王立博 曹邏煒 劉文

（中國特種設(shè)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(nèi)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(fā)開裂，產(chǎn)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(zhì)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(guān)設(shè)備的風險衡量，并通過制定相應(yīng)的檢驗策略降低相關(guān)設(shè)備的開裂風險。API 581-2000附錄L的脆性斷裂技術(shù)模塊中有關(guān)于σ相脆化技術(shù)模塊次因子的評估流程[2]。但GB/T 26610《承壓設(shè)備系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)多起σ相脆化現(xiàn)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(wěn)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(yīng)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(nèi)和晶界上發(fā)生σ 相變[4]。晶內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)棣?相只需3 小時。奧氏體不銹鋼在691°C 下進行焊后熱處理，轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁嘁苍趲仔r之內(nèi)發(fā)生。σ 相在899°C 以上溫度下不穩(wěn)定，奧氏體不銹鋼部件在1066°C 下經(jīng)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(xù)狀態(tài)分布在晶界；另一種為針狀，主要以彌散狀分布在晶內(nèi)或貫穿整個晶粒[5]。在三維上，存在板狀結(jié)構(gòu)，板與板之間互相平行，或成一定角度，在某區(qū)域內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)備σ相脆化檢驗策略

σ相的形成速度、數(shù)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(guān)。其中，材料種類是確定是否存在σ 相脆化的基礎(chǔ)，σ 相含量以及評估溫度是評價脆化失效可能性的關(guān)鍵因素。根據(jù)引發(fā)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(yīng)加強現(xiàn)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(xiàn)場金相，滿足全部4項分級原則可定為相應(yīng)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(fā)的失效。因此，現(xiàn)場檢驗主要考慮脆性失效問題，應(yīng)進行表面缺陷檢測、金相檢測和鐵素體含量檢測，檢測數(shù)量應(yīng)該與失效可能性相關(guān)，失效可能性越高，檢測數(shù)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(shù)據(jù)。不銹鋼設(shè)備σ相脆化檢驗策略見表2。

3 結(jié)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。