铁素体不锈钢焊接接头的脆化现象

出处：按学科分类—工业技术 中国科学技术出版社《不锈钢实用手册》第874页（1786字）

铁素体不锈钢焊接接头的塑韧性欠佳常常是这类钢使用受阻的原因，但焊接接头塑韧性不佳除了晶粒粗大和C、N化物析出这一因素之外，往往还与HAZ马氏体相变、σ相析出及457℃脆化(α′析出)有关。

(1)晶粒粗大和C、N化物析出的影响

C、N是奥氏体形成元素，在铁素体不锈钢中的溶解度很低(见表2－3)，随着温度的降低，C、N以极快速度和以Cr₂₃C₆，Cr₇C₃，Cr₂N，CrN等形式在粗大晶粒的晶界析出。即使以急冷的方式亦难于防止。所以普通铁素体不锈钢在焊接过程中，同质焊缝和HAZ峰值温度达到950℃以上的范围，晶粒急剧长大的同时，随着温度的降低，C、N化物便沿着粗大晶界析出，塑韧性急剧降低。图2－9是Cr30－Mo1钢C、N对焊缝夏比冲击值的影响。图2－10是Cr17钢焊缝随C+N总含量增加，脆性转变温度(VTE)升高的情形，由图可以看出，降低C、N含量对改善铁素体不锈钢焊接接头的塑韧性有明显作用。

表2－3 C、N在铁素体钢中的溶解度

图2－9 Cr30－Mol钢C、N对焊缝夏比冲击值的影响

上图碳含量：100ppm●55ppm〇21ppm

(N－25～33ppm；O32～43ppm)

下图氮含量：250ppm●145ppm〇75ppm

(C－18～24ppm；O17～45ppm)

图2－10 Cr17钢焊缝中(C+N)对VTE的影响

(2)HAZ局部马氏体转变引起的脆性

低铬的铁素体不锈钢(0Cr12，0Cr13，0Cr13Al)在加热到临界温度(A3)以上约1000℃时，单相的铁素体局部转变为奥氏体，冷却到室温时晶界会形成部分马氏体，这种少量的马氏体同样会在同质焊缝和HAZ形成，引起轻度的塑韧降低，这种马氏体可以通过焊后热处理消除，然而如果不可能进行焊后热处理，则在钢及焊材中加入强铁素体元素Ti、Al、Nb，以提高铁素体组织的稳定性，防止马氏体组织的形成以及其脆化作用。

(3)σ相析出引起的脆性

铬含量较高的铁素体钢及其焊缝在500～800℃范围长时间加热或停留，将发生σ相的析出。σ相是一种(Fe－Cr)的金属间化合物，其硬度Hv=800～1000硬而脆，增加焊接接头的脆化，Al、Si、Mo、Ti、Nb等元素的加入，加速σ相的析出和降低析出温度。但σ相的形成需要相当长的时间。对于普通铁素体不锈钢来说，通常的焊接过程、焊后热处理都不会形成大量的σ相和明显的脆化，对于使用于室温或较低温度的焊接结构，并不担心σ的析出和脆化问题。而对于长期工作在σ相形成温度的铁素体不锈钢来说，σ相的析出却是必须重视的问题。此外铁素体不锈钢及其焊接接头一旦出现σ相，可采用加热到高于其形成的温度，保温急冷，加以去除。

(4)457℃(α′析出)脆化

铬含量大于15%的铁素体不锈钢及同质焊缝在400～600℃停留，将发生α′的析出，强度、硬度显着提高，韧性降低，因在457℃时α′的析出最迅速，故称475℃脆化。但这种脆化现象在焊后不会立即发生，只是在400～600℃范围的温度下长时间停留和工作的结构可能发生。所以应避免在这一温度的环境下使用。475℃脆化可通过700～800℃的短时间加热和立即水冷处理而消除。

综上所述，铁素体不锈钢焊接接头的脆化，主要的问题是同质焊缝及HAZ在焊接过程中C、N化物析出和晶粒长大的作用，特别是前者，而且几乎不能通过热处理加以消除。因此以往铁素体不锈钢很少用作焊接结构，而高纯度铁素体不锈钢在很大程度上消除了焊缝及HAZ的C、N化物，极大地改进了焊接性，其焊接结构得到越来越广泛的使用。