不同冶金方法测定双相不锈钢中的二次相析出

1、冶金分析,2010,30(1:12 16M etallur gica l A na lysis,2010,30(1:12 16文章编号:1000-7571(201001-0012-05不同冶金方法测定双相不锈钢中的二次相析出Calliari I,Ramous E,Brunelli K(帕多瓦大学化工过程系(DPCI,via M arzolo 9,意大利帕多瓦 35131摘 要:双相不锈钢(DSS的铁素体 奥氏体微观结构将良好的机械性能及抗腐蚀性能结合于一体,并且价格也非常具有竞争力。DSS 的一个典型性质是其较高的抗点蚀性,这一特性使DSS 适用于苛刻环境下的结构应用。然而,DSS 的应用受限

2、于危险金属相结构的易感性,从而对其冲击韧性和耐腐蚀性产生不利影响。此析出现象引起了人们的极大关注,并且不同析出次序( 相, 相和碳化物也已被相继提出。本文综述了有关二次相形成的研究,并对最常用分析方法进行比较。对这些析出在连续冷却和等温处理(以定义时间和次序条件下进行了考察。关键词:双相不锈钢;二次相;析出;显微方法中图分类号:T N16 文献标识码:A收稿日期:2009-06-28作者简介:Calliar i I,女,助理教授,主要从事不锈钢及金合金的相变、金属发现物(起源、工艺的考古研究以及表面硬化和表面技术的研究;E mail:ir ene.calliariunipd.it双相不锈钢(D

3、SS由几乎等量的奥氏体和铁素体组成1,因此具有良好机械性能和抗腐蚀性。由于双相钢比奥氏体钢含有更多的Cr 和Mo,并且这些元素在铁相中有较高的扩散率,因此在金属相间双相钢对析出有更高的灵敏度。在450900 下,这些钢材更易形成二次相2。 相是一个坚硬而易脆的非磁性金属相,具有较高的Cr 和M o 含量,影响了高温和室温条件下的延展性。一些研究者认为 相析出比 相3所需的时间更短、温度稍低,不过这方面的研究还不够充分。 相也被认为是一个亚稳态相,扮演着前 相的角色。在形成这些相时,所需的温度取决于钢的成分和加热过程。通常来说,相析出通过一个成核过程在铁素体/奥氏体连接边界发生。这些析出物对钢的

4、韧性和耐蚀性会造成极大负面影响。测定低含量的 相关相与一个正确程序的合适定义是有关的,因为制造或焊接DDS 的要求为 自由的金属相!,这也许是太严格了。二次相析出次序的测定对定义溶解处理后的最低冷却速率起到了一个重要的作用。一个极低的冷却速率可以确定由表面到核心的不同显微结构,尤其对大型钢条而言,表面的二次相量很少但核心中的量却很大。因此,为了避免或限制核心处形成析出物,冷却速度应该严格测定。一般来说,钢材的脆裂性主要取决于 相的形成,但也同时受其他金属相,如 相、R 相以及碳化物和氮化物的影响2。尽管已经证明某一相(如: 相的含量可以超过5%10%,但此时双相钢的韧性值已降到很低,以至于不能

5、应用到实际中,并且析出物早期的一些特性还不清楚。本文介绍了市售的DSS SAF 2205二次相形成的有关结果,以及连续冷却和等温处理过程中析出的检测。该研究的主要目的是为了探测在不同热况环境下析出的次序,并比较不同的析出分析方法。1 实验部分所用材料为固溶退火状态(1050C,30min,W.Q.下的一种锻造SAF 2205杆(30mm。所用材料的成分如表1所示。退火样品的等温时效处理温度为780900 ,时间为5120min 。我们选择了相对较短的时间来检测低量的二次相,以考察它们的析#12#Calliari I,Ramous E,Brunelli K.不同冶金方法测定双相不锈钢中的二次相析

6、出.冶金分析,2010,30(1:12 16出动力学。在氩气氛围中,利用法国Setaram公司的Labsys TG仪器进行连续冷却试验。选取的样品直径为6mm,长度为8mm,在1020 和1050 下固溶处理5min后,在氩气氛围中冷却,冷却速率为0 020 4 /s。用Ber aha试剂在室温下蚀刻10s后,用光学显微镜(放大倍数为200倍分析测定铁素体和奥氏体在溶解处理样本的体积分数。表1 SAF2205的化学成分Table1 C hemical composition of SAF2205w/%元素Element C Si M n Cr N i M o P S N Cu W Fe 含量C

7、ontent0 030 561 4622 755 043 190 0250 0020 160 bal根据原子序数对比效应,不同的相可以通过未侵蚀样品的扫描电子显微镜,用背散射电子(BSE信号去鉴定。在这种比对效应下,铁素体显得比奥氏体略暗些,而二次相则比较亮些。利用SEM BSE显微照片(10画面,1000倍的图像分析软件可以测定出二次相的数量,进而确定每种相对于总体积分数的贡献率。SEM在25 kV下操作,设置BSE探测器使原子序数对比值最大化,从而可以识别铁素体、奥氏体和二次相。相的化学成分通过扫描电子显微镜 能谱仪(SEM EDS在未侵蚀样品上进行测定。二次相的数量也可以用光学显微镜映像

8、分析在不同试剂侵蚀后进行定量。试剂性能通过用相同试剂侵蚀不同样品以及不同试剂侵蚀同一样品进行详细考察。所用的试剂包括M urakami4(10% K3Fe(CN6和10%KOH的水溶液,Groesbeck 5(4%KM nO4和4%NaOH水溶液和电解浸蚀液(浓氨水,3 5L,室温。在等温时效处理后,制备出标准形(101055m m3的夏比V型冲击试样。在室温下做冲击试验,并且用载重量为0 3kg的维氏硬度计进行硬度测定。2 结果与讨论溶解处理的材料为带状结构,在纵断面上有细长的岛,而在横剖面上有各向同性的铁素体与奥氏体颗粒,不过没有检测到二次相。铁素体与奥氏体的体积分数分别为(49%4%和(

9、51%4%,这也是固溶退火样本的典型数值。2 1 扫描电子显微镜 能谱仪(SEM EDS分析2 1 1 等温时效处理 从等温时效样本的SEM EDS图片中可以看到,铁素体和奥氏体呈现在背景中,铁素体比奥氏体略暗些。第二相以小的亮区显现, 相比 相略亮一些。析出次序概述如下:780 时效处理:在30m in时效后,第一个析出物出现。40min后,析出越发明显。通过SEM EDS检测,这些明亮的小粒子被认定是 相,恰好在光线分辨限度之内。850 时效处理:大约10min,chi相出现,而 相则在20min后出现,30m in后 相和 相同时出现: 相总是在!/和!/!的边界处,而 相嵌入铁素体或沿

10、/!的边界生长。900 时效处理:在这一温度下,最先出现是 相,装饰了晶界。随着时间的增加, 相的数量也逐渐增加,并且 相也以较粗析出物的形式在/!边界处出现,不过其渐变成铁素体。尽管一开始 颗粒的数量比 相颗粒少很多,不过它们较为粗糙且成长极快,很快就达到了几乎一样的体积分数。随着停留时间的增加, 相长成较大的颗粒,并从边界向铁素体转移,一些小的 颗粒镶嵌其中。这些结果似乎表明 相向 相的转化发生在900 时。二次相的数量与处理时间(温度为900 之间的关系如图1所示。2 1 2 连续冷却 连续冷却后相的形态与等温时效实验的观察结果非常相似(在等温时效试验中,析出出现在!/晶界,尤其是在三相

11、点,而二次相的形成顺序似乎是不同的。在最高溶解温度时,二次相的总数量较低,并且取决于冷却速率和溶解温度,这与文献6表达一致。当获得含量为0 2%的 相时, 相形成的绝对冷却速率是0 35 /s。当冷却速率降低, 相含量逐步增加,大约在0 10 15 /s时,小 相颗粒就会出现。因此, 相形成的冷却速率比 相低。03 /s是满足普遍接受的韧性需求的最低冷却速度。2 2 光学显微镜将样品在不同侵蚀溶液(M urakami,Gro es#13#Callia ri I,Ramous E,Brunelli K.Differ ent metallurg ical metho ds fo r measur

12、ing secondar y phases precipitat ion induplex stainless st eels.M etallurg ical Analysis,2010,30(1:12 16图1 采用扫描电镜(SEM和光学显微镜测量二次相(热处理温度为900 的体积分数(%比较Fig 1 C omparison between volume f ractions ofsecondary phases measured on SEM and O Mmicrographs(heat treatment at900 beck以及电解浸蚀液中处理后,通过光学显微镜图像分析可以得出第二

13、相的总量,如图1所示。使用光学显微镜,这些相并不是真的清晰可见:检测到的是腐蚀产物的图像。利用SEM BSE 方法,这些相被鉴定为是元素空间分布的结果,不确定性仅仅与光波分辨度有关。在光学显微分析中,使用相同化学试剂时chi 相和 相的响应可能并不相同,这是因为它们的化学成分有所不同(M o在chi相中的比例为12%18%,而在 相中为6%8%。当试样中二次相的含量较低时,腐蚀产物能增大边界效应,所以图片分析时高估了面积。而在900 时, 相并未被全部侵蚀,所以图片分析低估了面积。在光学显微分析中,其他的分析误差源包括孔和夹杂物,它们可能拥有与金属互化相一样的灰色外形。此外,在SEM BSE中

14、,当二次相比较亮时,孔和夹杂物则比较暗(如图2a和2b所示。上述研究结果可能暗示相比光学显微分析, SEM BSE 在检测和测定二次相数量时更为精确。图2a SEM BSE显微照片(试样在900 处理40minFig 2a SEM BSE micrograph(sample treated f or40min at900 图2b 光学显微照片(试样在900 处理40minFig 2b Optical micrograph(sample treated for40min at900 2 3 冲击韧性室温下,采用夏比冲击试验考察二次相对冲击韧性的影响。鉴于冲击韧性取决于金属相的数量和类型,我们尝试

15、找出冲击韧性与金属相体积分数之间的相关关系。图3显示了冲击能与二次相体积分数之间的关系。溶解材料的平均冲击能为250J,但二次相的含量仅为0 5%。在SEM测试中,冲击能降低至100J。当二次相的含量为1%时,冲击能降低更多,变为大约50J。当含量更高时(体积分数为1 5%2%,冲击韧性降至更低值。这与DSS普遍接受的规格一致,为了维持韧性在40 50J,二次相的体积分数需要低于1%,甚至更低。一般而言,韧性的衰退归因为 相,不过这个陈述可能并不十分精确。如果存在 相,韧性将降低,不过我们的实验结果显示,在明显 相出现之前, SA F2205钢的韧性已经降低。当只有 相(较小且不常见的颗粒被检

16、测到时,韧性的降低出现在析出出现的初期。显然地, 相对钢材的韧性来说是一危险相,不过它似乎并不影响DSS钢的脆裂性,尤其在金属相含量较低时( 相依然几乎没有。这些结果支持了Nilsson2和Gunn7关于韧性降低的假设,当时二次相还不能用常规的金相技术检测。不过,极低析出含量(大约0 5%对韧性的影响不能用金相技术进行分析。需要考察研究断裂机理,以弄清是不是这些小且不常见的金属粒子可以引起钢材的脆裂性。2 4 硬度在二次相的含量低于8%时,硬度值基本恒定为(250%10H V;当体积分数升至10%后,硬度稍有增加(290H V,见图4。考虑到 相的平#14 #Calliari I,Ramous

17、 E,Brunelli K.不同冶金方法测定双相不锈钢中的二次相析出.冶金分析,2010,30(1:1216 图3 光学显微和SEM 照片测得的冲击韧性与二次相体积分数之间的关系Fig 3 Impact toughness versus volum e fractions of secondary phases measured on optical and SEM images均硬度是800H V,只有二次相含量为10%时,其对钢材硬度的影响才开始显现,因此上述趋势可以得到证实。当二次相含量较低时,硬度并不是一个敏感的参数,这与Chen 8和Nilsson9的结论一致。 图4 硬度与二次相体

18、积分数之间的关系Fig 4 Hardness versus volum e fractions ofsecondary phases3 结论在780900 的温度范围内,检测了双相钢SAF 2205中的二次相析出,并用BSE 对比、EDS 和O M 等方法进行鉴定。结果显示,用图像分析方法检测和测定二次相含量时,SEM BSE 优于O M 。析出次序取决于冷却速率:在等温时效处理过程中, 相通常早于 相析出;不过在连续冷却过程中, 相仅在较低的冷却速率时才会出现。当金属相含量很低时(约0 5%1%,韧性降低十分明显,甚至早于 相出现。在金相技术检测中,只有放大倍数较大时(2500倍才仅有少量小

19、的 相颗粒被检测到。低的金属相含量尽管能降低钢材韧性,但却几乎不影响钢材硬度值。因此,当二次相含量较低时,硬度并不是一个敏感的参数。因此,用于检测双相不锈钢中二次相的合适技术并非一直是某一传统技术,尤其是不需要检测金属相时。参考文献:1Charles J.Super duplex stainless st eels:structur eand pr operties.I n:Pro ceeding s o f D uplex StainlessSteels '91.M ilano,Italy:Italian Association of M et allurg y,1991:151 1

20、67.2N ilsso n J O.Super duplex stainless steelsJ.M ater i als Science and T echnolog y,1992,8:685 700.3N ilsso n J O,H uht ala T ,K arlsso n L et al.Str ucturalstability o f super duplex stainless w eld metals and its dependence o n tung sten and co pperJ.M etallur gical and M at er ials T ransact i

21、on,1996,27A:2196 2208.4L opez N ,Cid M ,P iugg ali M.Influence o f phase onmechanical propert ies and cor rosion resistance o f du plex stainless steelsJ.Co rro sion Science,1999,41:1615 1631.5Johansen R J,L einum B H ,K arlsen S,et al.Duplexstainless steels measur ement of intermetallic phase conte

22、nt and the connectio n to impact to ug hness and cor ro sion resistance.In:Pr oceeding s o f Duplex 2000J.V enezia,Italy:Italian Associat ion of M etallurgy ,2000:405 414.6Chen T H,Y ang J R.Effects o f solut ion treatmentand co ntinuous co oling o n phase precipitat ion in a2205Duplex stainless ste

23、elJ.M ater ials Science and Engineering ,2001,A311:28 41.7Gunn R N.R educt ion in fr actur e to ug hness due to in termetallic pr ecipitates in duplex stainless steels.In:P roceeding s of Duplex A merica 2000J.Ho usto n,U SA :K CI Publishing BV ,299 314.8L ee K M ,Cho H S,Choi D C.Effect of isotherm

24、altr eatment o f SAF 2205duplex stainless steel o n migr atio n o f !/ int erface bo unda ry and g row th of aus teniteJ.Jour nal of A lloy s and Compounds,1999,285:156 161.9N ilsso n J O,Kangas P ,K arlsso n T ,et al.M echanical pro per ties ,micro structur al stabilit y and kinetics of phase fo rm

25、atiion in 29Cr 6N i 2M o 0.38N super duplex st ainless steelJ.M etallurg ical and M aterials T r ansactio ns,2000,31A :35 45.#15#Callia ri I,Ramous E,Brunelli K.Differ ent metallurg ical metho ds fo r measur ing secondar y phases precipitat ion induplex stainless st eels.M etallurg ical Analysis,201

26、0,30(1:12 16Different metallurgical methods for measuring secondary phasesprecipitation in duplex stainless steelsCalliari I,Ramous E,Brunelli K(Department of Chemical Engineer ing P rocesses(DPCIU niversit y of P ado va,via M ar zo lo9,Padova35131,ItalyAbstract:T he austenitic ferr itic microstruct

27、ure m akes duplex stainless steels(DSSa goo d co mbina tion o f mechanical and corro sion proper ties w ith a competitive cost.A typical pr operty of DSS is the hig h pitting resistance that makes them suitable for structural applicatio n in very ag gressive environ m ents.H ow ever,the application of DSS is limited by their susceptibility to the fo rmatio n of dang er o us interm etallic phases resulting in detrim ental effects o n im pact to ug hness and co rrosion resistance.