什么是475℃脆性和σ相脆性化

什么是475℃脆性和σ相脆性化(1)475℃脆性

鉻含量大于15%的鐵素體鋼、鐵素體含量較高（不小于15%）奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼，在400～500℃較長時間保溫會產(chǎn)生強(qiáng)烈脆性化，并使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，因?yàn)槭窃?75℃附近最易出現(xiàn)，所以叫475℃脆性。產(chǎn)生475℃脆性的原因是α’相的析出。α’相是種富Cr相，含Cr量可高達(dá)61%～82%，含鐵量為37%～17.5%，尺寸為10～20nm，此相具有體心立方結(jié)構(gòu)且無磁性，晶格常數(shù)為0.2877nm，介于鐵與鉻的晶格常數(shù)之間。圖1-9是Fe-Cr合金中α’相存在的相圖，從相圖中可以看出，α’相的產(chǎn)生是由于520℃以下σ→α+α’反應(yīng)的結(jié)果。由于α’相析出較為緩慢，因此，從α’相在α相的溶解度線以上加熱所得到的單相α，即使在空冷的條件下，也不會有α’相的析出。只有在520℃以下長時間保溫，α’相才會析出，從而導(dǎo)致鋼的脆化。當(dāng)重新加熱到550℃以上時。由于α’相的溶解，又會使鋼的塑性、韌性得到恢復(fù)。由于α’相析出是在鐵素體基礎(chǔ)上，鐵素體含量增加就是增加475℃脆性的敏感性。

(2)σ相脆化

鐵素體不銹鋼或含有鐵素體的不銹鋼，在500～925℃范圍內(nèi)加熱或停留時，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的脆化，也就是σ相的析出脆化。在不銹鋼中σ相的名義成分是Fe、Cr，但實(shí)際上由于Ni、Mo等原子參與析出，該相的實(shí)際成分應(yīng)為(FeNi)x(CrMo)y,σ相是一種無磁且具有高硬度的脆性相。σ相析出會引起不銹鋼的韌性下降。由于σ相富Cr，還會富Mo、Si，因而在其周圍常常會出現(xiàn)貧Cr（或MO、Si）區(qū)，或由于σ相本身的選擇性溶解而降低鋼的耐蝕性。

實(shí)踐表明，在常溫下使用的不銹鋼是會析出σ相的，但在一定溫度下，不銹鋼中的鐵素體會促進(jìn)σ相析出，一般認(rèn)為σ相直接產(chǎn)生于鐵素體相，即α→σ轉(zhuǎn)變。因此，鐵素體形成元素會促進(jìn)σ相析出。在含有鐵素體組織的不銹鋼（如鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼及含有一定鐵素體的奧氏體不銹鋼）都比較容易產(chǎn)生σ相脆化。這里必須要指出的是純奧氏體不銹鋼也有σ相析出的可能，甚至鎳合金中也有σ相析出的可能（前面高溫合金析出相已談及），只是σ相析出溫度更高一些，析出更難一些。

一般來說，不銹鋼σ相經(jīng)過固溶處理，或加熱到σ相形成溫度以上保溫一段時間，使其溶解到基體中，然后快冷卻，可以有效地防止σ相析出。475℃脆性指鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%并含有較多鐵素體相的不銹鋼，在350-550℃溫度范圍內(nèi)長時間停留或緩冷出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。由于這種脆化現(xiàn)象在475℃左右最敏感，故稱475℃脆性。

產(chǎn)生原因：一般認(rèn)為在該溫度范圍加熱或冷卻時，鐵素體相內(nèi)的鉻原子趨于有序化，并形成較多的富鉻鐵素體，鉻與鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到80%和20%。該富鉻相在母相晶面族上及位錯處的析出且與母相仍保持共格關(guān)系，導(dǎo)致發(fā)生晶格畸變，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力使滑移堆以進(jìn)行，易于產(chǎn)生孿晶。孿晶面會形成解理斷裂的形核點(diǎn)，從而導(dǎo)致脆化，使常溫及負(fù)溫時的沖擊初度嚴(yán)重下降(高溫時不降)，并使鋼的耐蝕性顯著降低。

475℃脆性主要發(fā)生在高鉻鐵素體鋼及其焊縫中，也可能發(fā)生在含較多鐵素體的奧氏體不銹鋼及其焊縫中，含鐵素體越多，脆化傾向越嚴(yán)重。發(fā)生475℃脆性后，可以通過重新加熱至590-650℃，保溫1-5h后快冷予以消除。高鉻鐵素體不銹鋼在520～820℃長期加熱時,由于析出σ相(參見“σ相”)引起的韌性顯著降低的現(xiàn)象。如果加熱至820℃以上,σ相重新溶入固溶體中,可使韌性恢復(fù)到原來的水平。其他合金鋼的組織中,一旦出現(xiàn)σ相,也會引起σ相脆性。故在設(shè)計合金成分和加工工藝時,應(yīng)盡量防止σ相出現(xiàn)。σ相一旦出現(xiàn),應(yīng)設(shè)法通過熱處理或其他方法消除。(鐵素體不銹鋼管σ相脆性與475℃脆性及高溫脆性危害發(fā)布者：發(fā)布時間：2014-8-30閱讀：215次σ相脆性、475℃脆性和高溫脆性構(gòu)成了鐵素體不銹鋼管三大脆性特征，與奧氏體不銹鋼管比較，其中的后兩者為其獨(dú)有。鐵素體不銹鋼管的脆性行為對某些鐵素體不銹鋼品種的生產(chǎn)構(gòu)成了威脅，并且限制了鐵素體不銹鋼管的應(yīng)用范圍。在巧鐵鉻系鐵素體不銹鋼中，純σ相形成的鉻區(qū)間為42%～50%。α+γ的雙相結(jié)構(gòu)的含鉻區(qū)域可擴(kuò)展到12%～70%。在工業(yè)不銹鋼管范圍內(nèi)，鋼管中的鉻含量一般不會超過32%。在鉻含量低于20%～25%的鐵素體不銹鋼管中，在600℃σ相的析出需要在相應(yīng)溫度時效相當(dāng)長時間，因此對于含鉻量如低于如20%的鐵素體不銹鋼管，σ相形成相當(dāng)困難，需數(shù)千小時時效。對于鉻含量在15%～33%的鐵素體不銹鋼管，在一般的焊接、鑄造和冶金生產(chǎn)的受熱過程中，沒有足夠時間形成σ相。對于這類鐵素體不銹鋼管，只要避開在σ相形成溫度長期運(yùn)行，相對于它們并不構(gòu)成威脅。在高鉻含鉬的超級鐵素體不銹鋼管中，σ相形成相當(dāng)快，除形成σ相外，尚有χ相和η相形成，這些相的形成過程是一種C曲線的形式，最敏感溫度即鼻子點(diǎn)溫度與鋼中Cr含量和Mo含量相關(guān)，大體上在800℃。對于高鉻含鉬的超級鐵素體不銹鋼管Monit其金屬間相的析出速度非?？?，σ、χ和η相的析出溫度范圍為600℃至900℃，σ相和χ相析出的鼻子點(diǎn)溫度約850℃，在此溫度約2minχ相首先析出，η相析出的敏感溫度為650℃，η相析出所需要保溫時間不足20min。σ相等金屬間化合物沉淀使鋼變脆，最明顯的特點(diǎn)是鋼的沖擊韌度極度下降，其脆化程度與σ相析出數(shù)量相關(guān)，只要避開脆化溫度服役，即可避免σ相脆化的危害，但對于不銹鋼管廠原始的大板卷生產(chǎn)是難于避免在σ相形成的溫度停留的，即難以避免σ相脆化造成的危害。通常在不銹鋼管生產(chǎn)中，大卷板的沖擊韌度低于50沖擊攻，就難以開卷，串帶和重卷操作。對于28Cr4Ni2Mo和28Cr2Ni4Mo兩個牌號的沖擊韌度曲線見下圖。這些數(shù)據(jù)指出，高鉻鉬含量的鐵素體不銹鋼管在σ相脆性區(qū)和475℃脆性區(qū)引起塑韌性下降所需要的保溫時間很大，在熱帶卷生產(chǎn)時，終軋卷曲后的冷卻過程中，在這兩個脆性區(qū)的停留的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了引起脆性所需要的臨界保溫時間，對于9.5t（1500mm×1000mm)的28Cr4Ni2Mo熱卷經(jīng)空冷和水冷，也難于避免這兩種脆性的發(fā)生，因此在當(dāng)前最現(xiàn)代的熱連軋生產(chǎn)線上應(yīng)降低卷曲溫度以避開這兩個脆性溫度。不管采用哪種冷卻方式，在兩個脆性區(qū)的停留時間將極大地縮短，因此在生產(chǎn)時可采用水冷降溫至400℃以下進(jìn)行卷曲，完全可以消除這兩種脆性引起的麻煩高溫時效對2205雙相不銹鋼中σ相析出行為的影響劉雄何燕霖丁秀平宋紅梅胡錦程陳旭李麟【摘要】：對2205雙相不銹鋼進(jìn)行了750、800、850、900和950℃分別保溫0.5、1、2h的時效處理,采用定量金相、SEM和EDS、化學(xué)萃取、XRD和電子背散射衍射(EBSD)等方法研究了2205雙相不銹鋼中σ相析出與時效時間、溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:2205雙相不銹鋼經(jīng)不同時效工藝處理后的組織主要由奧氏體、鐵素體、σ相組成,σ相一般在γ/α相界處或鐵素體內(nèi)析出;在相同時效溫度下,隨著時間的延長,σ相的析出量明顯增多,而在850℃進(jìn)行時效處理會使鋼中σ相的析出量達(dá)到最高值。此外,采用EBSD方法有望對2205雙相不銹鋼中的σ相進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析?！咀髡邌挝弧浚荷虾４髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;寶山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心;

【關(guān)鍵詞】：雙相不銹鋼時效處理σ相電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)鐵素體相高溫時效奧氏體析出相相組成定量分析

【基金】：國家自然科學(xué)基金(50971137)寶鋼基金上海市教委優(yōu)秀青年教師科研專項基金(shu05004)

【分類號】：TG142.71

【正文快照】：雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體兩相組成,且兩相比例相近,所以具有優(yōu)良性能。但是,該鋼種在600～1000℃溫度范圍內(nèi)易于形成金屬間相,如σ相、χ相、R相、以及各種碳氮化物等,這些相的析出會顯著降低雙相不銹鋼的耐蝕性、力學(xué)性能以及焊接性能,其中σ相是危害最大的一種析出相,什么是475°C脆性？高鉻鋼在370—540℃溫度下長期加熱后，會出現(xiàn)強(qiáng)度升高、韌性大幅度降低的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在475℃左右尤為強(qiáng)烈，因此稱為475℃脆性。

475℃脆性在含鉻13.7%以上的鋼中就有可能出現(xiàn)，在含鉻較高的馬氏體—鐵素體鋼、18—8型奧氏體鋼及沉淀硬化鋼中亦曾發(fā)現(xiàn)，但遠(yuǎn)不及高鉻鐵素體鋼明顯。

鐵素體鋼的475℃脆性，隨含鉻量的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高，轉(zhuǎn)變所需的加熱時間縮短。Cr13鋼的轉(zhuǎn)變溫度為400℃℃，Cr17為500℃。Cr17加熱14天沖擊值降低不大，Cr28短期加熱就可能變脆。

微觀上來講，475℃脆性是鉻原子在鋼中不均勻的偏聚，引起點(diǎn)陣畸變和內(nèi)應(yīng)力增加造成的，已產(chǎn)生475℃脆性的鋼，可通過600℃以上加熱，然后快冷予以消除。奧氏體定義：奧氏體（Austenite）也稱為沃斯田鐵或?-Fe，是鋼鐵的一種顯微組織，通常是?-Fe中固溶少量碳的無磁性固溶體。奧氏體的名稱是來自英國的冶金學(xué)家羅伯特·沃斯田（WilliamChandlerRoberts-Austen）。結(jié)構(gòu)：γ－Fe為面心立方晶體，其最大空隙為0.51×10－8cm（該空隙的數(shù)據(jù)可能有誤，跟c原子不在同一數(shù)量級上），略小于碳原子半徑，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃時，γ－Fe最大溶碳量為2.11%，隨著溫度下降，溶碳能力逐漸減小，在727℃時其溶碳量為0.77%。特點(diǎn)：磁性：具有順磁性，故可作為無磁鋼。比容：在鋼的各種組織中，奧氏體的比容最小。膨脹：奧氏體的線膨脹系數(shù)比鐵素體和滲碳體的平均線膨脹系數(shù)高出約一倍。故也可被用來制作要求膨脹靈敏的元件。導(dǎo)熱性：除滲碳體外，奧氏體的導(dǎo)熱性最差。為避免熱應(yīng)力引起的工件變形，不可采用過大的加熱速度加熱。力學(xué)性能：具有較高的塑性、低的屈服強(qiáng)度，容易塑性變形加工成型。面心立方點(diǎn)陣是一種最密排的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高，其中鐵原子的自擴(kuò)散激活能大，擴(kuò)散系數(shù)小，從而使其熱強(qiáng)性好。故奧氏體鋼可作為高溫用鋼。奧氏體的硬度一般是170~220HBS，延長率為40%~50%。鐵素體鐵素體(ferrite，縮寫：FN，用F表示)即碳在α-Fe中的間隙固溶體，具有體心立方晶格。稱為鐵素體或α固溶體，用α或F表示，α常用在相圖標(biāo)注中，F(xiàn)在行文中常用。純鐵在912℃以下為具有體心立方晶格。碳溶于α-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號F表示。由于α-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727℃時溶碳量最大，可達(dá)0.0218%,隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600℃時溶碳量約為0.0057%，在室溫時溶碳量約為0.0008%。因此其性能幾乎和純鐵相同，其機(jī)械性能如