摘 要:為了更好地理解并確定奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測定要求,簡要介紹了奧氏體不 銹鋼中δ鐵素體與α鐵素體的形成及其對力學性能的影響,概述了俄羅斯標準中奧氏體不銹鋼鐵 素體含量測定的內容,梳理了奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的金相法測定標準 GB/T13305—2008 的發展歷史,并分析了該標準存在的一些問題,最后對GB/T13305—2008標準中存在的問題提出 了修改建議。
關鍵詞:奧氏體不銹鋼;鐵素體;金相法;標準
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)08-0010-04
與壓水堆、沸水堆相比,第四代核能系統更加高 效、經濟、安全。然而,用于第四代核能系統的材料 經受著更高的服役溫度、更大的中子輻照劑量以及 更強的冷卻劑腐蝕作用,因此對材料高溫下的強度、 蠕變疲勞性能與低溫下的斷裂韌性提出了更高的要 求。同時,不同堆型所選用材料的種類也各有不 同[1]。
RCC-MRx(核裝置機械部件設計和建造規則) 規定,進行蠕變性能的鑒定時關注的參數有加載期 間的伸長率、持久壽命、持久伸長率、持久斷面收縮 率等。ASMEBPVC第III卷第1冊 NH 分冊規定 了5種在蠕變溫度下許用的合金,主要有304不銹 鋼、316不銹鋼、800H 鋼、2.25Cr1Mo鋼、9Cr-1MoV鋼等,而RCC-MRx中規定,在蠕變溫度下許用的 合金 有 304 不 銹 鋼、304L 不 銹 鋼、316L 不 銹 鋼 等[2]。304、316奧氏體不銹鋼具有良好的高溫性 能、耐腐蝕性能及焊接性能,在第四代核能系統中得 到了廣泛應用[3]。
作為高溫服役條件下材料的重要力學性能指 標之一[4],持久斷裂強度與化學成分、晶粒度、鐵 素體及服役環境等因素有關[5]。由相關文獻可 知:在焊接過程中,焊縫快速冷卻,焊縫中形成非 均勻分布的δ鐵素體可有效防止材料發生熱裂[6]; 在鑄錠澆注時,非平衡凝固造成的成分偏析使母 材中殘留δ鐵素體,即使該鑄錠成分處于單相奧氏 體區,在后續的變形與熱處理中也難以徹底消除δ鐵素體,最終可能在成品中保留一定量的δ鐵素 體。在奧氏體不銹鋼的高溫服役過程中,δ鐵素體 分解形成脆性的σ相,σ相易成為裂紋源,降低材 料的高溫長時性能。
為了系統地理解δ鐵素體測定的背景,有必要 對δ鐵素體的形成、其對材料性能的影響及測定標 準進行較全面的分析總結。由于焊縫中鐵素體的測 定標準及測定方法較為全面,因此筆者主要針對 316奧氏體不銹鋼母材中的鐵素體進行分析。
1 鐵素體的形成及其對材料性能的影響
按照從液相中析出相的種類劃分,奧氏體不 銹鋼有4種凝固模式,分別為析出奧氏體模式(A 模式)、先析出奧氏體后析出δ鐵素體模式(AF模 式)、先析出δ鐵素體后析出奧氏體模式(FA 模 式)、析出δ鐵素體模式(F模式)。對于同一種成 分來說,非平衡凝固也會影響偏析水平,進而導致 凝固模式的改變[7]。WANG等[8]對316H 奧氏體 不銹鋼連鑄錠中的鐵素體進行分析,發現δ鐵素體 在鑄錠表面呈胞狀,在心部呈骨架狀,從表面到心 部鐵素體的含量增加。δ鐵素體在表面時,凝固過 程中枝晶間發生 Cr、Mo元素的正偏析,Creq/Nieq (鉻鎳當量比)為1.45,凝固模式為 AF模式;δ鐵 素體在心部時,冷卻速率慢,Creq/Nieq 升高,凝固模 式為FA。對表面試樣和心部試樣進行彎曲試驗, δ鐵素體部分分解為σ相,在δ鐵素體和σ相的界 面產生了微裂紋。在316奧氏體不銹鋼中,σ相的 化學成分為(FeNi)x(CrMo)y,其為一種高硬度的 脆性相,會引起不銹鋼的韌性下降。與幾乎無δ鐵 素體的奧氏體不銹鋼相比,熱軋鋼板中δ鐵素體雖 然提高了材料的抗疲勞裂紋擴展能力,但加速時 效態材料(750℃、10h)的抗疲勞裂紋擴展能力降 低幅度更大。δ鐵素體降低了材料的持久強度。
α鐵素體在長時時效過程中形成,與δ鐵素體的 一次析出行為不同。α鐵素體的形成隨著溫度和時 間的變化呈C形,最快析出的溫度約為800~825℃, 其形貌隨著溫度和時效時間的變化而變化,如:在碳 化物上形成的、具有清晰刻面的條狀形貌[9-10],在三 叉晶界處形成的島狀形貌[11]。蠕變孔洞多數在奧氏 體/奧氏體/α鐵素體的三叉晶界處形成,α鐵素體促 進了蠕變孔洞的形成,但只有形成的α鐵素體足夠多 時才會對蠕變壽命產生顯著影響[12]。
2 鐵素體的金相法測定標準
2.1 俄羅斯鐵素體測定標準的進展
經查 詢,國 外 僅 俄 羅 斯 有 相 關 標 準,ГОСТ 11878—66《奧氏體鋼圓棒中 α相含量的確定方 法》。該標準共包含4部分內容:取樣和試樣制備、 金相法測定鐵素體含量、磁性法測定鐵素體含量、儀 器校準方法。在該版本的基礎上,之后陸續進行了 修訂。以下主要以最初的版本為基礎進行說明,主 要修訂內容單獨進行說明。
從標準的名稱及適用范圍看,該標準適用于直徑 或者厚度為80~270mm鍛造或軋制的奧氏體不銹鋼 圓鋼棒,合金牌號為17X18H9、12X18H9、12X18H9T、 04X18H10T、12X18H10T、08X18H10、04X18H10、 02X18H10、06X18H11、12X18H12T、08X18H12T 和 08X18H12b,或者是經協商的其他牌號。
在該標準的“取樣和試樣制備”一節,在采用金 相法的取樣方法中,可從熔煉的鋼錠上取樣,確定一 次析出α相,取樣位置任意,也可從鍛造或軋制的圓 鋼或方鋼上取樣,取樣的高度為由中心到半徑的中 點或厚度的四分之一,長度為10~12mm,厚度不 小于0.5mm。在采用磁性法的取樣方法中,橫向 試樣的高度不小于10mm。另外,可在冷卻狀態下 用機械加工方法切取試樣,還可以采用氣割或熱切 的方法,觀察面與其切割面的距離不小于25mm。
在該標準的“金相法測定鐵素體含量”一節,主要 規定了試樣的浸蝕、觀察、評定要求。對于浸蝕,可采 用電解浸蝕或化學浸蝕方法。對截面進行觀察時,顯 微鏡放大倍率為280~320倍,實際視場直徑為 0.38~0.43mm,或者采用顯微鏡放大倍率為280~ 320倍、直徑為115~130mm的圖譜來進行評定。標 準評級圖譜分為5級,共8張圖,級數為0.5,1.0,1.5, 2.0,2.5,3.0,4.0,5.0級,圖譜分為α相和δ相。據觀 察,對同一級別圖譜,兩者的整體形貌均為條狀,但α 相比δ相的條帶寬度更寬,數量更少。標準評級圖譜 上α相所占的面積按照2的幾何系數進行變化。對 于一次析出α相含量,可根據兩個試樣的最大級數或 至少兩個試樣的平均級數進行確定。
在該標準的“磁性法測定鐵素體含量”一節,主 要規定了取樣、鐵素體儀、測定方法、結果等內容。 對取樣的要求與采用金相法的要求相同。鐵素體儀 應由俄羅斯相關機構制造。測定時,對2~3條對角 線或直徑均勻布點,至少測量40次來獲得α相含量,選取3個最大讀數的平均值作為α相的含量。 類似地,對于一次析出α相含量,可根據兩個試樣的 最大讀數或至少兩個試樣的平均讀數進行確定。
在該標準的“儀器校準方法”一節,需要采用與 該標準適用的鋼牌號進行標樣制備,分別按照金相 法、磁性法測定鐵素體含量,繪制鐵素體儀讀數與金 相法評級級數的校準曲線。
在以上要求的基礎上,分別于1974年、1987年 對該標準進行了修訂。1974年修訂了“儀器校準方 法”一節,主要對鐵素體儀校準的過程要求進行了細 化,如標樣制備、鐵素體含量測定、校準曲線繪制等。 1987年將 《奧氏體鋼圓棒中α相含量的確定方法》 修改為《奧氏體鋼圓棒中鐵素體相含量的確定方 法》;全文中α相改為鐵素體相;級數后補充百分率, 即將0.5 修 改 為 0.5(1% ~2%)、1 修 改 為 1.0 (2.5%~3.5%)、1.5修改為1.5(4%~5%)、2.0修 改為2.0(5.5%~6.5%)、2.5修改為2.5(8.5%~ 9.5%)、3修改為3(11.5%~12.5%)、4修改為4 (23.5%~24.5%)、5修改為5(47.5%~48.5%);取 消“標準評級圖譜上α相所占的面積按照2的幾何 系數進行變化”;對于鐵素體儀,取消具體的制造廠 要求,修改為滿足俄羅斯標準即可;對于“儀器校準 方法”,修改節標題為“儀器的檢查”。
2.2 國內鐵素體測定標準的進展
在國內,奧氏體鋼中鐵素體相面積含量測定的 現行標準為 GB/T13305—2008《不銹鋼中α相面 積含量金相測定法》,國內鐵素體測定標準的多次修 訂內容如表1所示。主要修訂內容以其所代替的上 一版標準為基礎進行論述,內容的選取參考標準中 的修訂說明。
3 分析與修改建議
3.1 標準名稱的問題
從前面的論述中可以看出,鐵素體分為δ鐵素 體和α鐵素體。例如,在300系奧氏體不銹鋼中,δ 鐵素體主要在凝固過程中形成,在后續的熱加工過 程中,仍可保留到室溫。相應地,α鐵素體在長時時 效過程中形成。此外,從形貌上看,δ鐵素體在鑄態 時為島狀或骨架狀,變形后為拉長的條帶狀。α鐵 素體為島狀或具有清晰刻面的條狀。在標準 GB/T 13305中規定了對交貨態不銹鋼鋼材或鋼坯上進行 的α鐵素體測定。嚴格來說,該部分鐵素體應為δ 鐵素體。
建議對GB/T13305—2008的標準名稱及其正 文中相關α相的描述均修改為鐵素體,該修改與 ГОСТ11878—66的后續修訂一樣。
3.2 標準中放大倍數的問題
在GB/T13305—2008中規定的觀察放大倍數 為280~320倍,仲裁時的倍數為300倍。該要求與 ГОСТ11878—66的放大倍數一樣。但是,在目前 國內各個實驗室及鋼廠的標準執行過程中,光學顯 微鏡的常見放大倍數為100,200,400倍或500倍。 據筆者調研,在實際執行過程中,280~320倍存在 一定困難。雖然在國內標準中規定了“允許適當調整顯微鏡的放大倍率,使被測視場中的α相尺寸盡 量接近標準評級圖譜,但必須保證實際視場直徑仍 為0.267mm”,但包括圖譜在內的相關內容均按照 280~320倍的要求進行制定,建議將標準中的顯微 鏡放大倍數進行修改,修改為目前常用的放大倍數 中的一種,并修改相應級別的標準圖譜。
3.3 標準中視場大小、圖譜及評級的問題
在GB/T13305—2008規定的標準圖譜中,0.5 級對應鐵素體含量最大為2%,在實際的產品規范 中,需要更低鐵素體含量的鋼材,可能存在無法滿足 適用要求的情況,如對應用于鈉冷快堆高溫部件的 大量鋼板、鍛件、鋼管等,鐵素體含量不大于1%。 建議在標準中增加更低級別的鐵素體含量的標準評 級圖譜。此外,在ГОСТ11878—66中要求“顯微鏡 放大倍率為280~320倍,實際視場直徑為0.38~ 0.43mm”。在GB/T13305中未明確280~320倍 下的視場直徑,但在仲裁及其他放大倍數下,視場為 0.267mm。建議針對不同的使用需求,提出不同的 鐵素體含量要求,并制備相應的更有針對性的評級 圖譜。
4 結論
簡要概述了δ鐵素體、α鐵素體的形成及其對 材料性能的影響。針對相面積法測定鐵素體含量的 標準,較詳細地介紹了標準ГОСТ11878—66的內 容及演化修訂、國內 GB/T13305—2008標準的發 展及修訂。其中,ГОСТ11878—66對取樣和試樣 制備、金相法測定鐵素體含量、磁性法測定鐵素體含 量、儀器檢查等4部分內容進行了規定,修訂后的版 本從原理及操作層面上更加合理、可行。此外,基于 實際測定和技術發展情況,GB/T13305—2008歷 次對圖譜、取樣、級數及相關測定手段等內容的修 訂,在一定程度上更加便于執行。
基于對 國 內 外 標 準 進 行 的 分 析,提 出 了 對 GB/T13305—2008的修改建議。
(1)對標題及正文中α相的相關描述,建議將 其修改為“鐵素體”。
(2)測定時顯微鏡放大倍數為280~320倍,建 議修改為目前國內廣泛使用的顯微鏡放大倍數。
(3)標準評級圖譜中最低級別0.5級對應鐵素 體面積含量最大為2%,建議增加鐵素體含量更低 級別的圖譜。
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