讲述304不锈钢管中铁素体的形成机理,以及铁素体含量对304不锈钢管焊接性能、耐蚀性能、加工性能的影响,总结对比了各种测量铁素体含量方法的优缺点。

1引言

304不锈钢管因其具有良好的耐蚀性能、加工性能、力学性能,在工业各领域得到充分应用。铁素体含量及其准确测量更是直接关系到奥氏体钢的使用稳定性和安全性。

2铁素体的形成机理

对于不锈钢材料,合金元素作用可分为两类,一类是有利于奥氏体形成的奥氏体形成元素,另一类是有利于铁素体形成的铁素体形成元素。这两类合金的比例直接决定了奥氏体钢的组织结构和综合性能。

不考虑特殊的使用条件,一般不锈钢材料中作为典型铁素体形成元素的Cr含量约为12%。通过铁碳二元相图可观察到,当合金温度从800℃降低至室温时,原本为面心立方晶体结构的奥氏体转变为具有体心立方结构的铁素体或马氏体组织。若将Ni或多种奥氏体形成元素加入到上述铁铬合金中,则当温度降至常温时,原高温状态的奥氏体仍能够处于稳定状态,这就形成了常温下的稳定奥氏体组织。

综上所述,在合金中加入的奥氏体形成元素并不足以让所有高温奥氏体全部转化为常温稳定奥氏体时,在温度达到室温后,只能一部分转变为奥氏体,另一部分转变为铁素体,成为奥氏体-铁素体复相状态。这类钢与纯奥氏体钢相比,具有较为明显的优点,例如由于Cr的增加,奥氏体钢的抗晶间腐蚀能力有所提高,焊接热裂纹倾向小,但也同时存在加工性能差等缺点。

3铁素体对奥氏体钢的作用

对于铁素体对304不锈钢管作用的研究是十分重要的,这一问题直接影响到对304不锈钢管优良性能的探究。通过研究把握铁素体的利弊,才能合理利用含有不同含量铁素体的304不锈钢管,并采取相应的方法加以控制铁素体含量。

在焊接过程中易于出现的主要问题是:在焊缝区及焊接热影响区(即HAZ区)产生热裂纹,并出现腐蚀现象。这些现象又是作为304不锈钢管工艺焊接性和使用焊接性的重要考核目标。因此对于304不锈钢管中铁素体的作用,在这里我们最关注的是对焊接性能的影响。

在关注焊接性能的同时,对于不同的使用条件,研究铁素体对材料耐腐蚀性能、加工性能和力学性能的影响也是十分必要的。

3.1铁素体对304不锈钢管焊接性的影响

铁素体对304不锈钢管焊接的影响主要从以下两个方面考虑:焊缝热裂纹,焊缝的脆化。

304不锈钢管焊接热裂纹主要是由于焊缝及熔合区的PS夹杂及低熔点相的偏聚,碳化铬的大量析出造成的。同时奥氏体钢的导热系数小、线膨胀系数大,焊缝金属凝固过程中存在较大拉应力也是产生热裂纹的重要原因。铁素体含碳量低,具有塑性、韧性好,但强度、硬度低的特点,因此对杂质元素,如PS等溶解度较大,从而能够有效防止杂质元素的偏析。而对NbSi等微量元素的溶解,能够减少低熔点相的形成,从而有效阻止热裂纹的产生,阻碍微小裂纹的延伸、扩展。

304不锈钢管中的铁素体在焊接过程中,具有减少焊缝熔敷金属产生热裂纹倾向的作用,由此可见铁素体的存在能够在一定程度上改进焊接性,并保证了焊接结构的使用安全性。

然而铁素体在焊缝金属中同样存在一些负面影响,例如易产生σ相脆化,这会造成材料脆性增大,导致焊缝性能的整体下降,不利于不锈钢的可焊性和低温韧性,因此焊缝铁素体含量应加以严格控制。

3.2铁素体对304不锈钢管耐蚀性能的影响

对于304不锈钢管焊接而言,焊缝及热影响区的耐蚀性能也是一个重要方面。针对奥氏体钢焊缝耐蚀性能,当焊缝温度处于敏化温度范围内(600℃~850℃),将发生多余碳原子扩散在晶界处与铬形成不稳定的间隙碳化物Cr 23 C 6,并在晶界处析出,造成了晶界处出现“贫铬区”。由于“贫铬区”与晶粒内部存在相对较大的电位差,因而容易导致304不锈钢管的晶间腐蚀。

为避免晶间腐蚀应考虑两方面因素:一方面是在母材含碳量一定的情况下,在焊材中加入稳定C元素的合金元素,如TiNb;另一方面从焊接冶金方面考虑,应破坏奥氏体焊缝金属中形成的柱状晶,形成双相组织,即含有铁素体的304不锈钢管

304不锈钢管中含有一定量的铁素体时,呈现出小坑状均匀分布在奥氏体晶粒之间,破坏奥氏体相柱状晶的单一方向性生长,不致形成连续贫铬区,减少了碳化物沉淀的可能性,从而提高不锈钢焊缝抗晶间腐蚀的能力。目前已有研究证明TP.309LTP.347系含少量铁素体的304不锈钢管焊材,具有降低裂纹敏感性,提高晶间腐蚀的能力。

从上述分析中,焊接材料中铁素体对于改善焊缝金属和HAZ区抗腐蚀能力的作用极为显著。同理可得,存在于304不锈钢管铸件和锻件中的少量铁素体,整体上能够起到提高材料的耐腐蚀性能的作用。这是因为铁素体中Cr的含量远大于奥氏体中的Cr含量,在熔炼冷却过程中,铁素体中大量的Cr会及时析出,减少了晶界处贫铬区的形成。

3.3铁素体对304不锈钢管的其他影响

铁素体含量的增加和减少,会直接影响到304不锈钢管的可加工性,尤其是对大型锻件、铸坯的锻造和加工,因此合理限制铁素体的含量是十分必要的。过高的铁素体含量往往会损坏304不锈钢管的可锻造性能,这是由体心立方晶体结构的铁素体延展性差的特性所决定的。

4铁素体含量的测量方法

通过对304不锈钢管中铁素体含量影响的分析,准确测量铁素体含量对于合理应用304不锈钢管具有至关重要的意义。目前国际上采用铁素体数FN和铁素体体积分数FP作为焊缝铁素体含量的表征量。

国内外常用的检测方法有化学分析-图谱法、金相法及磁性法。

金相法由于测量过程中,必须按照统计学原理有序地对足够多的视场及监测点进行检测,因而具有可信度高的优点。但实际操作中,准确性、一致性和重现性差,而且速度慢、效率低,不同的检测人员检验结果相差很大。据了解,常规金相法由于测量精度差、测量范围窄、测量过程繁琐,已不常使用。

化学分析-图谱法是通过测出奥氏体及双相不锈钢的化学成分就能判定铁素体含量,大量的试验和调查表明,铁素体含量的计算值和实际测量值存在较大偏差。这是由于图谱自身误差和化学成分分析结果误差等众多因素的综合作用造成的。

目前尤以磁性法对铁素体含量的检测最为广泛和便捷,并被认为是测量不锈钢焊缝铁素体含量最好的方法之一。但铁素体的不均匀分布会影响测量精确度,检测中需要进行多位多次测量以确保数据重现性。因此建议采用磁性法对304不锈钢管中的铁素体含量进行检测。

5结论

1304不锈钢管中的铁素体含量是由材料中的铁素体形成元素与奥氏体形成元素的比例决定的。

2)铁素体含量对于304不锈钢管性能的影响较为显著,焊缝中的铁素体有利于减少热裂纹及增强耐腐蚀性能,但其含量应严格控制,以防产生负面影响。

3)采用磁性法测量304不锈钢管中铁素体含量是较为优异的方法,方便快捷,同时能够提高检测效率。