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，其產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%。不銹鋼閥門主體材料幾乎全部采用奧氏體不銹鋼，而閥門行業(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、國防軍工用特種閥門以及大型化工裝置中“SHA級(jí)”管道重要閥門，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。

      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)閥門來講，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。

2.1 含量 

      不銹鋼閥門的承壓件（閥體、閥蓋和閥瓣）大部分材料采用ASTM A351中的 C F類不銹鋼鑄件和ASTM A182中F304和F316類不銹鋼鍛件，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。在不銹鋼閥門和零件驗(yàn)收時(shí)，常可見到用磁鐵來吸引被檢測(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類鑄造不銹鋼，通常具有5%~25%的鐵素體。為此，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）將閥門用奧氏體不銹鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)的名稱定義為 ASTM A351《承壓件用奧氏體奧氏體-鐵素體（雙相）鑄鋼》。

2.2 焊接性能  

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

2.2.1 防止焊縫的熱裂紋  

      奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體起著極其重要的作用。奧氏體不銹鋼焊縫中常常需要形成一定數(shù)量δ相鐵素體（4% ~ 12%），以防止焊縫產(chǎn)生凝固裂紋（熱裂紋）。δ鐵素體是奧氏體不銹鋼（含焊縫金屬）在一次結(jié)晶過程（凝固過程）中生成并保留至常溫的鐵素體。由于鐵素體含碳量很低，性能與純鐵相似，有良好的塑性和韌性，低的強(qiáng)度和硬度。鐵素體的有利作用是對(duì)S、P、Si和Nb等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶，從而阻止凝固裂紋產(chǎn)生。  

      焊接過程實(shí)際上是一個(gè)在焊接結(jié)構(gòu)上，母材金屬與焊材局部進(jìn)行的冶金和熱處理過程。焊縫中的鐵素體可以有效的阻止低溶點(diǎn)共晶生成和減少偏析程度以及二次晶界的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，因而可防止熱影響區(qū)裂紋和高溫低塑性裂紋�？傊�，焊接中的 δ鐵素體對(duì)防止和降低奧氏體焊縫金屬的熱裂紋和微裂紋作用是肯定的，它顯著的改進(jìn)了焊接性，提高了焊接結(jié)構(gòu)的安全程度。  

     δ鐵素體在焊縫中具有一定的負(fù)作用。對(duì)于焊后需要 600℃以上熱處理的焊件或長期在600 ~ 850℃溫度下工作的焊件，由于在上述高溫下δ相鐵素體會(huì)析出б相鐵素體，б相具有四方結(jié)晶構(gòu)造，且富含Cr造成周圍Cr的貧化，引起焊縫金屬的脆化。此時(shí)應(yīng)將焊縫鐵素體的含量控制在 3%~8%，或者采用重新固溶處理，將б相鐵素體溶解回基體中。

2.2.2 改善焊接接頭的耐蝕性  

      焊接接頭是指整個(gè)焊接區(qū)，包括焊縫和熔合區(qū)以及熱影響區(qū)。奧氏體鋼的焊接結(jié)構(gòu)常常因?yàn)楦�蝕而損壞甚至報(bào)廢，最常見的腐蝕類型是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。由于鐵素體是以分散并均布成小坑狀存在于奧氏體晶粒之間，削弱奧氏體柱狀晶和樹枝晶的方向性，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻析出，從而防止晶間腐蝕，因此鐵素體對(duì)提高耐晶間腐蝕的作用有好處。通過試驗(yàn)證明，由于鐵素體對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂不敏感，因此含有鐵素體的奧氏體鋼焊縫的耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于同成分但含有很少鐵素體的奧氏體鋼焊縫。

2.3 耐腐蝕性能  

     焊接材料（母材和焊材）中的δ相鐵素體能顯著改善焊縫及熱影響區(qū)抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的機(jī)理。依據(jù)同樣的機(jī)理可以得出，對(duì)于奧氏體不銹鋼鑄件和鍛件母材中少量的鐵素體（5%~12%），總體上講有利于改善材料的抗晶間腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕性能。另一方面，對(duì)于某些特殊的腐蝕環(huán)境，例如在尿素和醋酸等介質(zhì)中鐵素體會(huì)發(fā)生選擇性腐蝕，應(yīng)對(duì)鐵素體含量進(jìn)行限制。

2.4 力學(xué)性能和加工性能  

     奧氏體不銹鋼中的鐵素體對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著影響。鐵素體含量增加時(shí)強(qiáng)度增加，同時(shí)，延展性和沖擊強(qiáng)度減低（表1）。利用此特性，可采用調(diào)控鐵素體的含量來達(dá)到所需要的材料力學(xué)性能和加工性能。

      鐵素體含量過高會(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）。  

     不銹鋼閥門的主體（閥體和閥蓋）材料，國內(nèi)企業(yè)一般采用CF類奧氏體不銹鋼鑄件。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程中裂紋和偏析產(chǎn)生，以及增加鑄件材料力學(xué)性能。

     所有不同種類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，即鐵素體形成元素（稱為鉻當(dāng)量元素）和奧氏體形成元素（稱為鎳當(dāng)量元素）。兩大類元素之間的平衡關(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。

     Mo是促進(jìn)鐵素體形成元素，它的鉻當(dāng)量為1。Mo 可提高鈍化膜的強(qiáng)度，顯著增強(qiáng)耐局部腐蝕性。特別是抗氯離子點(diǎn)蝕，同時(shí)能提高還原性介質(zhì)中，如硫酸、磷酸及有機(jī)酸中的耐蝕性。Mo還可提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度。由于Mo是鐵素體形成元素，為了平衡組織，加Mo的不銹鋼中應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增加 Ni 等奧氏體形成元素含量。例如CF3M，加入2.0%~ 3.0%Mo后，Ni含量也增加到9.0%~ 13.0%。 

     Si是強(qiáng)鐵素體形成元素，其鉻當(dāng)量為1.5。Si可提高鋼的高溫性能和在強(qiáng)氧化性介質(zhì)（如發(fā)煙硝酸）中的耐腐蝕。同時(shí)還可改善鑄造特性。Nb是鐵素體形成元素，其鉻當(dāng)量為0.5。Nb和Ti在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，能優(yōu)先與碳結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，并均勻的分布在基體中，阻止Cr的碳化物生成，防止晶間腐蝕。Nb的抗晶間腐蝕穩(wěn)定性比Ti更高，Nb還可增強(qiáng)奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度。Ti也是鐵素體形成元素。在計(jì)算時(shí)可采用與Nb相同的鉻當(dāng)量。  

     C是強(qiáng)烈的擴(kuò)大奧氏體區(qū)域元素，其鎳當(dāng)量為 30。碳對(duì)增加奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度作用非常明顯，但由于碳與鉻非常容易化合生成碳化鉻，造成奧氏體晶界貧鉻，顯著降低抗晶間腐蝕性能。因此，降低含碳量是防止晶間腐蝕最有效的措施，奧氏體鋼含碳量應(yīng)控制在0.08%以下（低碳級(jí)）和0.03%（超低碳級(jí)）。  

     N是劇烈的奧氏體形成和穩(wěn)定元素，其鎳當(dāng)量為30�？娠@著提高鋼的強(qiáng)度，增強(qiáng)抗局部腐蝕（點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕）能力，并能減少б相析出，防止高溫脆性，使奧氏體具有良好的抗敏化能力。利用N的這一特征，近20年來，美國、法國以及中國相繼研制開發(fā)出了含氮或控氮不銹鋼，代表性的含氮鋼種是AISI 304N和 AISI 304LN（含氮0.10% ~ 0.16%）�？氐�鋼種又稱為核級(jí)鋼，如304NG、X2CND18-12（法國RCC-M標(biāo)準(zhǔn)）和316NG（含氮0.06%~ 0.10%）。此類新鋼種明顯的提高了強(qiáng)度，改善了鋼的抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，成功的解決了沸水（BWR）核反應(yīng)堆運(yùn)行中出現(xiàn)的IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕）破裂事故。此類核級(jí)控氮鋼已成功應(yīng)用到壓水（PWR）核反應(yīng)堆中。

     Mn是擴(kuò)大及穩(wěn)定奧氏體元素，其鎳當(dāng)量為0.5。通常N和Mn聯(lián)合使用成為代替和節(jié)約 Ni 的主要材料。Mn可提高強(qiáng)度，增加N在鋼中的溶解度，但是Mn可促進(jìn)б相析出，造成鋼有脆性，同時(shí)不利于鋼的低溫韌性和可焊性。常用合金元素對(duì)不銹鋼的作用見表2。

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

4.1 磁性儀測(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，采用專用的磁性測(cè)量儀可直接測(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)注意的是國外磁性儀通常是按美國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)國家或?qū)�業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（我國已發(fā)布國家標(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)與磁性儀測(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)算法比用磁性儀測(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。

4.3.1謝夫爾圖 

     謝夫爾（Schaefier）圖適用于所有奧氏體、鐵素體或馬氏體以及雙相和沉淀硬化類不銹鋼的鑄件、鍛件或變形件，也適用于常規(guī)的不銹鋼焊后自然狀態(tài)的焊縫組織評(píng)定。  謝夫爾圖是最早也是應(yīng)用最廣的不銹鋼組織圖（圖2），謝夫爾圖的鉻和鎳當(dāng)量計(jì)算公式為：

鉻當(dāng)量=%Cr+%Mo+(1.5×%Si) + (0.5×%Nb)  

鎳當(dāng)量=%Ni + (30×%C) + (0.5×%Mn) 

     從計(jì)算公式中可以看出，謝夫爾圖沒有考慮奧氏體形成元素N的作用，因此估算鐵素體含量的精確度為 ±4%，但它廣泛作為閥門主體材料（鑄鍛件）鐵素體含量的評(píng)定圖。例如《RCC-M-壓力堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》中規(guī)定奧氏體-鐵素體不銹鋼制造的1、2 和 3級(jí)核安全設(shè)備中的承壓鑄件，鐵素體含量按 RCC-M MC1000 規(guī)定中的謝夫爾曲線圖評(píng)定，不考慮N 含量。

4.3.2 德龍圖

      德龍（Delong）圖是在謝夫爾圖的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，此圖加入了奧氏體形成元素 N 的作用，更適合于含氮和控氮不銹鋼以及氣體保護(hù)焊的焊接組織評(píng)定。德龍圖的鉻和鎳當(dāng)量計(jì)算公式為：  

鉻當(dāng)量=%Cr+%Mo+(1.5×%Si)+ (0.5×%Nb)  

鎳當(dāng)量 = %Ni + (30×%C) + (30×%N) +(0.5×%Mn)  

     德龍圖進(jìn)一步改進(jìn)了曲線精確度，考慮了 N 的作用，估算鐵素體含量的精確度為 ±2%，圖3是所規(guī)定采用的德龍圖，主要用于焊接材料的 δ 鐵素體含量計(jì)算。  ASME 提供的德龍圖不僅給出了 δ 鐵素體含量的百分比，同時(shí)還給出了“鐵素體含量級(jí)別序數(shù)”（FN），簡稱為“鐵素體序數(shù)”（FN），它是美國焊接研究學(xué)會(huì)（WRC）采用的技術(shù)術(shù)語，用來表示奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體含量獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值。用以代替鐵素體百分比含量值，“鐵素體序數(shù)”（FN）可以認(rèn)為與“鐵素體百分比含量”相同。

      在運(yùn)用德龍圖時(shí)，應(yīng)注意鎳當(dāng)量中N 元素的影響。在 ASME 中關(guān)于 N 含量有明確的規(guī)定，最好采用實(shí)測(cè)的含氮量。如果沒有實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用下列推薦的含氮量。

     ①熔化氣體保護(hù)焊（GMAW）的焊縫為 0.08%，自保護(hù)管狀焊條熔化極氣體保護(hù)焊為 0.12%。

    ②其他方法的焊縫為 0.01%。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)用上述 ASME 推薦的含N量代入德龍圖的鎳當(dāng)量計(jì)算式，得出的δ鐵素體計(jì)算值與實(shí)測(cè)值十分接近，因此在應(yīng)用德龍圖時(shí)，必須遵循ASME上述的規(guī)定。  

     法國 RCC-M也提供了與ASME十分近似的德龍圖，只給出了δ 鐵素體含量百分比，沒有引入鐵素體序數(shù)（FN）概念，僅在指明按RCC-M規(guī)范制造設(shè)備時(shí)采用。

    另外不銹鋼的組織圖還有 WRC（1992）圖，此圖是美國焊接研究學(xué)會(huì)（WRC）制訂的，以鐵素體序數(shù)（FN）表示鐵素體含量。該圖已把鐵素體序數(shù)（FN）擴(kuò)大到100FN，主要適用于雙相不銹鋼（鐵素體與奧氏體各占50%左右）。

      目前我國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統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)奧氏體不銹鋼中鐵素體含量進(jìn)行規(guī)定的主要是核電站、核反應(yīng)堆、國防軍工專用設(shè)備及重要化工裝置用奧氏體鋼鑄件、焊接母材和焊材。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、控制范圍和經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，綜合介紹如下（δ代表鐵素體含量）。

    1.要求無磁性材料，如雷達(dá)和掃雷器上的無磁性鑄件，δ≤0.1%。

    2. 特別腐蝕要求，防止選擇性腐蝕，如尿素級(jí)焊接母材及焊材，δ≤0.5%。

    3. 使用于-150℃以下低溫環(huán)境焊縫金屬，δ ≤ 1.0%；使用于-150 ~ 150℃，非穩(wěn)定化焊縫金屬，δ=4% ~ 12%，穩(wěn)定化焊縫金屬，δ=6% ~ 15%。

    4. 鍛材、管件、棒材和板材的鑄坯，δ=3%~8%。

    5. 冷沖壓和冷拔材料的鑄坯，δ≤ 5%。

    6.  適用于540 ~900℃，б相形成溫度的母材及焊材，δ= 3% ~ 8%。

    7. 核反應(yīng)堆核安全級(jí)設(shè)備焊接材料。

   （1）中國鈉冷卻增值反應(yīng)堆，δ=3%~ 12%。

   （2）美國ASME，δ ≥ 5FN（FN-鐵素體序數(shù)）

     8. 核電站（沸水堆、壓水堆）和核安全級(jí)設(shè)備。

    （1）中國壓水堆焊接材料，δ=5%~ 12%，承壓鑄件，δ=10% ~ 18%。

    （2）美國 ASME，焊接材料，δ ≥ 5FN。

    （3）法國 RCC-M，壓水堆和承壓鑄件，δ =12% ~ 25%（理想含量為 15% ~ 20%）。  

     本文中的焊接材料和焊縫金屬，不包括閥門密封面堆焊材料及密封面金屬。