不銹鋼鐵素體含量測量技術與標準研究現狀

宋北,郭梟,呂曉春,楊昊泉,李蘇珊,曲暢

（中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028）

0 前言

在石油、石化、核電等行業，不銹鋼廣泛應用于壓力容器、反應器、管道和閥門等關鍵裝備與部件的制造，焊接加工是整個制造過程中的重要環節之一。此外，在接觸腐蝕介質的低合金鋼表面一般需要堆焊不銹鋼作為耐蝕層，如石化領域加氫反應器內壁及凸臺均需堆焊不銹鋼[1-2]，核電領域與一回路冷卻劑直接接觸的壓力邊界材料表面均需堆焊奧氏體不銹鋼以保證耐蝕性，如反應堆壓力容器、蒸氣發生器、穩壓器、堆芯補水箱等[3]。

鐵素體在奧氏體不銹鋼或雙相不銹鋼焊縫中起著極為重要的作用[4-6]，鐵素體含量會影響焊縫的熱裂紋敏感性、力學性能[7-10]、耐蝕性[11-13]、蠕變性能[14-15]、加工性能等。通常情況下，鐵素體含量的技術要求與控制主要取決實際應用工況。從熱裂紋敏感性、耐蝕性調控角度出發，要求焊縫中含有一定比例的鐵素體，但從力學性能角度，特別是在中、高溫下工作的焊縫，鐵素體含量較高容易引發脆化等問題。因此，無論是設計、不銹鋼焊材的研制[16-18]，還是實際生產制造，鐵素體含量控制始終是不銹鋼焊接的研究重點，而精準、可靠地測量鐵素體含量是開展相關研究的基礎與保障。測定鐵素體含量的方法主要有金相法、圖譜法和磁性法。這幾種方法的精確度和適用范圍各不相同，測試結果也存在較大差異。在這些方法中，磁測法的精度最高，操作最簡單、快捷，應用也最廣泛。

目前，國際標準化組織（International Organization for Standardization， ISO）已發布ISO 8249: 2018《Welding-Determination of ferrite number (FN) in austenitic and duplex ferritic-austenitic Cr-Ni stainless steel weld metals》（以下簡稱為“ISO 8249”），美國焊接學會(Аmerican Welding Society， АWS)也已發布АWS 4.2M: 2020《Standard procedures for calibrating magnetic instruments to measure delta ferrite content of austenitic and duplex ferritic-austenitic stainless steel weld metal》（以下簡稱為“АWS 4.2M”），結合上述2個標準綜述了鐵素體含量測量的研究現狀，并對進一步提高和改進鐵素體含量測量技術與標準進行了展望。

1 鐵素體含量測量原理

目前，鐵素體含量的測量方法按原理可分磁性法、面積比例法、圖譜法3種。

1.1 磁性法

磁性法是利用鐵素體的鐵磁性進行測量，奧氏體鋼中的δ鐵素體含量與鋼的鐵磁性成正比，采用專門的磁性測量儀可直接在焊件上或者焊縫上讀出鐵素體含量。磁性法是目前鐵素體含量測定較為有效、精確度較高、操作簡單快捷的方法，在焊材研制、焊接制造等單位均得到了廣泛應用。目前，國際上均采用磁性法作為統一的測量方法。

在磁性法中，根據測量原理又可以細分為3類。

1.1.1 飽和磁化強度法

飽和磁化強度法測量鐵素體體積分數是俄羅斯和前蘇聯很多的國家使用的標準方法，此方法為破壞性試驗。按照ГOCT 26364—90《奧氏體鋼鐵素體測定通用規范》標準要求，焊縫金屬試驗使用直徑為4.0 mm[19]或5.0 mm[20]、長度為60 mm的試樣。根據焊件上焊縫尺寸和圓柱試樣中心位置，圓柱試樣可能包含或不包含減少鐵素體含量的重熱區焊縫金屬。鐵素體的飽和磁化強度見公式（1）[21]。

式中：4πIδ為鐵素體的飽和磁化強度，單位為特斯拉(T)，是鐵素體成分的函數。從公式（1）中可以看出所有合金元素都會降低鐵素體的飽和磁化強度。所以，在知道鐵素體成分、測量焊縫金屬組成飽和磁化強度的基礎上，利用下列公式（2）便可計算出焊縫金屬鐵素體含量。

式中：4πI表示測量焊縫金屬組成飽和磁化強度。另一種飽和磁化方法是使用振動試樣磁強計（VSM），測量非常小的（0.5 mm × 3 mm × 3 mm）快淬帶的鐵素體含量百分數[22]。目前尚無適用于此方法的標準。

1.1.2 磁力法

測量奧氏體不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體磁力的專用儀器產生于1956年[23]。磁力測量方法發源地的美國與1974年首次發布了АWS А4.2:1974《Standard procedures for calibrating magnetic instruments to measure the delta ferrite content of austenitic stainless steel weld metal》，后來也成為鐵素體測量國際標準ISO 8249:1985的基礎。

ISO 8249提供了校準儀器的方法，根據測量磁體的吸力測量焊縫試樣鐵素體含量。一級標樣使用規定幾何形狀的磁體。吸力根據標準中的表或者方程轉化為任意的鐵素體數（FN），FN根據低碳鋼的非磁性涂層厚度定義。標準磁體的強度是校準的關鍵因素，要求其應為5.0 FN/g ± 0.5 FN/g。在涂層厚度標樣上確立校準線后，磁體強度可以很容易的檢驗，即通過磁體上懸掛重量大約5 g的鐵磁體，當儀器剛勉強可以提起一定重量，便可確定校準線上相應的FN值。如果發現磁體磁力低于允許值（FN與磁力的關系：超過5.5 FN/g），經驗表明測定的FN結果會偏高[24]。相反，如果用具有較強磁力（FN與磁力的關系：小于4.5 FN/g）的磁體測量焊縫金屬，則測定的FN結果會偏低。這是由于標準在制定時對磁體有一定要求，要求磁體尺寸為φ2 mm × 50 mm，端頭為φ1 mm半球形，磁體磁力強度應為能夠從不同涂層厚度標樣上形成的撕裂力，誤差在±10%以內。相當于FN與撕裂力存在5.0 FN/g ± 0.5 FN/g，以表1和圖1中涂層厚度為1 mm為例，對應的撕裂力為0.012 N（1.2 gf，g= 10 N/kg），FN為6.1，比例為5.01。在正常情況下，磁體的磁力強度與FN的關系應在4.5～5.5 FN/g范圍內，當磁體強度較小時，二者比例關系會增大，這樣會導致實測值比真實值偏高，反之同理[20]。

圖1 標準磁體的磁力和涂層厚度之間的關系（引自ISO 8249:2018）

表1 FN和涂層厚度標樣的非磁性涂層厚度之間的關系（引自ISO 8249:2018）

根據表1，可將涂層厚度標樣的非磁性涂層的厚度轉換為FN，擬合成公式（3）：

式中：t為非磁性涂層厚度，單位為mm。

校準FN的測量儀器使用的磁鐵體不同于ISO 8249定義的磁體，是由ISO 8249提供的具有類焊縫組織的二級標樣。初始鐵素體數是通過經一級標樣校準后的儀器分配給二級標樣的。ISO 8249規定，校準的儀器在使用前需定期檢查。

ISO 8249測量鐵素體數量要求沿平整、光滑的焊道表面中心線測量，因此要求焊道輪廓清晰。如果表面不夠光滑平坦，會導致FN讀數降低。測量高FN（如鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼焊縫金屬）時，表面粗糙度更為重要。在對表面進行加工時(銼削、研磨或拋光)，應避免冷加工，特別是對于Cr，Ni含量偏低的奧氏體不銹鋼焊縫金屬冷加工會產生馬氏體。因馬氏體具有鐵磁性，馬氏體的存在會導致鐵素體數偏高。

1.1.3 導磁率法

多數商用儀器使用導磁率法測量鐵素體，即用脈沖電流通過帶有鐵磁芯的線圈與試驗材料接觸，或者脈沖電流通過試驗材料，評估試驗材料的磁響應。美國國家標準與技術研究院提供的一級標樣(涂層厚度標樣)通常不適用于校準此類儀器。二級標樣依據ISO 8249必須定期檢查校準。二級標樣用于和不用于檢查校準的結果如圖2所示。在圖2中，水平軸：采用TWJ標準；垂直軸：費希爾TWI二級標樣校準前（圓圈）使用，費希爾TWI二級標樣校準后（三角形）使用。此方法是非破壞性試驗，用于焊縫表面，而非橫截面，廣泛的應用于工業[25]。值得注意的是，導磁率法儀器制造商提供的校準標樣并不僅限于不銹鋼[26]。因此，在個別情況下，儀器制造商的校準標樣并不正確，這與圖2相符。綜上所述，使用確定鐵素體含量的二級標樣校準檢查是儀器校準必要的驗證。

圖2 用3種方法校準的MP30 Feritscope測量FN的比較（引自ISO/DTR 22824:2021）

1.2 面積比例法

1.2.1 光學金相法

光學金相法是從試件上取樣、研磨、拋光，通過化學方法或者電解侵蝕顯示鐵素體，并用顯微鏡（不小于500倍）和配套工具記錄相關數據，測算鐵素體含量。金相法檢測過程復雜，對人員要求較高，隨著鐵素體儀的普及，金相法已很少使用，通常依據標準GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》，在仲裁試驗時才采用。

1.2.2 EBSD金相法

EBSD金相法測量避免了光學方法腐蝕問題，試樣拋光但不腐蝕。帶有EBSD的掃描電子顯微鏡（SEM）能生成鐵素體與奧氏體對比的圖像，避免了腐蝕不足或者過度腐蝕的問題。自動圖像分析軟件計算鐵素體比例。此方法似乎能夠準確的測量鐵素體百分數。然而，由于儀器的投資成本高，在工業中應用并不廣泛。此方法是破壞性試驗。

1.3 圖譜法

圖譜法是據規定的Cr當量和Ni當量計算公式，分別計算出Cr當量和Ni當量，然后在不銹鋼組織圖上找到坐標值，兩坐標相交點，便是鐵素體含量值。目前，主要工程中使用的圖譜法主要包括Schaeffler，DeLong，WRC-1992等。嚴格來講，由于僅考慮了主要合金元素對鐵素體含量的作用，圖譜法并非實際測量方法，而是一種基于化學成分的鐵素體含量預測方法，測試結果的誤差相對較大，該文不作詳細討論。

2 鐵素體含量測量方法標準對比

目前，現行的測量鐵素體的專用標準為ISO 8249:2018、GB/T 1954—2008、АWS А4.2M: 2020和ГOCT 11878—66《奧氏體鋼中鐵素體含量測定方法》，4個標準均為磁測法。其中АWS А4.2于標準自1974年首次發布以來，分別于1986年、1991年、1997年、2006年、2020進行了修訂，目前發布的АWS А4.2M:2020是修改采用了ISO 8249: 2018。ISO 8249標準于自1985年首次發布以來，分別于2000年、2018年進行了修訂。

測量鐵素體的非專用標準為ISO 17781: 2017《Petroleum， petrochemical and natural gas industriestest methods for quality control of microstructure of ferritic/austenitic (duplex) stainless steels》，АSTM E1245-03(R2016)《Standard practice for determining the inclusion or second-phase constituent content of metals by automatic image analysis》，АSTM E562-19e1《Standard test method for determining volume fraction by systematic manual point count》，АSTM E2627-13(R2019)《Standard practice for determining average grain size using electron backscatter diffraction (EBSD) in fully recrystallized polycrystalline materials》和BS 4515-2: 1999《Specification for welding of steel pipelines on land and offshore-part 2:duplex stainless steel pipelines》，測量方法均為金相法。

2.1 鐵素體含量測量方法相關標準

鐵素體含量測量方法專用標準應用廣范，具體采標情況和適用范圍見表2。由表2可知，GB/T 1954—2008和АWS А4.2M: 2020都采標ISO 8249，為同一體系，但ISO 8249: 1985版以АWS А4.2M-1974版為基礎，所以磁測法測量鐵素體專用標準分為2個體系，即ISO標準體系和俄羅斯標準體系。鐵素體含量測量方法非專用標準適用范圍見表3。

表2 鐵素體含量測量方法專用標準對比

表3 鐵素體含量測量方法非專用標準對比

2.2 鐵素體含量測量方法專用標準技術細節對比

鐵素體含量測量方法專用標準技術細節對比見表4。可以看出，ISO標準體系適用于奧氏體鋼、鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼，但不適用于奧氏體不銹鋼鑄件和鍛件。俄羅斯ГOCT 11878—66標準適用范圍更廣，因其測量原理與方法特點，適用于奧氏體焊縫、鑄件、鍛件等材料。GB/T 1954—2008和ГOCT 11878—66標準除磁測法外還包括金相法測量鐵素體。可以看出，鐵素體測量專用標準以磁性法為主，金相法為輔。

表4 鐵素體含量測量方法專用標準技術細節對比

3 鐵素體測量方法對比分析

不同的鐵素體測量方法，由于原理不同，影響因素存在差異，優點與不足也不盡相同。大量的事實已經證實不銹鋼焊縫的鐵素體測量客觀上存在一定的分散性，測量值近似于均值的正態分布。

3.1 磁性法

鐵素體在不銹鋼焊縫中為三維物相，即便在同一焊道中各個方向、各個微區鐵素體分布均存在不均勻性。在多層多道焊中，因多次熱循環作用會導致重熱區鐵素體降低。因此，以磁性法為代表的體積比例法相比以金相法為代表的面積比例法更為直接、客觀。相比于磁力法與導磁率法，飽和磁化強度法的優勢在于測量的體積足夠大，保證試樣制備條件一致后，數據分散性小，同時考慮了鐵素體化學影響，但其缺點在于方法為破壞性檢驗，難以實現對產品焊縫的檢驗，而磁力法與導磁率法的優勢恰恰體現在這個方面，因其為非破壞性檢驗，同時精度、可靠性有一定保障，因此在全球得到廣泛應用。磁力法與導磁率法的不足主要體現以下幾個方面：①難以區分均有磁性的馬氏體與鐵素體；②對表面狀態較為敏感，目前僅適用于焊道表面中心線，不適用于焊道其他位置；③受限于檢測體積大小，難以實現對熱影響區鐵素體含量的可靠檢測。

3.2 金相法

金相法的主要缺點體現在：①屬于破壞性檢驗，難以實現對產品的檢驗；②主要基于三維體積比例與二維面積比例一致的原則下對面積比例進行直接測量；③對腐蝕、拍照等試驗條件較為敏感。

3.3 異常點

在實際測量過程可能還會遇到一些測量異常點，導致同一焊道不同位置測量結果差異大。導磁率法測量儀器在探針接觸焊縫表面時，偶爾會消除電流的脈沖，導致測量結果偏低，這類異常點較為明顯應予以舍棄。磁力測量儀器對機械振動、機械沖擊較為敏感，以及可能引起探頭過早脫離焊縫表面的因素，均為導致較低的鐵素體含量測量結果，這類異常點不容易注意到，但仍應舍棄。部分異常點也可能來自于焊道搭接處，如果測量前焊道表面均被機械方法加工過。對于以先析出鐵素體后析出奧氏體模式凝固的焊縫，結果會偏低，因此應舍棄。

宏觀腐蝕的界面能夠反應出焊道搭接界面，鐵素體測量應在焊道中心線進行，而不應該在搭接界面處進行。焊道表層下微小氣孔，也可能會導致鐵素體含量偏低，這在雙相不銹鋼焊縫中會經常發生，尤其是使用SАW，GMАW方法焊接時。因為凝固焊縫中N含量傾向于接近N固溶度，這類氣孔可以通過表面加工檢測到。這類異常點也應舍棄。由填充金屬、焊劑等參與形成的不銹鋼焊縫可能會含金屬合金粉，尤其對于焊條、藥芯焊絲、金屬粉芯焊絲及埋弧焊和電渣焊用焊劑，常含有純金屬組分或Cr，Mn，Si，Mo，Nb及Ni的鐵合金。除Ni之外，這類金屬和鐵合金均不是鐵磁體。這些材料會熔化或與焊縫金屬不完全混合，形成0.1～0.5 mm島狀。除Ni之外，這類局部的島狀是非磁性的，如果在焊道中存在，也會造成鐵素體含量降低。相反，不完全熔化的Ni會導致鐵素體偏高。這類異常點應予以舍棄，移動測量位置可使測量值落在正常范圍內。

4 結束語

（1）鐵素體測量技術按原理分磁性法、面積比例法、圖譜法等，其中磁性法分為飽和磁化強度法、磁力法、導磁率法，面積比例法可分為依靠光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射等不同分析原理的鐵素體測量方法。

（2）目前的鐵素體含量專用測量標準以磁性法為主，非專用標準以面積比例法為主。

（3）目前的鐵素體測量方法均存在一定程度的不足，實際應用需求為非破壞性檢驗、微區三維體積比例測量及形態表征、適用于熱影響區及焊道橫截面等。

（4）針對鐵素體測量，國外已經開展較為系統的研究，國內相關基礎較為薄弱，建議通過開展相關專題研究進一步提升鐵素體測量的精度和可靠性。