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Cr18Ni8为代表的18-8钢，如0Cr19Ni9，1Cr18Ni9Ti；一种是以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。 1.1 奥氏体不锈钢的σ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σ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γ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δ相的γ+δ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600~850℃）条件下，奥氏体不锈钢焊缝金属会发生γ→σ转变，并且σ相主要沿晶界沉淀析出，导致接头严重脆化。 1.2 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γ组织焊缝，控制或减少δ相，改善接头低温韧性。

(2)γ→σ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。 ②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Cr17为代表的高铬钢（如1Cr17Ti、0Cr17Ti、1Cr25Ti等），在常温下具有铁素体组织，主要用作热稳定钢。

2.1 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 ℃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475℃脆化及相关措施

铁素体不锈钢焊缝金属在400~540℃范围长时间加热会出现475℃脆化现象，钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性明显下降。研究[3]表明，铁素体不锈钢475℃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475℃脆化，是因为一种微细富铬α’相的沉淀析出。这种细微α’相呈球形，尺寸为100~200Å，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%。α’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475℃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350℃ ，含Cr25%的铁素体钢的使用温度一般不应高于250~300℃。

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475℃脆化已经产生，由于α’相的析出一溶解是可逆过程，可以通过焊后加热到600℃以上并快速冷却来消。 2.3 铁素体不锈钢的σ相脆化及相关措施

在500~800℃长期加热的条件下，含Cr量大于17%的铁素体容易发生δ→σ转变而产生σ相。σ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。σ相的生成一般需要长时间的加热，因焊接热而生成σ相的可能性很小，但焊后再加热运行可能导致析出σ相。σ相析出不仅使钢的塑性、韧性显著下降，而且由于σ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σ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σ相沉淀温度（500~800℃）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σ相析出，可采用在高于σ相形成温度下加热并急冷的方法来达到消除σ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δ占60%~40%，奥氏体γ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δ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。

3.2 双相不锈钢的475℃脆化及相关措施

一般认为，双相不锈钢中475 ℃脆化的发生与铁素体中析出α’相[4]有关。α’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2.787Å，

介于铁与铬的晶格常数之间，它的形成温度范围为350~525℃。

双相不锈钢在300~600 ℃长期时效快冷时，从焊缝金属的铁素体δ相基体中会析出富铬的α’相和富铁的α相(奥氏体中没有析出相)，其分解反应为δ→α+α’。当铁素体分解产生α’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。α’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α’相质点交互作用，沿着<001>晶向在铁素体基体斑点附近出现α’析出相的小斑点，呈现弥散球状。因此，富铬α’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α’相附近基体贫铬，降低其抗腐蚀性能。 鉴于双相不锈钢的475℃脆化的温度范围350~525℃，所以双相不锈钢的长期使用温度应小于300℃，以避开475℃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-20℃~280℃。475℃脆化一旦出现，可采用1000℃以上的固溶处理消除。

3.3 双相不锈钢的σ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900℃左右极易析出σ相。

σ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850~950℃作稍长时间停留，便易产生σ相；25%Cr双相不锈钢在900~950℃区间加热时，停留时间20分钟左右，即可能产生较多的σ相。 为了避免双相不锈钢的σ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σ相的析出。相关原则有避开850~950℃的再加工和停留；尽可能控制锻（轧）终了温度为980~1000℃；穿孔终了温度应为980~1020℃；固溶处理温度应不小于1000℃；对钢管拉拔及丝坯应不小于1050℃等。如果已经有σ相析出，可采用1050℃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150~400℃；

(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150~200℃，保温1~2h, 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650~750℃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0Cr17Ni4Cu4Nb，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400℃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α-α’相和G相[6]。

国内学者邹红等人[7]的研究表明，17-4PH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α ’相和富Fe的α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α’-α’界面很明显。α ’相的存在可能会导致类似“475℃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475℃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、σ相析出脆化和475℃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

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刘晓,王龙妹,陈雷,杜晓健. 双相不锈钢475 ℃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 400℃ [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350℃长期时效脆化研究 [J].

核动力工程. 2005(3):254-258.