σ相脆化失效可能性分級及檢驗策略

王立博 曹邏煒 劉文

（中國特種設備檢測研究院，北京100029）

0 引言

不銹鋼及其焊接接頭在538～816°C溫度范圍內長期使用，會析出被稱作σ 相的Fe-Cr 金屬間化合物，造成材料沖擊韌性急劇下降，甚至誘發開裂，產生σ相脆化。受σ相脆化影響的材料包括300系列不銹鋼、400系列不銹鋼、Cr元素含量超過17%的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，以及雙相不銹鋼[1]。

σ相脆化屬于材質裂化范疇，脆化后的材料對晶間腐蝕更敏感，對其失效可能性的評估有助于增強對相關設備的風險衡量，并通過制定相應的檢驗策略降低相關設備的開裂風險。API 581-2000附錄L的脆性斷裂技術模塊中有關于σ相脆化技術模塊次因子的評估流程[2]。但GB/T 26610《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則第4 部分：失效可能性定量分析方法》中在脆性斷裂機制的篩選中并沒有將σ相脆化包含進來[3]。鑒于這些年對旋風分離器、換熱管-管板連接部位、不銹鋼堆焊層以及不銹鋼閥門檢驗過程中發現多起σ相脆化現象，有必要在探討下σ相脆化失效可能性分級及檢驗策略的制定。

1 σ相的形成和影響

1.1 σ相的形成及穩定性

σ相形成時，首先在晶界形核。在奧氏體不銹鋼中，σ相的形成靠消耗M23C6和γ相（奧氏體）生長；在雙相鋼中，由于高溫條件下合金元素在鐵素體上的擴散要比相應的奧氏體上快100倍以上，故雙相不銹鋼在高溫熱加工和服役條件下易在鐵素體內和晶界上發生σ 相變[4]。晶內針狀σ 相析出需要較長時間，并且具有方向性[5]，一方面是由于Cr元素在面心立方晶格里擴散緩慢，在900°C下Cr的擴散速度是Mo的一半；另一方面析出時間也取決于鋼的含碳量，含碳量越小，析出時間越長。盡管Mo 的擴散速度比Cr 快，但Mo 也是控制σ 相形核的主要元素之一[6]。

Fe0.6Cr0.4合金在747°C 下完全轉變為σ 相只需3 小時。奧氏體不銹鋼在691°C 下進行焊后熱處理，轉變為σ相也在幾小時之內發生。σ 相在899°C 以上溫度下不穩定，奧氏體不銹鋼部件在1066°C 下經歷4 小時固溶退火處理，然后水淬，可消除σ相[2]。

1.2 σ相的顯微組織及分布

σ相在鋼中主要存在兩種形貌，一種為具有復雜幾何外形的塊狀，主要以不連續狀態分布在晶界；另一種為針狀，主要以彌散狀分布在晶內或貫穿整個晶粒[5]。在三維上，存在板狀結構，板與板之間互相平行，或成一定角度，在某區域內形成了類似魏氏組織的存在。二維平面上的塊狀形貌正是這種三維板狀結構的截面反映。

表1 不銹鋼σ相脆化失效可能性分級及分級原則

1.3 σ相對力學性能的影響

σ 相以第二相粒子的形式存在于材料中，會顯著降低材料的韌性，使其脆化[6]。另一方面，由于σ 相的硬度很高，大量析出的σ相可一定程度提高材料強度[7]。

1.4 σ相對腐蝕性能的影響

σ 相的析出對材料的腐蝕性能有較大影響，因為在形成σ相的過程中，Mo和Cr在σ相中聚集，導致材料表面基體中Mo和Cr 含量的減少，而Mo 和Cr 對于材料的耐腐蝕性具有很重要的意義[8]。

2 σ相脆化失效可能性分級及檢驗策略

表2 不銹鋼設備σ相脆化檢驗策略

σ相的形成速度、數量及分布取決于合金的化學成分、前期冷加工歷史以及焊后熱處理，σ相脆化失效可能性與材料種類、σ 相含量以及評估溫度有關。其中，材料種類是確定是否存在σ 相脆化的基礎，σ 相含量以及評估溫度是評價脆化失效可能性的關鍵因素。根據引發脆化的因素，可以將材料失效可能性由低到高分為1 到4 級，1 級的失效可能性低，應加強現場巡查與日常檢測維護，4級的失效可能性高，建議及時進行更換。σ相脆化失效可能性分級及分級原則見表1，其中主要考慮的因素有不銹鋼類型、服役溫度、服役時間和現場金相，滿足全部4項分級原則可定為相應的失效可能性等級。

σ 相引起的主要失效模式是由于材料脆化造成的脆性斷裂，雖然σ相對材料的腐蝕性能有一定影響，但目前少見由此引發的失效。因此，現場檢驗主要考慮脆性失效問題，應進行表面缺陷檢測、金相檢測和鐵素體含量檢測，檢測數量應該與失效可能性相關，失效可能性越高，檢測數量越多，有條件的可以取試樣進行沖擊韌性測試，得出韌性下降的直接數據。不銹鋼設備σ相脆化檢驗策略見表2。

3 結語

在眾多類型的不銹鋼二次析出相中，σ 相無疑是最常見的一種，它在一定程度上提高強度，但卻大大降低韌性，因此通常將其視為有害相。文章初步建立了σ相脆化失效可能性分級及檢驗策略制定。