛作为阀门主体材料(铸锻件)铁素体含量的评定图。例如文献[3]中规定奥
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氏体2铁素体不锈钢制造的1、2和3级核安全设备中的承压铸件,铁素体含量按RCC2MMC1000规定中的谢夫尔曲线图评定,不考虑N
含量。
合于含氮和控氮不锈钢以及气体保护焊的焊接组织评定。
德龙图的铬和镍当量计算公式为
铬当量=%Cr+%Mo+(115×%Si)+(015×%Nb)
镍当量=%Ni+(30×%C)+(30×%N)+(015×%Mn)
德龙图进一步改进了曲线精确度,考虑了N的作用,估算铁素体含量的精确度为±2%,图3是所规定采用的德龙图,主要用于焊接材料的δ铁素体含量计算。
ASME提供的德龙图不仅给出了δ铁素体含量的百分比,同时还给出了“铁素体含量级别序数”(FN),简称为“铁素体序数”(FN),它是美国焊接研究学会(WRC
)采用的技术术语,用来表示值,“铁素体序数”)。
图2 不锈钢的谢夫尔组织图
41312 德龙图
德龙(Delong)图是在谢夫尔图的基础上改进
的,此图加入了奥氏体形成元素N的作用,更适
图3 不锈钢的德龙组织图
在运用德龙图时,应注意镍当量中N元素的影响。在ASME中关于N含量有明确的规定,最好采用实测的含氮量。如果没有实测值时,可采用
下列推荐的含氮量。①熔化气体保护焊(GMAW)的焊缝为0108%,自保护管状焊条熔化极气体保
护焊为0112%。②其他方法的焊缝为0101%。大量的试验数据证明,当用上述ASME推荐的含N
量代入德龙图的镍当量计算式,得出的δ铁素体计算值与实测值十分接近,因此在应用德龙图时,必须遵循ASME上述的规定。
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(b)美国ASME,δ≥5FN(FN2铁素体序
法国RCC2M也提供了与ASME十分近似的德
3〕
龙图〔,只给出了δ铁素体含量百分比,没有引入铁素体序数(FN)概念,仅在指明按RCC2M规范制造设备时采用。
另外不锈钢的组织图还有WRC(1992)图,此图是美国焊接研究学会(WRC)制订的,以铁素体序数(FN)表示铁素体含量。该图已把铁素体序数(FN)扩大到100FN,主要适用于双相不锈钢(铁素体与奥氏体各占50%左右)。5 铁素体含量验收标准
数)。
(8)核电站(沸水堆、压水堆)和核安全级设备。
(a)中国压水堆焊接材料,δ=5%～12%,承压铸件,δ=10%～18%。
(b)美国ASME,焊接材料,δ≥5FN。(c)法国RCC2M,压水堆和承压铸件,δ=12%～25%(理想含量为15%～20%)。
本文中的焊接材料和焊缝金属,不包括阀门密封面堆焊材料及密封面金属。6 结语
奥氏体不锈钢中通常都含有一定数量的铁素体(5%～15%)。铁素体的作用具有双重性,奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁素体(5%～15%)对防止焊接热裂纹,目前我国奥氏体不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有统一的标准,对奥氏体不锈钢中铁素体含量进行规定的主要是核电站、核反应堆、国防军工专用设备及重要化工装置用奥氏体钢铸件、焊接母材和焊材。根据相关的标准、
δ代表铁素控制范围和经验指标,综合介绍如下(
体含量)。
(1)要求无磁性材料,磁性铸件,δ≤011%。
(2),,同时铸件中一
(20%对防止铸造热,。在一些特,如高温、超低温以及选择腐蚀环境,应控制其不利作用。为此,研究奥氏体不锈钢中铁素体的作用,掌握铁素体的调控原理、测量和计算方法,对研制和开发高参数不锈钢阀门,特别是设计制造核安全级不锈钢阀门,具有十分重要的意义。
参
考
文
献
≤(3)℃,δ≤110%。
使用于-150～150℃,非稳定化焊缝金属,δ=4%～12%,稳定化焊缝金属,δ=6%～15%。
(4)锻材、管件、棒材和板材的铸坯,δ=3%
～8%。
(5)冷冲压和冷拔材料的铸坯,δ≤5%。(6)适用于540～900℃,б相形成温度的母材及焊材,δ=3%～8%。
(7)核反应堆核安全级设备焊接材料。(a)中国钠冷却增值反应堆,δ=3%～12%。
〔1〕 〔美〕美国金属学会,金属手册,第九版,第三卷〔M〕.北
京:机械工业出版社.1991.
〔2〕 〔美〕ASME2Ⅲ锅炉及压力容器规范第三卷,核动力装置
设备〔S〕.
〔3〕 〔法〕RCC2M2压力堆核岛机械设备设计和建造规则,第二
卷.材料〔S〕.
〔4〕 中国特钢企业协会不锈钢分会.不锈钢实用手册〔M〕.北
京:中国科学技术出版社,2003.
(收稿日期:2004110129)
书讯
《实用阀门设计手册》
北京阀门研究所陆培文主编的《实用阀门设计手册》由机械工业出版社于2002年10月出版发行。本书内容丰富,文字简练,实用性强。本书系统地表述了阀门最基本的设计方法和计算要求,产品和零部件的设计程序、计算项目、计算式及设计计算中所需要的技术数据,均采用图表形式表达,查找方便。可供石油、化工、轻工、城建、电力、冶金、医药、给排水、车辆及机械等行业从事阀门设计、使用与维修工作的技术人员使用,也可供各设计院所和理工科大专院校有关专业人员参考。
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3号沈阳阀门研究所科技开发信息中心的佟浚达联系。邮编110025,电话024-25653780。