不锈钢的脆化

不锈钢的脆化0 序言不锈钢是指在大气、水、酸溶液、碱溶液、盐溶液或其它腐蚀性介质中具有高度化学稳 定性的合金钢的总称，通常所说的不锈钢实际上既包括“不锈钢”，也包括“耐酸钢”。从金属 学角度，不锈钢是指的钢中加人大量的合金元素(Cr、Ni等)，并施加一定的热处理工艺， 提高钢基体的电极电位、或者使钢表面形成致密保护膜、或者具有单相组织，进而提高抗腐 蚀能力。通常不锈钢是按其正火组织的不同分为五大类：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥 氏体一铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢，其中铁素体不锈钢和马氏体不 锈钢属于Cr钢，其它三类为Cr-Ni钢。现在，各种各样的不锈钢已广泛应用于工农业生产、工业建筑等行业，在其广泛应用的 同时，对其焊接性能也提出了更高的要求。在实际焊接生产中，不锈钢焊接接头存在的一个 主要问题就是焊缝金属的脆化现象。1 奥氏体不锈钢的脆化奥氏体不锈钢是不锈钢中应用最广泛的一类，以Cr-Ni钢为典型，通常分为三大系列： 一种是以Crl8Ni8为代表的18-8钢，如0Crl9Ni9, lCrl8Ni9Ti； 种是以Cr25Ni20为代表 的 25-20 钢，如 2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20、00Cr25Ni22Mo2；另一种是以 25-35 为代表的 钢，如4Cr25Ni35。其中，最常用的是18-8系列钢。11奥氏体不锈钢的相脆化由于铁素体含量较少，奥氏体不锈钢粗晶脆化和475 脆化的倾向并不明显，研究1表 明其脆化机理以o相脆化为主。一方面由于焊接时产生的焊接残余应力较大，奥氏体焊缝屈 服强度较低，冷作硬化倾向很大，在收缩应力作用下奥氏体焊缝会产生“自生硬化”现象， 使 其强度、硬度提高而塑性下降；另一方面，以粗大Y柱状晶为主的焊缝显微组织是不均匀的， 有时为防止热裂纹，采用含有少量8相的y+5双相组织焊缝，导致焊缝低温韧性下降。在一 定的温度范围(如600850C )条件下，奥氏体不锈钢焊缝金属会发生yg转变，并且o 相主要沿晶界沉淀析出，导致接头严重脆化。12 奥氏体不锈钢脆化的防止和消除(1) 通过控制焊缝中奥氏体和铁素体形成元素含量及其比值，可以获得单相Y组织焊缝， 控制或减少 8相，改善接头低温韧性。(2) yo 转变是奥氏体不锈钢脆化的最重要影响因素，添加特定的合金元素和稀土元素 可以抑制该转变的发生，从而降低奥氏体不锈钢焊缝金属的脆化倾向。焊接工艺的影响(3) 工艺上，可以采用不预热焊接，选择合适的焊接方法和工艺参数来限制热输入，并 且焊后尽可能快速冷却，有利控制接头脆化。2 铁素体不锈钢的脆化铁素体钢分为普通铁素体钢和高纯铁素体钢，其中普通铁素体钢按 Cr 含量分为低 Cr 型(Cr12%-14%)、中Cr型(Cr16%-18%)和高Cr型(Cr25%-30%),高纯铁素体钢按钢中 C+N 含量又分为三种。其中最常用的铁素体钢是以 Crl7 为代表的高铬钢(如 lCrl7Ti、 0Cr17Ti、1Cr25Ti等)，在常温下具有铁素体组织，主要用作热稳定钢。21 铁素体不锈钢的粗晶脆化及相关措施由于含有足够的铁素体形成元素（如Cr）,铁素体不锈钢焊接过程中铁素体组织十分稳 定，因此几乎没有相转变发生，晶粒得以严重长大而形成粗大铁素体2。粗大的铁素体晶粒 一旦形成，就不可能通过热处理来改善，因而会造成明显的脆化后果。为了降低铁素体不锈钢的粗晶脆化倾向，无论是何种焊接方法，都应采用热输入、少层 次的焊接工艺，层间温度控制在200 C以下，这样才能有效控制减少焊缝金属中晶粒的过分 长大，避免接头脆化。2.2铁素体不锈钢的475C脆化及相关措施铁素体不锈钢焊缝金属在400540C范围长时间加热会出现475 C脆化现象，钢的强度、 硬度增加，但塑性、韧性明显下降。研究表明，铁素体不锈钢475C脆化倾向，随着钢中 铁素体形成元素（Cr、Mo、Ti、Nb、Al、Si等）含量的增加而加强，随着钢中奥氏体形成 元素（Ni、Mn、Cu等）含量的增加（超过一定含量后）降低。铁素体不锈钢之所以出现475C脆化，是因为一种微细富铬a相的沉淀析出。这种细微 a相呈球形，尺寸为100200A，具有体心立方结构，无磁性，元素含量中Cr高达61%83%, Fe约为37%17.5%。a相沉淀析出可借Fe-Cr固溶体分解来实现，也具有形核和长大过程。由于475C脆化现象的存在，应限制铁素体不锈钢在此温度附近的使用。在长期工作条 件下，含Cr17%的铁素体钢的使用温度一般不应高于350C，含Cr25%的铁素体钢的使用 温度一般不应高于 250300C。在焊接铁素体不锈钢时，应选择冷却速度较大的硬规范，缩短在危险温度的停留时间。 如果475C脆化已经产生，由于a相的析出一溶解是可逆过程，可以通过焊后加热到600C 以上并快速冷却来消。2.3铁素体不锈钢的相脆化及相关措施在500800C长期加热的条件下，含Cr量大于17%的铁素体容易发生50转变而产生 g相。o相是一种具有高硬度的富Cr的脆性金属间相（Cr含量48%， Fe含量52%），分布 在晶界、枝晶之间，无磁性。 0相的生成一般需要长时间的加热，因焊接热而生成0相的可 能性很小，但焊后再加热运行可能导致析出g相。g相析出不仅使钢的塑性、韧性显著下降， 而且由于g相周围贫Cr,在介质作用下易受到优先腐蚀而使钢的耐蚀性下降。为了防止析出g相，应尽量减少焊缝中形成铁素体和碳化物的元素（Mo、Si等），增加 稳定奥氏体的元素（Ni、C等），并且限制其在g相沉淀温度（500800C ）范围长期工作。 在工艺上力求使用硬规范，减少在危险区的停留时间。如果已经出现了 g相析出，可采用在高于g相形成温度下加热并急冷的方法来达到消 除g相脆性的目的。3 铁素体-奥氏体双相不锈钢的脆化铁素体-奥氏体双相不锈钢中铁素体5占60%40%，奥氏体y占40%60%，故常称为 双相不锈钢。它综合了奥氏体和铁素体不锈钢两者的优点，具有良好的韧性、强度和焊接性。 典型的双相不锈钢有18-5型、 22-5型、 25-5型，其中最为常用的是22-5型。3.1 双相不锈钢的粗晶脆化双相不锈钢由于存在较多的5相，也会出现铁素体不锈钢固有的粗晶脆化现象，其形成 机理也与之类似，因此可以参照铁素体不锈钢粗晶脆化的预防和消除措施，来控制双相不锈 钢的粗晶脆化倾向。32双相不锈钢的475C脆化及相关措施一般认为，双相不锈钢中475 C脆化的发生与铁素体中析出a相有关。a相是富铬的 铁素体相，含铬量可高达60 %65 %，无磁性。此相具有体心立方结构，晶格常数为2.787A， 介于铁与铬的晶格常数之间，它的形成温度范围为350525C。双相不锈钢在300600 C长期时效快冷时，从焊缝金属的铁素体5相基体中会析出富铬 的a相和富铁的a相（奥氏体中没有析出相），其分解反应为5-a+a。当铁素体分解产生a相 时，与奥氏体的位错组态是不一样的，它们没有任何位相关系。a相优先沿铁素体晶界和位 错线上析出，并且位错多呈网状结构，位错与a湘质点交互作用，沿着001晶向在铁素体 基体斑点附近出现a析出相的小斑点，呈现弥散球状。因此，富铬f相的析出伴随位错的钉 扎而导致双相不锈钢的严重脆化，同时造成a相附近基体贫铬，降低其抗腐蚀性能。鉴于双相不锈钢的475C脆化的温度范围350525C，所以双相不锈钢的长期使用温度 应小于300C，以避开475C脆性区，特别对压力容器以及承受压力的构件其长期安全使用 温度范围应为-20C280C。475C脆化一旦出现，可采用1000C以上的固溶处理消除。3.3双相不锈钢的相脆化及相关措施双相不锈钢由于在热处理特性方面兼有铁素体相和奥氏体相的特点，因此在加工生产和 使用过程中很容易析出第三相，从而使钢变脆、加工性能变坏。例如00Cr25Ni16Mo3N含 有较高的Cr和Mo，所以在900C左右极易析出g相。o相是一种具有四方结构、富铬富钼的硬而脆的金属间化合物。国内一些有关双相不锈 钢的论文5提到，双相不锈钢加热及冷却过程中在850950C作稍长时间停留，便易产生g 相；25%Cr双相不锈钢在900950C区间加热时，停留时间20分钟左右，即可能产生较多 的 g 相。为了避免双相不锈钢的g相脆化，要严格控制生产过程中的停留温度及冷却速度，以控 制钢中g相的析出。相关原则有避开850950C的再加工和停留；尽可能控制锻（轧）终了 温度为9801000C ；穿孔终了温度应为9801020C ；固溶处理温度应不小于1000C ；对钢 管拉拔及丝坯应不小于1050C等。如果已经有g相析出，可采用1050C以上的固溶处理消 除。4 马氏体不锈钢的脆化马氏体不锈钢分为普通Cr13钢（如1Cr13、2Cr13、3Cr13），热强马氏体钢（以Cr12 为基进行多元复合化的马氏体钢，如2Cr12WMoV）以及超低碳复相马氏体钢。其中以Cr13 为代表的钢最为常用， 在常温下具有马氏体组织。同铁素体不锈钢一样，马氏体钢也容易出现粗晶脆化的现象，含碳量越高则可能性越大。 其产生原因其主要是淬硬倾向大和过热倾向大，冷却时易在焊缝金属中产生裂纹粗大的马氏 体组织。通过采用相应的工艺措施，可以有效防止和消除马氏体不锈钢的脆化现象。（1）采用奥氏体钢焊接材料 对于含碳量较高的马氏体，为防止冷裂，可采用奥氏体焊缝，但要考虑母材稀释的影响；（2）预热对于含碳量高的马氏体钢，宜采取预热措施， 预热温度的大小由含碳量和拘束度的大小 而定，一般预热温度在150400 C ；（3）焊后回火热处理对于刚度大和含碳量高的焊接件，焊后空冷至150200C,保温12h,然后加热到回火 温度；对于刚度小的焊接件，焊后空冷至室温后再加热至650750C进行回火处理。5 沉淀硬化不锈钢的脆化沉淀硬化不锈钢均为经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用作高强度不锈 钢。最典型的有马氏体沉淀硬化不锈钢（如0Crl7Ni4Cu4Nb,简称17-4PH）、半奥氏体（奥 氏体+马氏体）沉淀硬化不锈钢（如0Cr17Ni7Al，简称17-7PH）和奥氏体沉淀硬化不锈钢 三类,其中应用最多的为半奥氏体（奥氏体+马氏体）沉淀硬化不锈钢。和奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢相比，有关沉淀硬化不锈钢的脆化研究相 对较少。M.Murayama等人用三维原子探针对400C下时效5000h后的17-4PH马氏体不锈 钢基体中观测到了 Spinodal分解的a-a相和G相。国内学者邹红等人的研究表明，17-4P H钢在长期时效后的组织中会出现大量的调幅分 解产物，分解后的组织为相互层叠的黑白相间的富Cr的a相和富Fe的a相，分解的区域逐渐 由晶界逐渐向晶内扩张，最终分解产物的a-a界面很明显。a 相的存在可能会导致类似 “475C脆化”的脆化现象，再加上沉淀硬化不锈钢本身硬度很大，使得其淬硬性更加明显冲 击断口形貌以脆性的准解理和沿晶断裂。但是，这种脆化方式的敏感温度是否在475C左右 还有待研究。6 结论综上所述，不锈钢焊缝金属的脆化机制主要有粗晶脆化、o相析出脆化和475C脆化。随 着钢材种类的日益繁多，不同类型、不同编号的不锈钢的脆化敏感温度不尽相同，但万变不 离其宗，只要搞清楚脆化机理、确定危险范围，在焊接生产中选择合适的焊接方法，严格控 制焊接规范，避免不锈钢在危险温度附近的加工和使用，就能有效减少脆化现象的发生，杜 绝因钢材脆化而引发的严重后果。参考文献1 孙咸. 铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题及对策 J. 机械工人. 2006(2):22-26.2 刘会杰主编. 焊接冶金与焊接性 M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社. 2010.3 李亚江,张永兰. 铁素体钢焊接热影响区催化的研究 J. 焊管. 1995(18):16-20.4 刘晓,王龙妹，陈雷，杜晓健.双相不锈钢475 C脆性及其形成特点对性能的影响J.钢 铁研究学报. 2010(5):46-50.5 顾菊方. 双相不锈钢的脆性及对策 J. 上海钢研. 2000(1):38-40.6 Murayama M,Katayama Y,Hono K. Microstructural Evolution in a 17-4 PH Stainless Steel after Aging at 400C J. Metallurgical and Materials Transactions. 1999(30):345-353.7 王均，邹红，伍晓勇,邱绍宇，沈保罗.17-4PH马氏体不锈钢350C长期时效脆化研究J. 核动力工程. 2005(3):254-258.