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铁素体含量(δ%)对不锈钢性能的影响

一、铁素体（δ）的概述

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1.1不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优

异的可焊接性，是不锈钢系列材料中重要的一类，其产量约占不锈钢总产

量的60%。不锈钢阀门主体材料几乎全部采用奥氏体不锈钢，而阀门行业

对奥氏体不锈钢的认识水平，还仅涉及其化学成分和力学性能方面。但是

对一些石油化工重要工程中，都对奥氏体不锈钢焊接母材和焊缝中的铁素

体含量进行了规定，正常在5%～15%。

Fe-C相图

1.2铁素体的作用具有双重性，奥氏体不锈钢母材和焊材中一定数量的铁

素体对防止焊接热裂纹,提高焊缝抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力都有十分重
要的作用,同时，铸件中一定数量的铁素体(5%～20%)对防止铸造热裂纹，

提高铸件力学性能也都是有利的。在一些特定的环境，如高温、超低温以及

选择腐蚀环境，应控制其不利作用。为此，研究奥氏体不锈钢中铁素体的作

用,掌握铁素体的调控原理、测量和计算方法,对研制和开发不锈钢产品

具有十分重要的意义。

铁素体金相组织图

二、铁素体对奥氏体钢性能的影响

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2.1铁素体在奥氏体不锈钢中的作用是十分重要的，对阀门来讲，最重要的

方面是对焊接性能的影响，其次是对材料耐腐蚀性能、力学性能和加工性能

的影响。不锈钢按晶体结构分为奥氏体、铁素体和马氏体。奥氏体是面心

立方晶体结构，无磁性。铁素体和马氏体是体心立方晶体结构，有磁性。
2.1.1其实奥氏体不锈钢，并不表明其组织结构必须是100%的奥氏体。在

不锈钢阀门和零件验收时，常可见到用磁铁来吸引被检测产品，若出现有弱

磁性就以此认为产品存在质量问题，其实这是对奥氏体不锈钢的一种误解。

2.1.2奥氏体不锈钢的焊缝区由于其特定冷却结晶条件，熔池体积很小，焊

缝金属的晶体是以熔池底部及边缘，沿着母材半熔化区残留的晶体外延生

长的，结晶速度起初很慢，但在焊缝中心区很快，这样焊缝金属冷却结晶是

在不平衡热力学条件下快速形成的。结果就造成焊缝金属的化学成分因凝

固过程中的偏析而很不均匀，从而导致奥氏体不锈钢的焊缝区铁素体可能

较高且很不均匀，普通304不锈钢焊缝可达到5%~7%,甚至更高。美国机

械工程师学会（ASME)于20世纪80年代对1根304不锈钢焊管进行调查

研究，发现其中只有0.2%的焊缝铁素体含量小于3%，近60%的焊缝铁素

体含量大于8%~10%：

2.2奥氏体不锈钢在焊接中的主要问题是焊缝和热影响区的热裂纹，这类

问题也是奥氏体钢工艺焊接性和使用焊接性的指标。

2.2.1防止焊缝的热裂纹

奥氏体不锈钢焊缝中铁素体起着极其重要的作用。奥氏体不锈钢焊缝中常

常需要形成一定数量δ相铁素体（4%~12%），以防止焊缝产生凝固裂纹（热

裂纹），铁素体是奥氏体不锈钢在一次结晶过程中生成并保留至常温的铁素

体。由于铁素体含碳量很低，性能与纯铁相似，有良好的塑性和韧性，低的

强度和硬度。铁素体的有利作用是对S、P、Si和Nb等元素溶解度较大，

能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止凝固裂纹产生。

2.3总之，焊接中的铁素体对防止和降低奥氏体焊缝金属的热裂纹和微裂

纹作用是肯定的，显著的改进了焊接性，提高了焊接结构的安全程度。奥氏

体不锈钢中的铁素体对材料的力学性能也有显著影响。铁素体含量增加时

强度增加，同时，延展性和冲击强度减低。利用此特性，可采用调控铁素体

的含量来达到所需要的材料力学性能和加工性能。

2.4铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性，特别是用于大型锻造

件，一般控制在3%～8%，同样道理用于冷变形的奥氏体钢,如冷伸压、深

冲压,冷拔和冷挤压的奥氏体钢,铁素体含量应进一步严格控制，一般5%

以下。

三、舍夫勒图

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3.1舍夫勒图(Schaeffier)适用于所有奥氏体、铁素体或马氏体以及双相

和沉淀硬化类不锈钢的铸件、锻件，也适用于常规的不锈钢焊后自然状态的

焊缝组织评定。此图是应用最广的不锈钢组织图，舍夫勒图的和
CReqNieq

计算公式为:

CR=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
eq

Ni=Ni+30C+0.5Mn
eq

从计算公式可以看出,舍夫勒图没有考虑奥氏体形成元素N的作用,因

此估算铁素体含量的精确度为±4%。

舍夫勒图(Schaeffier)
3.2舍夫勒图(Schaeffier)最早于1949年根据焊条电弧焊所确定，组织图

把室温组织CR和Ni所表示的焊缝成分联系起来。根据组织图中