（材料加工工程专业论文）2205双相不锈钢的高温变形过程及其机理研究.pdf

硕+ 学伊论文 摘要 双相不锈钢( t h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ，d s s ) 具有0 【和y 的两相组织结构，因 而其性能兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，已被公认为2 1 世纪的主流不 锈钢种。本论文中采用热力模拟的实验方法对热轧态2 2 0 5 双相不锈钢进行了高 温压缩和高温拉伸试验，利用光学显微镜( o m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线 衍射分析仪( x r d ) 齐n 能谱( e d s ) 等手段研究了2 2 0 5 双相不锈钢的高温变形过程 及其机理。同时，对热变形过程中的形变诱导相变进行了初步的研究，主要得到 如下结论： ( 1 ) 在高温压缩试验中，在变形温度为9 0 0 一12 0 0 和应变速率为0 1s 一和2 s 。 范围的条件下，试样的峰值变形抗力随变形温度升高而降低，随应变速率的增大 而增加；在各变形温度、不同应变速率条件下，峰值变形抗力的差值在3 0 - - 8 0 m p a 之间；表明试验材料是一种应变速率敏感材料，在变形温度达到1 0 0 0 时应力变 化趋于平缓，出现稳定塑性变形区。 ( 2 ) 随变形温度升高，试样中的铁素体晶粒明显细化，说明随变形温度升高， 铁素体动态回复与再结晶过程更充分，促使铁素体晶粒更细小；在10 0 0 12 0 0 变形温度区间，铁素体组织发生完全的动态回复以及再结晶软化，钢中部分奥氏 体通过孪生变形而软化。 ( 3 ) 在变形温度为9 0 0 - - 12 0 0 和应变速率为0 1s 。和2 s 一范围的条件下，试样 的组织都是0 【相和y 相，没有新相产生：且在试样变形区中奥氏体相的数量都随温 度的升高而减少，随应变速率的提高而增加。 ( 4 ) 2 2 0 5 双相不锈钢在高温压缩过程中发生y _ 6 逆相变，在变形量为2 5 、5 0 条件下，变形温度一定时，随着变形量的增加，该相变的转变量增加；在变形温 度温度10 0 0 、l0 5 0 、1 10 0 条件下，变形量为7 5 时，逆相变受变形温度的影 响，变形温度越低，转变量就越大。 ( 5 ) 在高温拉伸试验中，经2 2 0 5 双相不锈钢与3 0 4 奥氏体不锈钢比较，2 2 0 5 双 相不锈钢的高温变形抗力及热塑性较低，热加工性能较差。 关键词：2 2 0 5 双相不锈钢；峰值变形抗力；动态回复及再结晶；孪生变形；形变 诱导相变；逆相变y 一6 2 2 0 5 双相不锈钢的高濡变形过烈及其机押研究 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 ( d s s ) w i t h0 【a n d 丫t w o p h a s es t r u c t u r e ，t h e r e f o r ei th a s b o t ht h ep e r f o r m a n c eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n df e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l d u p l e x s t a i n l e s ss t e e lh a sb e e nr e c o g n i z e da st h em a i n s t r e a mo fk i n d so fs t a i n l e s ss t e e li nt h e 21s tc e n t u r y t h eh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o np l a n ea n dh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l et e s t o fh o t 。r o l l i n g2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ( d s s ) a r e i n v e s t i g a t e db yt h eu s eo ft h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o r i ti sc o n d u c t e d2 2 0 5 d u p l e x s t a i n l e s ss t e e l d u r i n gh i g h t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n ，m e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o ni n d u c e dp h a s et r a n s i t i o n b y o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n de n e r g y s p e c t r u m ( e d s ) e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，a n dt h ef o l l o w i n gb a s i c c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) i nt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o nt e s t ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h a tt h et r a i n r a t e sw e r e0 1s 叫a n d2 s qa n dt h er a n g eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a sf r o m9 0 0 t o 12 0 0 。c ，t h ep e a kd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo ft h es a m p l ed e c r e a s e dw i t hd e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ea n di n c r e a s e dw i t hs t r a i nr a t e i nt h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ， t h ed i f f e r e n c ec o u l dr e a c h3 0 8 0 m p a w h i c hs h o w e dt h a tt h et e s tm a t e r i a lw a sak i n d o fs t r a i nr a t es e n s i t i v em a t e r i a l w h e nt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a s10 0 0 t h e s t r e s st e n d e dt ob es t a b l ea n di tw a sf o u n das t a b l ep l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n e ( 2 ) w i t ht h ei m p r o v e m e n to fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h ef e r r i t eg r a i ni nt h e s a m p l e r e f i n e d s i g n i f i c a n t l y i t s h o w e d t h a tf e r r i t e d y n a m i cr e c o v e r ya n d r e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a sm o r ef u l l ya n dt oc a u s et h ef e r r i t eg r a i nt om o r es m a 1 1 w h e nt h ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e w a sb e t w e e nl0 0 0o c a n d 12 0 0 f e r r i t e c o m p l e t e l yd y n a m i cr e c o v e r e da n dr e c r y s t a l l i z a t i o ns o f t e n e da n ds o m ea u s t e n i t ei nt h e s t e e ls o f t e n e dt h r o u g ht w i n n i n gd e f o r m a t i o n ( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h a tt h et r a i nr a t e sw e r e0 is _ a n d2 s ja n dt h er a n g e o fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a sf r o m9 0 0 t o 12 0 0 t h eo r g a n i z a t i o n so ft h e a u s t e n i t e2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e r e0 【p h a s ea n d 丫p h a s e ，i nw h i c ht h e r ew a sn o n e wp h a s e a u s t e n i t ep h a s eo fs a m p l ed e c r e a s e dw i t hd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d i n c r e a s e dw i t hs t r a i nr a t e ( 4 ) o c c u r r e di nt h eh o td e f o r m a t i o nr e v e r s i b l ey 叶6p h a s et r a n s i t i o n ，i nt h e d e f o r m a t i o no f2 5 ，5 0 c o n d i t i o n ，w i t ht h ed e f o r m a t i o ni n c r e a s e s ，t h i sp h a s es h i f t c h a n g ei n c r e a s e d a tt h et e m p e r a t u r eo f10 0 0 ，10 5 0 。c ，110 0 ，i nt h ed e f o r m a t i o no f 7 5 c o n d i t i o n ，t h ei n v e r s ep h a s et r a n s i t i o nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o n 硕十学何论文 t e m p e r a t u r ei sl o w e r ，t h em o r ec h a n g ei nv o l u m el a r g e ( 5 ) i nt h eh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l et e s t ，c o m p a r e dw i t ht h e2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s s s t e e la n d3 0 4s t a i n l e s ss t e e l ，t h ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n dt h e r m o p l a s t i co f2 2 0 5 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e r el o w e r ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m a lp r o c e s s i n gw a sp o o r k e yw o r d s ：2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；p e a kr e s i s t a n c e ；r e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ； d e f o r m a t i o nt w i n ；s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ；r e v e r s i b l et r a n s f o r m a t i o ny _ 6 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名蛐日期：矽年 多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名壹旁f 苏 导师签名：朔 日期：砂年歹月，日 日期咖fd 年石月j 1 7 日 硕十学忙沦文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 双相不锈钢( d u p l e xs t r a i n l e s ss t e e l ，d s s ) 是指在钢中既含奥氏体又含有铁 素体组织的钢种，通常其铁素体与奥氏体的体积分数之比控制在大约各占5 0 ， 且铁素体或奥氏体的体积分数均大于1 5 ，并简称为a + y 双相不锈钢。 由于双相不锈钢具有a 和y 的两相组织结构，因而其性能兼有奥氏体不锈钢 和铁素体不锈钢的特点【i 】：与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高、脆性转变 温度低、焊接性能和耐晶间腐蚀性能均显著提高，且保留了铁素体不锈钢的线膨 胀系数小、热导率高，不需施行焊前预热和焊后热处理，同时热裂纹的敏感性较 奥氏体不锈钢小得多；与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢强度较高，特别是屈服 强度显著提高，且耐晶问腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能都有明显的改善； 双相不锈钢还具有超塑性等其他特点【2 j 。 目前，应用最普遍的双相不锈俐是o o c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢，其屈服强度 可达普通奥氏体不锈钢的两倍，疲劳强度及抗腐蚀性能办优于奥氏体不锈钢。其 热胀系数接近于普通的碳钢，给结构设计带来很多方便。这一特点使得它适合制 作复合钢板和防腐蚀衬咀。囚其导热系数比3l6 l 奥氏体不锈铡约高出3 0 ，有 利于制造热工设备；此外，o o c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢还具有较好的低温冲击性 能。钢中加入适量的氮不仅改善了钢的耐点蚀和附s c c ( 耐应力腐蚀) 性能，而且提 高了焊接h a z ( 焊接热影响区) 的耐蚀和力学性能。0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢高 c r 低n i ，故较c r n i 奥氏体不锈钢的材料成本更低【3 ，4 l 。 双相不锈钢作为一种节约镍、优质经济( 高性能高质量低成本) 的新型工程 材料，在实际生产中具有很好的应用前景。双相不锈钢的发展和应用十分迅速， 已成为与奥氏体型、铁素体型不锈钢并列的一类不锈钢；在不锈钢的牌号序列中， 双相不锈钢的地位已经确立，且无论在化学成分、性能以及设计、加工制造等方 面都已经进入比较成熟的阶段，它被公认为2 1 世纪的主流不锈钢种【5 6 】。随着国内 大力推广双相不锈钢，双相不锈钢将会在更多的领域得到应用和普及，并且成为 新型高性能钢铁材料研究的热点。 但在高温状态下，双相不锈钢仍为奥氏体和铁素体两相组织，其热加工特性 与奥氏体不锈钢存在着较大的差异，比奥氏体不锈钢差。目前，0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈铡的热加工还是一个技术难题。为了保证双相不锈钢在热加工过程中有 足够的塑性，在热加工的加热温度下必须保证组织中的奥氏体相数量不超过 2 2 0 5 舣相不锈钒的高涡变形过样及其机珲研究 m m i|ii 8 1 0 ，而在热变形的终止温度奥氏体相的数量不高于2 5 3 0 4 1 。 普通双相不锈钢的高温变形行为已有不少研究与报道【7 9 】。但是关于 0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢的高温变形过程及其机理，尤其是对在高温变形时产 生的形变孪晶诱导塑性机理及双相不锈钢热变形过程中的形变诱导相变还没有深 入的认识。在双相不锈钢中，0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢用量达到8 0 ，因此以 其为代表钢种的热加工性能研究具有重要意义。本文着重探索其热变形规律，为 该钢种的实际生产工艺提供技术支持。 1 2 双相不锈钢的国内外研究及应用状况 1 2 1 双相不锈钢的发展历史 双相不锈钢已有7 0 年之久的历史。它的发展经历了三代【3 , 4 】，从图1 1 可以看 出双相不锈钢的发展历史。 第一代双相不锈钢以美国上世纪4 0 年代开发的3 2 9 不锈钢为代表，含高铬、钼， 耐局部腐蚀性能好，。但是含碳量较高( s 0 1 c ) 。因此焊接时容易失去相的平衡及 产生碳化物导致酬。蚀性及韧性下降，焊接后必须经过热处理，一般适用于铸锻件， 在应用上受到了定限制。前苏联在上世纪5 0 年代发展了含稳定化元素钛的 0 8 x 21h 5 t 和0 8 x 2lh 6 m 2 t 不锈钢，同时德国开发了1 4 5 8 z 不锈钢，法国开发了 u r n n u s 5 0 不锈钢，英国研制成功了f e r r a l i u m 2 5 5 不锈钢，还有同本在美国3 2 9 不锈 钢的基础上降低碳含量，开发出了3 2 9 j 1 不锈钢钢种，这些双相不锈钢郜可以作为 可焊接的结构材料使用。随后至上世纪6 0 年代中期瑞典开发了著名的3 r e 6 0 不锈 钢，它是第一代双相不锈钢的代表钢种，其特点是超低碳，含铬量为18 ，焊接及 成型性能好，可广泛代替a i s l 3 0 4 l 、3l6 l 奥氏体不锈钢用作耐氯离子应力腐蚀材 料。直至上世纪7 0 年代，随着二次精练技术a o d 和v o d 等冶炼方法的出现与普及， 能容易地冶炼出超低碳的钢，同时发现氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有提 高耐腐蚀性能的积极作用，改进了第一代双相不锈钢，并开创了第二代新型的含 氮双相不锈钢，并开发了双相不锈钢的新领域【1 0 。 第二代双相不锈钢不论是18 c r 型，还是2 2 c r 或2 5 c r 型大多属超低碳型，已被 纳入美国的a s t ma 7 8 9 平1 - 1 a 7 9 0 标准。此外，法国有u r a n u s 系列，英国有z e r o n 铸钢系列，德国也有了纳入标准的系列牌号钢种。 上世纪8 0 年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代双柏不锈钢，这类钢的 特点是含碳量极低，含高镏和高氯，钢中铁素体含量4 0 5 0 ，此类钢具有优良 的耐孔蚀性能且孔蚀抗力当量值大于4 0 【4j 。韩国1 9 9 6 年公开的双相不锈钢( 专利号： 9 6 l9 0 6 2 3 ) ，具有优越的抗热塑性、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能和冲击性能。 我国自上世纪7 0 年代中期开始发展双柏不锈钢，北京钢铁研究总院最早开展 硕_ ：。孚! 伊论文 曼! ! 曼曼! ! 曼曼! ! 曼! 曼! ! 曼! 舅! ! 曼曼曼曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼蔓鼍! 曼曼曼曼| =o i i 二i i ! ! 蔓! ! ! ! ! 曼曼曼鼍曼曼罡曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼寰 了这方面的研究工作，丌发的0 0 c r l8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢已被纳入国家标准 g b l2 2 0 、g b 3 2 8 0 年 ig b 4 2 3 7 。此外，五二研究所在分析国内外双相不锈钢发展的 基础上，成功研制了新型稀土双相不锈钢s g 5 2 ，其抗点蚀当量p r e 4 0 。该钢种采 用稀土改性，并以氮代镍，具有良好的力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能2 | 。 2 0 世多0 , 6 0 年代以来，国外对双相不锈钢已有了不少的研究。如，19 7 4 年前苏 联就出版了双相不锈钢，其中汇集了这类钢的结构、力学性能和焊接等方面的 工作。1 9 9 2 年，原冶金工业部钢铁研究总院，出版了双相不锈钢论文集，指出 双相不锈钢的良好应用效果。 本文研究的2 2 0 5 型双相不锈钢是瑞典继丌发了3 r e 6 0 双相不锈钢之后，针对酸 性油井井管及管线用钢首先开发出的，属第二代双相不锈钢，纳入a s t ma 7 8 9 、 a 7 9 0 、a 2 4 0 、a 2 7 6 等标准，美国牌号为u n ss 318 0 3 ；2 0 世纪8 0 年代以后，各国 相继开发出类似钢种，并且纳入标准。德国有w n r 1 4 4 6 2 ，d i nx 2 c r m o n 2 2 5 3 ， 瑞典有s s 2 3 7 7 ，法国有z 2 c n d 2 2 0 5 0 3 ，英国有b s3l8 s13 等。s a f 2 2 0 5 双相不锈 钢自2 0 世纪8 0 年代初开始被用于油、气井生产，这是最早在这方面使用的双相不 锈钢，中国在上世纪8 0 年代初期丌始研制相当s a f 2 2 0 5 双相不锈钢的 0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢，它在h 2 s f u 中性氯化物溶液中的耐应力腐蚀性能优于 3 0 4 l 、316 l 奥氏体不锈钢及18 5 m o 型双相不锈钢。由于含氮，而、j 孔蚀性能很好， 还有良好的强度及韧性等综合性能，可进行冷、热加工及成型，焊接性能良好， 适用作结构材料，是目前应用最普遍的双相不锈钢。近期，宝钢成功生产了2 2 0 5 双梢不锈钢的卷扳及中板【l3 1 。 0 3i 斟 0 1 1 9 7 0 1 9 8 8 1 9 9 1 1 9 9 4 u r 5 0 u r 3 5 n s 盯2 3 0 4 s 蚯2 5 0 7 d p 3 w 霉2 5 。7 硎铷 & k y r 5 2 n z e i o n l 0 0 i 誓n u r 4 5 耀n t 票c ，、，t u k j z “ - s a f 2 2 0 5 2 5 3 03 5 4 0 p f 皿 图1 1 双相不锈钢的发展历史 4 5 2 5 c r 3 4 m c 2 2 c r 3 m o 2 3 e r o m o 1 2 2 国内发展动向及前景 目前，随着化工工业的发展，双相不锈钢管的应用越来越广泛，国内双相不锈 铡钢管每年以1o 的速度增长，在石油、尿素等行业也有很大的发展前途。双相 2 2 0 5 舣相不锈钢舟勺鬲漏变形过样及其机理彤f 究 不锈钢钢管在性能上的突出表现是耐应力腐蚀和屈服强度高，具有良好的焊接性 能，且焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。在同本，铁素体和奥氏体双相不锈钢 焊管在石化行业中的管道系统约占5 4 的市场份额。而我国不锈钢焊管主要应用 在装饰领域，在石化领域使用的耐蚀焊管基本属空白。国内太钢、宝钢已开发出5 种双相不锈钢，只有3 r e 6 0 双相不锈钢纳入国标并大量生产，其它都按厂标生产， 产量不大，且在应用中仍存在生产、使用部门对双相不锈钢的特性掌握不够，产 品质量稳定性亟待提高等问题。 国产不锈钢在品种、规格、质量、数量等方面，从满足市场需求上和同发达 工业国家技术水平的比较上都有一定的差距。具体体现在：在产品的数量方面， 一般用途的普通不锈钢的产量已与市场总体需求平衡。而较高要求的材料，则生 产能力不足，尤其是高要求的工业用材料，如高压不锈钢锅炉管等基本上是空白； 在产品的规格方面，一般用途的中小口径不锈钢钢管的生产能力大于市场需求， 高要求、大口径的不锈钢管，市场供不应求，缺口较大，如中2 l9 r a m 以上的特大 口径不锈钢钢管还需要靠进口弥补不足。再如超长度的( 大于1 5 m ) 的超长不锈钢钢 管；国内也很少生产，基本依靠进口；在品种方面，与先进工业国家相比较，我 国不锈钢的品种少，高技术含量品种几乎足空白，如双相不锈钢、哈氏合金等， 一些技术难度大、质量要求高的专用不锈钢钢管，如化肥装置用尿素管、电站锅 炉的热交换器管等，还主要依赖进口，一些具有良好耐腐蚀。眭能的双相不锈钢钢 管，国内也很少生产，基本依赖进 j 。为了充分适应双相不锈钢只渐广泛的推广 应用，国内应加强对双相不锈钢焊接技术的普及和双相不锈钢性能的提高【】。 1 2 3 国外发展动向及前景 值得关注的是低合金含锰双相不锈钢的研制：近十年来有关国家如美国，南 非等研究以锰代镍双相不锈钢的开发，除铸件外，所开发的新钢种多具有介稳的 奥氏体，急冷变形后马氏体的转变提高强度，很难用作焊接件使用，也很难适应 某些环境，例如会产生应力腐蚀的环境，使用受到局限。近年瑞典开发的低锰低 镍双相不锈钢则比较成熟，目标明确，为了节镍以取代用途很广的3 0 4 奥氏体不 锈钢，甚至可能代替价格与3 0 4 奥氏体不锈钢相当，目前使用并不广的2 3 0 4 双相 不锈钢，具有实际推广的价值，值得注意。 瑞典a v e s t ap o l a r i ta b 开发的l d x2 1 0 1 双相不锈钢( 2 1 5 c r ，1 5 n i ，5 m n ， 0 2 2 n ) ，山于提高了钢中的氮，获得了稳定的奥氏体，相的平衡与组织稳定性都较 好，对会属间相的析出不敏感，在析出最敏感的温度6 5 0 ，保温10 h 后的冲击值 才降至5 0 j ，其组织稳定性较2 2 0 5 双相不锈钢好。该钢的强度高，耐腐蚀性能与 3 0 4 奥氏体不锈钢相当，可焊接，其寿命周期成本较奥氏体不锈钢低。 l d x2 1 0 l 钢已进行工业试制，在a o d c l u 炉精炼后进行连铸，生产长材铸 4 7 ，页十号：伊论文 m ：i i ： 一 ： 一m 。一一 = i m 曼曼曼曼! ! ! 曼! 曼曼曼! 曼蔓! 曼皂曼舅曼曼曼曼曼! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼! ! 曼曼! 寰曼曼! ! ! 曼! ! 曼曼! 坯和板坯，但是目前尚未大量推广应用，鉴于它具有较好的综合性能，潜在的用 途范围很宽，尤其用作结构件很有前途，如可代替2 2 0 5 双相不锈钢用作桥梁结构 钢，还可用作制混凝土中的钢筋，解决在有氯离子污染环境中材料的腐蚀问题， 此外，还可取代3 0 4 和3l6 奥氏体不锈钢制造容器、塔器、热水贮罐和加热器等。 从世界不锈钢的消耗量来看，双相不锈钢只占很少的份额，它的价格较高， 从价格比来看：若3 0 4 ，3 0 4 l 奥氏体不锈钢为1 ，则3 1 6 l 奥氏体不锈钢为1 3 ，而 2 2 0 5 双相不锈钢则为1 6 ，说明要想增加双相不锈钢的市场份额，应当有更廉价的， 能与应用最普遍的3 0 4 ( 3 0 4 l ) 奥氏体不锈钢相竞争的新钢种还是有价值的，当然 这方面还有许多工作要做。 近10 年来，双相不锈钢的丌发和应用得到了高速发展，且又不断丌发了一些 新的钢种，以下介绍几种新研制成功的双相不锈钢。 ( 1 ) s a f 2 5 0 7 瑞士s a n d v i k 公司开发的高合会化耐有机酸腐蚀双相不锈钢， 基本合会成分为2 5 c r 7 n i 一4 m o 0 3 0 n ，具有很高的力学性能，也有良好的耐腐蚀 性能，其最小屈服强度可达5 5 0 m p a ，抗拉强度达到8 0 0 m p a 一1 0 0 0 m p a ； ( 2 ) y u sd x l新同本制铁公司研制的高强度高耐蚀性双相不锈钢，具有更 好的耐缝隙腐蚀和耐点蚀性能，在常温下的屈服强度是s u s3 0 4 ，s u s 3l6 奥氏体 不锈钢的2 倍，耐应力腐蚀能力比s u s3 0 4 奥氏体不锈俐强，焊接性能与常用奥 氏体不锈钢相当； ( 3 ) n a s 6 5同本冶金工业研制的超颦性双相不锈钢，具有较好的低温超塑 性成型性，且流动应力小，耐蚀性能优于s u s3 0 4 奥氏体不锈钢，其在超塑性成 形后不影响耐蚀性能和力学性能； ( 4 ) u g i m a 3 2 0 英国u g i n e s a v o i e 公司丌发的易切削双相不锈钢具有很高 的强度、耐腐蚀性能和机械加工特性，特别适于化工厂和造纸厂接触酸和氯化物 等恶劣腐蚀环境用的部件； ( 。5 ) 韩国专利公开的一种双相不锈钢，它具有优越的热塑性、耐腐蚀性、抗 高温氧化性能和冲击韧性，其主要成分为：c r2 2 2 7 、n i 5 o 8 0 、m o 2 0 5 o 、 w 2 o 5 o 、c u 小于2 0 、n o 1 3 一0 3 0 ，适用于海洋设施【3 】。 目前世界上双相不锈钢的年产量不高( 大约占不锈钢总产量的1 ) 。自19 9 0 年以来，双相不锈钢的年增长率已接近1 7 ，年产量从1 9 9 0 年的2 4 万吨增加到 2 0 0 2 年的1l 万吨。其产品分布为热轧板占7 2 ，冷轧板占14 ，无缝钢管占8 ， 其他占6 。国外对双相不锈钢的研究与丌发非常活跃，无论从生产、加工还是应 用都已比较成熟【1 5 1 7 1 。 1 2 4 双相不锈钢的应用情况 双相不锈钢的实用化已有2 0 多年的历史，特别是当代超低碳含氮双相不锈钢 2 2 0 5 舣相不锈钢的高 扁变形过科及其机理研究 克服了焊接方面的一些问题，结合双相不锈钢所具有的时局部腐蚀和综合力学性 能好的一些优点【l 引，为焊接结构材料的大量推广应用创造了有利条件，近l o 年市 场销售量增加很快，加之随着超级双相不锈钢的步入市场，扩大了在一些苛刻介 质中的应用，使双相不锈钢的应用范围不断拓宽，同时积累了不少实际使用经验， 为双相不锈钢的选用和新钢种的开发进一步创造了条件。双相不锈钢主要应用于 以下领域： ( 1 ) 中性氯化物环境 双相不锈钢在化学工业中应用广泛，特别适用于有可能产生局部腐蚀的环境， 在化学工业中经常使用含有少量氯离子的淡水作为冷却水【9 】，导致在使用3 0 4 l 、 31 6 l 等奥氏体不锈钢时会产生应力腐蚀破裂的危险，这方面的损坏例子是相当多 的，而双相不锈钢f 是可以代替常用奥氏体不锈钢来解决这个问题，尤其适用于 由空蚀引起的应力腐蚀破裂的场合，可以说，在诸多的应用当中双相不锈钢在这 方面的应用是首要的。 ( 2 ) 石油和天然气工业 2 0 世纪，8 0 年代以柬双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多，主要用 作生产管衬旱、近海和岸上的管道系统以及热交换器等，尤其在天然气的生产中， 固溶态和冷加工态的双相不锈钢大多面临的是含有大量c 1 、c 0 2 和一些h 2 s 的环 境，即所谓的酸性环境2 0 , 2 1 】。在含c l - 的湿c 0 2 环境中。，双相不锈钢是二个理想 的材料，可附高流速的磨损腐蚀，能够代替加缓蚀剂的管线钢使用，用于井上管 道系统，减少可观的材料重量。 ( 3 ) 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有3 0 年的历史了，3 r e 6 0 双相不锈 钢最早就是在这一领域起步应尉的。主要是利用双相不锈钢良好的力学性能、耐 磨损腐蚀和空泡腐蚀、耐腐蚀疲劳以及耐应力腐蚀等特长，制造纸浆和造纸工业 用的l 日j 歇式和连续式纸浆蒸煮器、木屑预蒸器、造纸压力滚筒机和回收设备等， 都取得了良好的使用效果。 ( 4 ) 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 时，使其腐蚀电位增加，因之也增加了缝隙腐蚀和产生空蚀的危险性。对于热海 水介质，微生物层的增厚会导致海水热交换器的热效率降低。早在上世纪7 0 年代 同本开始使用3 2 9 j l 和n t kr 4 ( 0 0 c r 2 5 n i 5 m 0 1 5 2 5 含n 或不含n ) 双相不锈钢 制造海水冷却器管束，部分代替铝黄铜管。随后国内外陆续开发出许多耐热海水 腐蚀的新钢种，目j 订就热海水用钢而言，大多数是使用2 5 c r 一3 m o 型的双相不锈钢， 超级双相不锈钢有更好的使用效果。 除此之外，炼油工业也是双相不锈钢使用较多的领域之一，化肥工业中应用 6 硕十子：伊论文 双相不锈钢的事例也在逐渐增多，由于双相不锈钢在某些介质条件下能够满足工 程经济性和耐腐蚀性能的要求而应用于能源与环保工业中，轻工和食品工业、石 油化学和化学工业以及高强度结构件中也越来越多的使用双相不锈钢。 1 。3 双相不锈钢的性能特点及分类 根据两相组织的特点，通过j 下确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈 钢所具有的优良韧性和焊接性能与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯离子应 力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。 j 下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，上世纪 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 相不锈钢有以下性能特点【2 2 , 2 3 ： ( 1 ) 含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯离子应力腐蚀性能。一般用在 6 0 。c 以上中性氯化物溶液中的3 0 4 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、蒸发器等设备存在 着产生应力腐蚀破裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力； ( 2 ) 含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在有相同的孔蚀抗力当量值 ( p r e = c r + 3 3 m o + 16 n ) 时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位 相仿。含l8 c r 的双相不锈钢的耐孔蚀性能与a i s i3l6 l 相当。含2 5 c r 的，尤 其是含氮的高铬超级双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了a i s i3l6 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 作阀、泵等设备； ( 4 ) 综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是3 0 4 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 3 0 4 型奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接： ( 6 ) 含低铬( 18 c r ) 双相不锈钢热加工温度范围比3 0 4 型奥氏体不锈钢宽， 变形抗力小。可不经过锻造，直接轧制丌坯生产钢板。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3 0 4 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j 能变形； ( 8 ) 与奥氏体不锈钢相比，线膨胀系数小，导热系数大，适合用作设备的衬 里及生产复合板，也适合用制热交换器的管芯； ( 9 ) 仍有高c r 铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜在高于3 0 0 。c 的工作条件 下使用。双相不锈钢中含c r 量愈低，g 等脆性相的危害性也愈小。 按化学成分，国内外的双相不锈钢通常可分为低合会型、中合会型、高合金 2 2 0 5 舣相不锈钢的高滞变形过样及其机理研究 型和超级双相不锈钢型，分别对应于以下4 类1 2 4 j ： ( 1 ) 不含m o 经济型双相不锈钢主要成分为2 3 c r 、4 n i 、0 1 n ，如u r 3 5 n 、 s a f 2 3 0 4 双相不锈钢等。经济型双相不锈钢在许多场合下尤其在耐应力腐蚀方面 可代替a i s i3 0 4 或3 l6 奥氏体不锈钢使用，是费效比最好的不锈钢钢种，抗点蚀 当量p r e n 值为2 4 2 5 ； ( 2 ) 标准双相不锈钢主要成分为2 2 c r 、5 n i 、3 m o 、0 1 7 n ，为了改 善在富含氯化物酸性介质中的耐蚀性能，抗点蚀当量p r e n 值为2 9 3 6 ，取代奥氏 体不锈钢3 1 7 l 、3 1 7 l n 等； ( 3 ) 高级双相不锈钢主要成分为2 5 c r ，并添加了不同含量的合余元素m o 、 w 、c u 、n 。抗点蚀当量p r e n 值为3 5 3 9 ，如双相不锈钢u r 5 2 n 、d p 3 ，这类钢 的耐蚀性能高于2 2 c r 的双相不锈钢； ( 4 ) 超级双相不锈钢主要成分为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 、s a 2 5 0 7 等。抗点蚀当量p r e n 值为 4 0 。针对海 洋、化工和石油工程设计，可适用于苛刻的介质条件中，具有良好的耐蚀与力学 综合性能，与超级奥氏体不锈钢可相媲美。 表1 1 所示为国内外双相不锈钢的主要牌号。 表1 1 国内外双相不锈钢的主要牌号 1 4 双相不锈钢的相 双相不锈钢的性能与钢的组织，特别是铁素体( c c ) 与奥氏体( 丫) 之间的相比例( 或 不锈钢的相组成) 有非常密切的关系，而双相不锈钢相比例主要由钢的化学成分来 决刘2 5 , 2 6 】。 1 4 1c r 当量$ 1 ：l n i 当量 早期为了研究钢的化学成分对焊缝会属组织的影响【2 刀，得到了s c h a e f f i e r x h 图 1 2 8 1 ( 图1 2 ) 。此相图后来又推广应用于可变形的双相不锈钢中 2 9 】。s c h a e f f l e r 相图中 硕十。子：何论文 ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼鼍曼曼i i iiiiiii ii i o 曼苎! 曼! 曼! 曼曼! 曼曼! ! ! 曼! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼 把钢的主要合金元素分为二类： a 促进形成奥氏体相的合金元素称为奥氏体形成元素，主要为n i ，n ，c ，m n ，c o 在占 于； b 促进形成铁素体相的合金元素称为铁素体形成元素，主要有c r ，m o ，a i ，s i ， t i ，w ，n b 等。 各合金元素形成c c 相和y 相的能力分别以c r 当量* n n i 当量的当量系数来加以表 征。假定n i 币l l c r 本身的当量系数为1 ，则相对于c r 形成0 【相的能力, h n i 形成丫相的能力 就定义为该元素的当量系数。 实际表明，当采用s c h a e f f i e 公式计算铬当量，而采用d e l o n g 公式计算镍当量时， 贝, i j c r n i 双相不锈钢中铁素体的计算含量与实际含量能较好地吻合，即： 0481 21 62 02 42 83 23 64 0 c r 刍- 图1 2s c h a e f f i e r 丰n 图 c r 当i = c r 十m o + 1 5 s i + 0 5 x n b ( 1 - 1 ) n i 当l = n i + 3 0 ( c + n ) + 0 5 x m n ( 1 - 2 ) 若令p = c r 当量n i 当量时，如前所述则p 值称之为当量比，当量l l p 值是决定双相 不锈钢中相比例的主要参数。 根据式( 1 1 ) ，( 1 2 ) ，将双相不锈钢中的主要化学元素表1 2 加以计算，便可得出 目前常用c r ，n i 双相不锈钢在s c h a e f f l e r 耷l t 图中的大致位置，从而判断出钢中0 【、y 两相的量。例如：根据双相不锈钢2 2 0 5 主要元素的化学成分质量百分数计算出c r 当量并口n i 当量为： c r 当量= 2 5 1 5n i 当量= 1 0 9 在图中标出其所在的位置，如图1 2 。则可以看出2 2 0 5 双相不锈钢中q 、y 两相的量， 0 【相占4 0 4 5 左右。 9 勰m 加m 眩 8 4 o 抓一z 2 2 0 5 舣相不锈钢的高漏变形j 寸f li 及其机珲研究 表1 22 2 0 5 双相不锈钢室温下的化学成分( w t ) 1 4 2 合金元素在两相中的分配 在一定温度下，c r n i 双相不锈钢的中合金元素在a ，y 两相中的分布将达到平 衡。一般来讲，双相不锈钢的铁素体相中富集铁素体形成元素，而奥氏体相中则 富集奥氏体形成元素。随固溶温度的不同，不仅a 、丫两相比例发生变化，而且合 会元素在两相中的分配也产生变化，双相不锈钢中的氮元素主要存在于奥氏体( y ) 中。双相不锈钢两相中化学成分分配上的差异，除固溶处理外，还与该钢的本质 相比例( 本质相比例仅与c r n i 之比值p 有关) 。当双相不锈钢以奥氏体为基体时，即 铁素体含量相对较低时，钢中铁素体相的化学成分与钢中的平均成分之间的差别， 就要比钢中的