（材料加工工程专业论文）超级双相不锈钢铸态及其高温组织表征.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 双相不锈钢综合了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能优点，具有优异的 耐腐蚀性和优良的综合力学性能，使其越来越多地被应用于炼油工业、石油化 学和化学工业、纸浆和造纸工业、石油和天然气工业、化肥工业、能源和环保 工业。然而，双相不锈钢的热加工性能较差，在锻造、热轧等热加工过程中容 易产生裂纹而导致成材率较低，因此，提高双相不锈钢的热塑性能成为双相不 锈钢研究的一个重点方向。 本文通过金属原位分析仪、光学显微镜、x 射线衍射分析仪等实验设备研 究分析了超级双相不锈钢o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 铸态下的宏观及显微组织，并利用纳 米压痕仪对其力学性能进行了表征。此外，通过共聚焦激光扫描显微镜( c s i m ) 原位观察了超级双相不锈钢0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 加热及保温过程中的组织演变过 程，并对高温下的组织进行了表征。 对铸态o o c f 2 5 n i 7 m 0 4 n 超级双相不锈钢宏观及显微组织的研究表明：超级双 相不锈钢的铸态组织宏观偏析程度较小，各元素分布比较均匀；定量金相的结果 显示超级双相不锈钢铸态组织中铁索体相的体积分数约占4 5 。x 射线衍射实验 及纳米压痕实验表明：铸态超级双相不锈钢只含有铁素体和奥氏体两相，而且室 温下铁素体相的弹性模量和硬度都要略高于奥氏体相。 利用c s l m 原位观察超级双相不锈钢0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 n j i 热过程中组织变化 并测定了奥氏体含量，同时分析了铁素体奥氏体相比例随温度的变化情况。结 果表明：随着温度的升高，铁素体奥氏体相比例开始缓慢增大，自1 1 5 09 c 以后， 铁素体奥氏体相比例快速增大；由淬火热处理实验结果表明奥氏体随着温度的 升高发生球化，而且温度越高，球化现象越明显。 利用c s l m 原位观察超级双相不锈钢0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 不同加热速度下组织 演变过程，结果表明：加热速度对超级双相不锈钢的相变方式产生很大影响，奥 氏体向高温铁素体的相变存在两种转变方式：即形核一长大方式和相界迁移方式。 利用片状新相长大模型探讨了相界迁移速度与加热温度之间的关系，并对它们的 关系进行定量描述。 利用c s l m 原位观察超级双相不锈钢0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 保温阶段发生的相交 v 上海大学硕士学位论文 过程，发现保温阶段的相变方式主要是奥氏体，铁素体相界向奥氏体内部的迁移。 利用扩散控制长大理论对相变过程进行分析，并将迁移距离的平方和保温时间的 关系定量化。 上述各部分的实验工作为热加工前序工艺的优化提供了理论参考。超级双 相不锈钢的加热速度和保温时间都需要较为准确的控制，以获得合适的组织来 提高热加工成材率。 关键词超级双相不锈钢，铁素体，奥氏体，加热速度，相变 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l sc o m b i n et h ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so ff e r r i f i c s t a i n l e s ss t e e l t o g e t h e rw i t ha u s t e n l t i cs t a i n l e s ss t e e l t h e yh a v eo u t s t a n d i n gc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dg o o d s y n t h e t i cm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s o , m o r ea n dm o r ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l sa r eb e i n ga p p l i e di n o i lr e f i n i n gi n d u s t r y , p e t r o c h e m i c a la n dc h e m i c a li n d u s t r i e s o i la n dg a si n d u s t r y , p u l pa n dp a p e r i n d u s t r y , c h e m i c a lf e r t i l i z e ri n d u s t r y , e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s t r i e s h o w e v e r , d u et op o o rp e r f o r m a n c ei nh o tw o r k i n g , i ti se a s yt ob r i n gc r a c kd u r i n gt h ef o r g i n ga n dr o l l i n g p r o c e s s ，w h i c hd e c r e a s e st h ee f f i c i e n c yi nh o tw o r k i n g s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h eh o t d u c t i l i t yo f d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s t h em a e r o s t r u c t a r e s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l la s - c a s t s u p e rd u p l e x s t a i n l e s ss t e e l0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 nw e r e i n v e s t i g a t e db yo r i g i n a lp o s i t i o na n a l y z e r , o p t i c a l m i c r o s c o p e ，x r a yd i f f r a c t i o na n a l y z e r ,a n dn a n o i n d e n t a t i o na n a l y z e r i na d d i t i o n , t h e m i c r o s t r o c t u r ee v o l u t i o n so ft h ea s - c a s ts u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 nw e r e o b s e r v e di n - s i r eb yc o n f o c a ls c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p ed u r i n gt h eh e a t i n ga n di n s u l a t i n gp r o c e s s t h eh i 曲t e m p e r a t u r em i c r o s t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e d i n v e s t i g a t i o n so nt h em a c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r eo fa s - c a s ts u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l 0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns h o w e dt h a t , t h ed e g r e eo f m a c r o s e g r e g a t i o ni nt h ea s - c a a ts u p e r d u p l e xs t a i n l e s s s t e e lw a ss m a l la n dt h ed i s t r i b u t i o no f e a c he l e m e n tw a s h o m o g e n e o u s t h er e s u l t so f q u a n t i t a t i v e m e t a l l o g r a p h yi n d i c a t e dt h a tt h ev o l u m ef r a c t i o no ff e r r i t ei nt h ec a s ts u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l w a s4 5 t h ex - r a yd i f f r a c t i o nt e s ta n dn a n o i n d e n t a t i o nt e s ti n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r eo n l yt w o p h a s ei nt h ea s - c a s ts u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l - - f e r r i t ea n da u s t e n i t e t h ee l a s t i cm o d u l ea n d h a r d n e s so f f e r r i t ew e r eh i g h e rt h a nt h a to f a u s t e n i t ea tl o o m t e m p e r a t u r e t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fs u p e r d u p l e xs t a i n l e s s s t e e l0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 nh a v eb e e n o b s e r v e di n - s i t ub yc o n f o c a l s c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p e t h ec h a n g eb yt e m p e r a t u r eo f f e r r i t e a n s t e n l t ep h a s er a t i ow a sa n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l ya sw e l l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t , w i t h t h ei n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e ，t h ep h a s er a t i oi n c r e a s e ds l o w l y h o w e v e r , i ti n c r e a s e d v e r yq u i c k l y a f t e r1 1 5 0 c t h er e s u l t so fq u e n c h i n gh e a t - t r e a t m e n ti n d i c a t e dt h a t , t h ea u s t e n l t es p h e r o i d i z e d w i t ht h ei n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e t h eh i g h e rt h et r e a t i n gt e m p e r a t u r ei s ，t h em o r ed i s t i n c t i v eo f v 上海大学硕士学位论文 s p h e r o i d i z a t i o ni s t h em i c m s t r u c m r ee v o l u t i o n so fs u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 nw e mo b s e r v e d n - s t ub yc o n f o e a im a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p ea lv a r i o u sh e a t i n gn 吐e s i tw a sf o u n dt h a t , h e a t i n g “眈sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h em o d eo f t r a n s f o r m a t i o ni ns u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l t h e r ew e t w om o d e si nt h et r a n s f o r m a t i o n so f 7t o5 ，i e n u c l e a t i o n - g r o w t ha n dp h a s ei n t e r f a c em i g r a t i o n t h er e l a t i o n sb e t w e e np h a s ei n t e r f a c em i g r a t i o nv e l o c i t ya n dh e a t i n gt e m p e r a t u r ew e r ed i s c u s s e d b yf l a k y p h a s eg r o w - u pm o d e l ，w h i c hw e r ea l s od e s c r i b e dq u a n t i t a t i v e l y t h et r a n s f o r m a t i o n so fs u p e r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 na lh e a tp r e s e r v a t i o nw e r e o b s e r v e d n - s t ub yc o n f o c a lm a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p e i tw a sf o u n dt 1 1 鸸t h et r a n s f o r m a t i o n m o d ew a sm a i n l yt h a tt h ef e r r i t e a u s t e n i t ep h a s ei n t e r f a c e sm i g r a t ei n t oa u s t e n i t e t h e t r a n s f o r m a t i o nc o u r s ew a sa n a l y z e db yt h ed i f f u s i o n - c o n t r o l l e dg r o w t ht h e o r y t h er e l a t i o n s h e t w e e nt h es q u a r eo f m i g r a t i o nd i s t a n c et oh o l d i n gt i m ew e r ed e s c r i b e dq u a n t i t a t i v e l y a l lt h ee x p e r i m e n t sh a v em a d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n gt h ef o r m e rt e c h n i c so f h o tw o r k i n gt e c h n i c s t h eh e a t i n gr a t ea n dh o l d i n gt i m eo f s u p c r d u p l e xs t a i n l e s ss t e e ln e e dt ob e c o n t r o l l e da c c u r a t e l yi no r d e rt oo b t a i na p p r o p r i a t em i c r o s t r u c t u r et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f h o tw o r k i n g k e y w o r d s ：s u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ，f c r r i t e ，a n s t e n i t e ，h e a t i n gr a t e , t r a n s f o r m a t i o n v n i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：固潍日期：趔越 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 戤导师签名：生妞日期：颦笠写 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于宝钢集团公司重点科研项目“超级双相不锈钢关键技术的研 究”。项目编号：b g 0 5 0 0 0 4 。 1 2 课题研究的目的和意义 双相不锈钢( d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ) 是不锈钢的一个重要分支。奥氏体 铁素体双相不锈钢是由奥氏体相和铁素体相组成的，它在一定程度上兼有奥氏 体和铁素体钢的特征。奥氏体相的存在，降低了高铬铁素体不锈钢的脆性，防 止了晶粒长大倾向，提高了韧性和可焊性；铁素体相的存在，提高了奥氏体不 锈钢的室温强度，尤其是屈服强度和导热系数，降低线膨胀系数和焊接热裂倾 向，同时大大提高钢的耐应力腐蚀开裂性能，改善耐点蚀等性能【l 】。对双相不 锈钢的研究始于2 0 世纪3 0 年代，经过4 0 多年的发展，到2 0 世纪7 0 年后期， 由于不锈钢应用范围的扩大，使得研制新型双相不锈钢材料受到各国的重视。 精炼技术的进步使得大量生产超低碳型双相不锈钢成为可能，而双相不锈钢焊 后一些问题的解决，更加促进了双相不锈钢作为结构材料的发展，使得双相不 锈钢广泛地应用于各个工业部门，如纸浆和造纸工业、化学加工工业、食品和 饮料工业、运输业、海洋油气工业以及建筑行业 2 4 1 。2 0 世纪8 0 年代初，在首 届双相不锈钢国际会议上专家们指出双相不锈钢的发展和应用十分迅速，已成 为与奥氏体型、铁素体型、马氏体型不锈钢并列的一类不锈钢，被公认为2 1 世 纪主流不锈钢种嘲。 在过去的4 年中，我国不锈钢行业发展迅速，年增长率高达3 0 1 7 - 9 1 。众所 周知，我国是一个缺镍少铬且不锈钢废钢匮乏的国家，不锈钢产量的快速增长 必然会加剧原材料等资源供应的紧张状况【l o 】。因此，为降低铬镍的使用量，需 要开发研制低镍甚至无镍型双相不锈钢，即增加氮元素及锰元素的含量来代替 镍元素，已经成为新型双相不锈钢发展的一个趋势。此外，氮除了可以替代部 上海大学硕士学位论文 分镍元素以节约成本外，氮对不锈钢的固溶强化作用和其提高不锈钢耐点蚀和 缝隙腐蚀的作用使得氮在不锈钢中的地位愈加重要，近些年来，控氮型、中氮 型和高氮型不锈钢己成为不锈钢发展的一个趋势 1 l 】。另外，扩大铁素体不锈钢 和氮合金化不锈钢的应用范围和比例，加速超级双相不锈钢双相不锈钢的科研 及生产试制工作，乃是我国不锈钢发展的大势所趋。 随着近代双相不锈钢的发展，合金化程度不断提高，使双相不锈钢的热加 工的难度明显加大。因为双相不锈钢中铁素体相和奥氏体相的结构不同，两相 在一起承受加工变形的相互不协调，在相界面存在高的内应力，在一定条件下 会导致破裂。而且高温时两相的变形机制也有差异，导致双相不锈钢的热塑性 很低 1 2 , 1 3 1 。由于氮是强烈的奥氏体稳定元素，导致含氮双相不锈钢在热加工温 度范围内往往处于热塑性较低的两相区，因此锻造生产难度增大，锻造时开裂 倾向严重。同时，在双相不锈钢铸态组织中，奥氏体和铁素体沿钢锭截面分布 是不均匀的，中心部位的铁素体含量明显高于边部，铁素体呈树枝状分布，增 加了锻造的开裂倾向【1 4 ，1 5 】。因此，在锻造、轧制时，必须严格遵守热加工工艺 规范以提高热加工效率。 制定合理的热加工工艺规范即是合理的计算和选择热加工工艺参数，这对保 证锻件的质量、组织和性能都十分重要。热加工工艺参数主要包括预加热温度、 开始与终了变形温度、变形程度、变形速度等。双相不锈钢的热加工工艺参数的 选择相对复杂，一般还停留在定性分析的基础上。所以，系统地研究热加工工艺 对双相不锈钢组织和性能的影响，对热加工过程组织变化进行定量描述尤其重 要。因此有必要对超级双相不锈钢加热过程中的组织形态进行系统研究，探索其 加热过程中两相比例变化及组织演变规律，以期为该超级双相不锈钢的实际生产 工艺的制定提供理论参考。 1 3 双相不锈钢的发展及应用概况 1 3 1 双相不锈钢的国内外发展概况 1 9 2 7 年，b a i n 和c n - i f f i t h s 首先发现了双相组织。1 9 3 0 年j h o c h m a n n 偶然 2 上海大学硕士学位论文 发现提高奥氏体不锈钢中的含铬量不仅使钢具有磁性，而且提高了钢的耐晶间 腐蚀性。双相不锈钢的发展与应用开始于2 0 世纪3 0 年代，法国获得了第一个 专利。到目前为止，双相不锈钢己经发展了三代。 第一代双相不锈钢是以美国4 0 年代开发的3 2 9 钢为代表，含高铬、钼，耐 局部腐蚀性能好，但含碳量较高( 如1 c ) ，焊接时易失去相的平衡，沿晶界析 出碳化物导致耐蚀性及韧性下降，焊后必须经过热处理，且一般用于铸锻件， 因此在应用和发展上受到限制。至6 0 年代中期，瑞典开发了著名的3 r e 6 0 钢， 它是第一代双相不锈钢的典型代表，特点是超低碳，含铬量为1 8 ，焊接及成 型性能良好，广泛代替了a i s l 3 0 4 l 、3 1 6 l 钢，用作耐氯离子应力腐蚀的材料， 而该钢的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织，导致耐应力腐蚀及晶 间腐蚀性能下降。7 0 年代开始，随着二次精炼技术a o d 和v o d 等方法的出现 与普及，以及连铸技术的发展，容易炼出超低碳( c 如0 3 ) 的钢，同时发现氮作 为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用：在焊接接头热影响区快速冷却时， 氮促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够多的二次奥氏体m ) ，以维持必要的 相平衡，提高了接头的耐蚀性能；富氮不仅使奥氏体相提高了耐孔蚀能力，而 且与富铬、钼的铁素体相取得平衡，提高了材料整体的耐孔蚀性能；减轻了铬、 镍等元素在两相中分布的差异，降低局部腐蚀的倾向性，开创了第二代新型的 含氮双相不锈钢，从而开发了新的应用领域。 第二代双相不锈钢不论是1 8 c r 型，还是2 2 c r 和2 5 c r 型钢，大多数属于超 低碳型，并且含有钼、铜或硅等提高耐蚀性的元素。针对酸性油井井管及管线 用钢的要求，瑞典开发了s a f 2 2 0 5 ，此钢种已纳入美国的a s t m a 7 8 9 和a 7 9 0 标准。法国有u r a n u s 系列，美国有z e r o n 铸钢系列，德国也有纳入标准的 系列牌号。 第三代双相不锈钢是8 0 年代后期发展的超级双相不锈钢【l6 】，牌号有 s a f 2 5 0 7 、u r 5 2 n + 和z e r o n l 0 0 等，这类钢的特点是含碳量低( 约0 0 1 0 0 2 ) ， 含有较高的钼和氮元素( m o 约4 ，n i 约3 ) ，钢中铁素体含量为4 0 5 0 ， 此类不锈钢具有优良的耐孔蚀性能。 中国自7 0 年代中期开始发展双楣不锈钢，钢铁研究总酣1 刀最早从事这方面 上海大学硕士学位论文 的工作，他们研制的o o c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢己纳入国家标准g b l 2 2 0 、 g b 3 2 8 0 、g b 4 2 3 7 中。8 0 年代后期，在分析国外双相不锈钢发展的基础上，研 究了氮元素在改善双相不锈钢耐应力腐蚀和孔蚀的机制，并且结合国内各特殊 钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验，确定了以发展含氮双相不锈钢为主的研究方 向，至今已有耐应力腐蚀、耐孔蚀与缝隙腐蚀、耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀的简 单双相不锈钢系列牌号。 1 3 2 双相不锈钢的分类 按化学成分可以将现国内外锻轧产品中通常使用双相不锈钢分为以下四 类1 8 】： ( 1 ) 不含m o 的经济型双相不锈钢此类钢主要成分有2 3 c r 、4 n i 、 o 1 0 n ，如u r 3 5 n 、s a f 2 3 0 4 等。这种经济型双相不锈钢在许多应用场合下 可取代奥氏体不锈钢a i s l 3 0 4 、3 1 6 。因其不含m o ，故它们是迄今费效比最低 的不锈钢种，孔蚀抗力当量值约为2 5 。 ( 2 ) 标准双相不锈钢此类钢主要成分有2 2 c r 、5 n i 、3 m o 、o 1 7 n ， 如u r 4 5 n 、s a f 2 2 0 5 等。其耐蚀性能在a i s l 3 1 6 与6 m o + n 的超级奥氏体不 锈钢之间，孔蚀抗力当量值约在2 9 3 6 之间，可取代3 1 7 l 、3 1 7 l n 等奥氏体 不锈钢。 ( 3 ) 高级双相不锈钢此类钢主要成分有2 5 c r ，并加入不同含量的合 金元素m o 、w 、c u 、n 。孔蚀抗力当量值约在3 5 3 9 之间，如u r 5 2 n 、d p 3 。 ( 4 ) 超级双相不锈钢孔蚀抗力当量值不小于4 0 的超级双相不锈钢主要 成分有2 5 c r 、6 8 n i 、3 7 m o 、0 2 7 n ，添加或不添加c u 或w ，如u r 5 2 n + 、 s a f 2 5 0 7 等。此类钢是专门为海洋、化工和石油工程应用而设计的，设计时 要求它们在含有氯化物酸等苛刻环境下有好的耐蚀性能和很高的力学性能，是 6 m o 型超级奥氏体不锈钢、钛材和玻璃纤维增强塑料的替代材料。 1 3 3 双相不锈钢的性熊特点及主要应用领域 双相不锈钢兼有铁索体钢和奥氏体钢的特性：奥氏体的存在降低了铁素体 4 上海大学硕士学位论文 钢的脆性、改善了韧性和焊接性；而铁素体的存在则提高了奥氏体钢的室温强 度和导热性，降低了其线膨胀系数和焊接热裂倾向，同时大大提高了其耐点蚀、 缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和磨损腐蚀性能【1 9 - 2 1 1 。正是这些优越的性能使 双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展十分迅速，8 0 年代以来已成为和马氏体 型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。 双相不锈钢具有以下性能优点固： ( 1 ) 含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般用 在6 0 以上中性氯化物溶液中的1 8 _ 8 型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀破裂， 在微量氯化物及硫化氢的工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等 设备都存在着应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却具有良好的耐应力腐蚀断 裂能力。 ( 2 ) 含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值 ( p 尉狲= c r + 3 3 x m o + 1 6 x n ) 时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔 蚀电位相仿。含1 8 c r 的双相不锈钢的耐孔蚀性能与a i s l 3 1 6 l 相当。含2 5 c r 的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙孔蚀性能超过了? d s l 3 1 6 l 。 ( 3 ) 有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质条件下适用于 制作泵、阀等设备。 ( 4 ) 综合力学性能好。有较好的强度和疲劳强度，屈服强度是1 8 8 型奥氏 体不锈钢的两倍。 ( 5 ) 可焊性良好，热裂倾向小。一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可 与1 8 - 8 型奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接。 ( 6 ) 含低铬( 1 8 c r ) 的双相不锈钢热加工温度范围比1 8 8 型奥氏体不锈钢 宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬( 2 5 c r ) 的钢 则比奥氏体不锈钢热加工困难。 ( 7 ) 冷加工时比1 8 8 型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形 初期，需施加较大应力才能变形。 ( 8 ) 与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的 衬里和生产复合板，也适合用制热交换器的管芯。 上海大学硕士学位论文 ( 9 ) 仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜在高于3 0 0 1 2 的条件下 使用。双相不锈钢中含铬量愈低，o 等脆性相的危害性也愈小1 。 双相不锈钢的主要应用领域包括【2 4 】： 中性氯化物环境双相不锈钢在加工工业中应用广泛，特别适用于有可能 产生局部腐蚀的环境，在加工工业中经常使用含有少量氯离子的淡水作为冷却 水，导致在使用3 0 4 l 、3 1 6 l 等奥氏体不锈钢时有产生应力腐蚀破裂( s t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n g ，s c c ) 的危险瞄j ，双相不锈钢正是可以代替常用奥氏体不 锈钢解决这一问题，尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀破裂的场合。 影响氯化物s c c 的主要因素是：( 1 ) 在特殊环境材料组合的条件下，产 生s c c 的临界应力；( 2 ) 环境介质的浓度，首先是氯化物的浓度、p h 值，介 质氧化还原的性质，特别是溶氧或其他氧化杂质；( 3 ) 温度：随着温度升高， s c c 倾向加重，但也不是绝对的，还受其他因素的制约。正是因为影响s c c 的 因素复杂，所以，在界定双相不锈钢的使用条件时，除了实验室的各种s c c 数 据和性能曲线外，值得重视的是实际使用的经验及其与实验室的s c c 数据的对 比与汇总。瑞典在这方面都进行了大量的工作，针对在通气的中性氯化物溶液 中大量使用的3 r e 6 0 、s a f 2 2 0 5 以及s a f 2 3 0 4 钢作了氯离子浓度与温度关系作 了汇总( 见表1 一1 ) 。在通气的氯化物环境中几种双相不锈钢和奥氏体不锈钢产 生s c c 的临界温度值分别为【2 6 j ： 表1 - 1 几种不锈钢产生应力腐蚀破裂的临界温度 海水环境海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质，尤其在金属表面粘 附有微生物层( 膜) 时，使其腐蚀电位增加，因此也增加了产生孔蚀和缝隙腐 蚀的危险性。早在7 0 年代日本开始使用3 2 9 j 1 和n t i d “( o o c r 2 5 n i 5 m 0 1 5 - 2 5 含n 或不含n ) 钢制造化工厂用或船用海水热交换器或海水冷却器管束，部分 代替铝黄铜管。 6 上海大学硕士学位论文 目前就热海水用钢而言，大多数都是使用2 5 c r - 3 m o 型的双相不锈钢，超 级双相不锈钢有更好的使用效果，例如s a f 2 5 0 7 钢制造的海水热交换器，壳程 是含有少量氟化物的丁烷( 入口温度8 0 1 2 ，出口温度3 0 c ) ，管程是海水，工 艺温度可能从4 0 c 升至8 0 1 2 ，钛管因不耐f 一腐蚀，只能用3 个月，s a f 2 5 0 7 使用3 年仍未发现腐蚀。北海采油平台上的管道系统使用的是z e r o n l 0 0 钢，海 水出口温度可达6 0 - 6 5 c ，也未发现腐蚀问题，而使用6 m o 的奥氏体不锈钢 时，在此温度会产生应力腐蚀破裂。 石油和天然气工业2 0 世纪8 0 年代以来双相不锈钢在酸性气和油的生产 中用量逐渐增多，主要用作生产管衬里、岸上和近海的管道系统以及热交换器 等，尤其在天然气的生产中，双相不锈钢多数面临的是含有大量c i 一、c 0 2 和一 些h 2 s 的环境，即所谓的酸性环境，在含c 1 - 的湿c 0 2 环境中，双相不锈钢是 一个理想的材料，可耐高流速的磨损腐蚀，能够代替加缓蚀剂的碳钢使用，用 于井上管道系统，减少可观的材料重量。 超级双相不锈钢也已在石油、天然气工业中使用，如u r 5 2 n + 已用在北海 油田的油气集合管和输送管线，s a f 2 5 0 7 钢用在阿拉斯加、北海、墨西哥湾等 地的油气井生产、海上采油平台设施以及油气输送管线等，多用在没有缓蚀剂 的苛刻酸性环境。 纸浆和造纸工业双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的应用已经4 0 年的历 史了，3 r e 6 0 钢最早就是在这一领域起步应用的。除3 r e 6 0 钢外，其他如 s a f 2 2 0 5 、u r 4 7 n ( 0 0 c r 2 5 n i 6 5 m 0 3 n ) 、u r 5 2 n + ( 0 0 c r 2 5 n i 6 5 m 0 3 5 c u n ) 等双相不锈钢都已获得了应用。主要是利用双相不锈钢优秀的力学性能、耐磨 损腐蚀、耐腐蚀疲劳以及耐应力腐蚀等的特长，制造纸浆和造纸工业用的木屑 预蒸器、间歇式和连续式纸浆蒸煮器，造纸压力滚筒和回收设备等，都取得了 良好的使用效果。 此外，在北美、欧洲和日本等发达国家，双相不锈钢甚至是超级双相不锈 钢还成功地在炼油工业、化肥工业、能源与环保工程、轻工和食品工程以及高 强度结构件等领域中得到了广泛的应用。 7 上海大学硕士学位论文 1 4 双相不锈钢的组织特征 双相不锈钢中，由于铁素体晶格中原子密排度较低，合金元素在铁素体中的 扩散速度较在奥氏体中高得多。其次，因为两相的合金元素含量不同，铁素体相 富集了铬和钼，有利于含有这两元素的金属间相在铁素体相中形核。所以，双 相不锈钢中组织的转变往往发生在铁素体相中，而奥氏体相中基本无变化。 如图1 2 1 2 7 1 所示为f e c r - n i 系变温截面图，将双相不锈钢加热至熔化状态 然后进行冷却，可以看出：冷却过程中的先析出相是由铬镍的百分含量所决定 的，对于含2 5 的c r 的双相不锈钢来说，在液体内先形核出现铁素体相，到一 定冷却温度完全变为铁素体相。继续冷却，铁素体相内将会产生奥氏体相，如 果继续冷却，在9 0 0 以下( 某些钢甚至在l o o o ) 会发生铁素体相界上。相 的析出，随温度越低，会有不同的金属相化合物析出。研究表明：如果冷却速 度过快，铁素体相没有足够的时间转变成奥氏体相，将出现铁素体相含量高于 奥氏体相的现象；但是如果冷却速度比较慢，会造成奥氏体晶粒粗大化及出现 金属问相等析出物问题，从而导致不锈钢的韧性降低【嚣】。 口17 0 f b i 厶f l 、鼋挺l ! ? 6 1 口一b 。 f j ， t | 一上 嗣弘i 、 l 、 、 溶 l 0 3 t 、h ， l v f| | | t - yy |f lf 5 1 6i ，一一!。一一。 。“ y f i o3 53 02 s 2 01 5c r 图1 - 1f e c r - n i 系变温截面图口7 j a ) 7 0 f eb ) 6 0 f e 双相不锈钢与纯铁素体不锈钢和纯奥氏体不锈钢不同，在奥氏体- 铁素体双 8 上海大学硕士学位论文 相不锈钢的加热和冷却过程中，除6 ，y 两相含量发生变化外，还会发生其他的 组织转变，从而出现二次奥氏体( 忱) ，碳化物和氮化物以及金属问相，例如。 相、x 相、r 相等。它们对奥氏体- 铁素体双相不锈钢的性能具有重要的影响。 1 4 1 二次奥氏体 双相不锈钢中，6 、1 r 两相含量随着加热温度升高发生变化，6 含量逐渐增 多，而1 ，含量逐渐减少。当加热温度足够高( 1 3 0 0 c 以上) 时，双相不锈钢将 转变成单一的铁素体组织，此时若在低于出现单相铁素体组织的温度下进行等 温时效，钢中会重新析出奥氏体，即二次奥氏体。 在金相显微镜下观察，二次奥氏体大多呈针状或羽毛状口9 】。二次奥氏体的 含量随时效温度的升高而增加，随时效时间的延长，不仅数量增加而且体积也 长大【3 0 1 。二次奥氏体的形成机制随形成温度的不同而不同，它的形成位置和形 貌与铁素体相内及周围的化学成分、邻近区的扩散途径有关，形核位置的不同 也会影响二次奥氏体的形貌。白铁素体中析出二次奥氏体的机制主要有魏氏组 织型的析出、马氏体型切变转变口1 】和共析反应6 一a + t 2 三种【3 2 1 。与一次奥氏 体相比，二次奥氏体中c r 、m o 、n 元素的含量相对贫乏，从而导致双相不锈 钢的耐蚀性下降。 1 4 2 碳化物和氮化物 m 7 c 3 和m 2 3 c 6 型碳化物当双相不锈钢在低于1 0 5 0 加热时，沿铁索体 和奥氏体的相界会有碳化物析出。因为，双相不锈钢中，奥氏体中碳含量较高， 而铁素体中铬含量较高，晶界是碳化物析出的有利位置。 在含c 量较高( 0 0 3 ) 的双相不锈钢中，在较高的温度范围9 5 0 - - 1 0 5 0 ，沿6 ，y 相界析出的是m 7 c 3 型碳化物，通过快速冷却可以避免此类碳化物的 析出。然而，当温度低于9 5 0 时，析出的是m 2 3 c 6 型碳化物而且析出速度很 快，通过快速冷却也很难抑制这种碳化物的析出。但双相不锈钢相界碳化物的 析出并不像对奥氏体不锈钢那样带来大的危害，含o 0 3 c 的超低碳双相不锈 钢中，碳化物的析出量很少，甚至不能分布到所有的相界上。对于超级双相不 9 上海大学硕士学位论文 锈钢而言，它的含碳量比超低碳双相不锈钢还低，一般在0 0 1 加0 2 的范围内， 如o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 超级双相不锈钢中就没有任何类型的碳化物析出。 c r z n 和c r n 型氮化物在双相不锈钢中随着氮含量( 作为合金元素) 的 增加，尤其对近代发展的含氮超级双相不锈钢而言，研究氮化物的析出显得十 分必要，它对双相不锈钢的性能有一定影响。由于铁素体中氮的溶解度低，呈 过饱和状态，快速冷却导致c r 2 n 在铁素体晶界和晶内析出，随固溶温度的升高， 析出数量增多。 c r 2 n 是氮化物的主要析出形式，但研究表明【3 3 1 ，除c r 2 n 外还有一种立方 晶系的c r n 型氮化物，这种氮化物一般在焊接接头的热影响区析出。c r n 一般 呈薄片状，其间还有一些板状夹杂物，它与c r 2 n 的成分基本相同，但是这种氮 化物的析出很少见，一般对钢的韧性和耐蚀性影响不大。 1 4 3 金属问相 对双相不锈钢而言，除了它的化学成分和相比例对其性能产生显著影响外， 钢中金属间相的析出，也会对双相不锈钢的性能产生重大影响。含有一定量铁 素体的双相不锈钢，其金属间相的形成与高铬纯铁素体不锈钢非常相似。双相 不锈钢中的金属间相主要有。相、3 c 相、r 相、一相等。 o 相。相属于t c p 相( t o p o l o g i c a l l yc l o s e - p a c k e dp h a s e ) ，是双相不锈钢 中是危害性最大的一种析出相 3 4 , 3 5 1 。o 相系以f e 和c r 为主要成分，硬而脆， 可显著降低钢的韧性和塑性。在f e c r 二元合金中，只有当温度低于8 2 0 时， o 相才能以很慢的速度析出，往往需数小时。然而在双相不锈钢中因为n i 和 m o 的存在，尤其是m o 的加入，促进了。相的析出，不仅使。相的析出温度上 移至9 5 0 c 左右，而且使。相的析出速度大大加快，所以，要想避免。相的析出， 必须以更快的冷度通过9 0 0 的“鼻尖”区域。o 相是一种硬而脆的金属间相，主 要由f e - c r - m o 等元素构成，相中富集了c r 、m o 等主要合金元素，它的出现不 仅使钢的韧性显著降低，而且也影响双相不锈钢的耐腐蚀性能。因此，在热加 工或热处理时必须设法快速通过硼形成区，以防止a 相的形成 3 6 ，3 7 j 。y s h a r t 3 8 】 和张幽j 等人在研究双相不锈钢的超塑性时发现，高温组织中一定量。相的存在 1 0 上海大学硕士学位论文 能抑制6 和y 相的长大，从而使材料在1 0 0 0 左右仍然有超塑性现象。 】c 相在奥氏体一铁素体双相不锈钢中，在6 5 0 9 5 0 c 加热，由于出现丫2 + c ( o ) 反应而产生) c 相。在7 0 0 9 0 0 c 较高温度时，x 相有时仅为一个能转变 为。相的亚稳相。j c 相一般出现在含m o 的a + 丫双相不锈钢中【加4 1 】。x 相与a 相 一样，也是一种无磁性的脆性相，它的生成同样显著降低钢的塑性、韧性和耐 蚀性。 r 相在某些奥氏体一铁素体双相不锈钢中也观察到有r 相存在，它在 0 c r 2 1 n i 7 m 0 2 5 c u l 5 双相不锈钢中的化学式为f e 2 m o ，而在0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢中为f e 2 4 c r l 3 m o s i 。r 相在2 5 c r - 7 n i m o 双相不锈钢中，沿相基 体的 1 l