（材料加工工程专业论文）基于σ相的2205双相不锈钢细化晶粒的研究.pdf

硕l 。学位论文 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 ) 因其优异的耐腐蚀性和力学性能， 成为与奥氏体型、铁素体型不锈钢并列的一类不锈钢，已被公认为2 l 世纪的主流 不锈钢种，目前正越来越多地用于化学、石化、造纸和石油等工业。2 2 0 5 型双相 不锈钢是双相不锈钢中应用最普遍的一种钢种。但是，这类双相不锈钢在制造和 焊接过程中往往会因为热处理工艺不当导致6 铁素体粗大，使钢的性能恶化，直 接影响它的质量和安全可靠性。因此，对双相不锈钢特别是2 2 0 5 双相不锈钢进行 晶粒细化方法的探讨，已成为该类钢实际应用的一个重要研究方向。 本文基于c 卜n i 不锈钢中存在两种物相转变：6 _ 丫+ o ( o 化时效反应) 和丫 + o 一6 ( 反。化固溶反应) ，进行了细化晶粒的研究，设计了对原材料首先进行 预先固溶处理，随后。化时效处理以及最终固溶处理的“三步法细晶强化”热处理 工艺，利用光学显微镜( o m ) 、透射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍射分析 仪( x r d ) 等实验仪器设备，通过拉伸试验和冲击试验等方法研究了2 2 0 5 型双相不 锈钢试样在预先固溶处理、o 化时效处理和最终固溶处理三个工艺阶段的物相组成 和组织性能的变化规律，得到如下几点基本结论： ( 1 ) 预先固溶处理后，试样随着固溶温度的升高，组织中铁素体含量升高；长 条状奥氏体逐渐分解、球化，然后弥散分布在铁素体基体上；当加热温度比较高 时，奥氏体和铁素体晶粒随之长大。根据拉伸和冲击试验结果综合分析，在1 0 0 0 - - 1 l0 0 固溶处理时，材料的综合力学性能比较高。拉伸试样的微观断口以韧窝为 主要特征；冲击试样弯曲开裂，但并未完全断开，其断口呈现出拉长的韧窝、蛇 形滑动特征或是涟波、无特征区的形貌。 ( 2 ) o 化时效处理后，时效温度高时，o 相在8 3 f 相界和6 相内同时形核、生长， 并且易形成块状；时效温度低时，o 相则偏聚在6 t 相界生核，然后向6 相内生长， a 相易形成片状组织；同时，o 相的数量随着时效时间的延长而增加。4 7 5 和6 0 0 时效后双相不锈钢的强度明显提高，韧性略有降低，微观断口以韧窝为主。7 5 0 时效后强度有所提高，韧性明显降低，微观断口以解理平面为主。 ( 3 ) 反。化处理后，原来粗大的5 铁素体变得比较细小。比较不同工艺，以 1 0 5 0 x l h 预先固溶处理，7 5 0 x 3 8 ho 化时效处理和最终的加热温度为1 2 0 0 ， 保温2 m i n 的反。化处理试样中6 铁素体的细化效果最好，强度和韧性都比较高， 且其断口韧窝的尺寸、形状和分布都比较均匀。 关键词：2 2 0 5 双相不锈钢，预先固溶处理，o 化时效处理，反。化处理，显微组织， 力学性能，断口形貌 璀于。相的2 2 0 5 双丰兀不锈钉怕h 化【帚粒的研究 mmm m m m _ _ m 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 ) i so n eo fh i g hp e r f o r m a n c es t r u c t u r a lm a t e r i a la s i t se x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i tb e c a m et h em a i n s t a i n l e s ss t e e lo ft h e21 s tc e n t r y n o w , m o r ea n dm o r ed s s sh a v e b e e na p p l i e di n c h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a l ，p a p e ra n dp e t r o l e u mi n d u s t r i e s 2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e li s n o r m a l l yt h em o s tu s e f u l l h o w e v e r , t h eh i g hp e r f o r m a n c eo f t h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l i sr e l a t i v e ，i nt h em a n u f a c t u r i n ga n dw e l d i n gp r o c e s s ，b e c a u s eu n w a r r a n t a b l eh e a t t r e a t m e n t sc a u s et h ec o a r s e6f e r r i t e ，m a k et h ep r o p e r t yg ot ot h eb a d ，a n dd i r e c t l y a f f e c tt h em a t e r i a lq u a l i t ya n ds a f er e l i a b l ea p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fg r a i n r e f i n i n gw i l lb e c o m eak e yd i r e c t i o ni nt h et h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l t h em e t h o dt or e f i n et h eg r a i ns i z eo f 2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw a si n v e s t i g a t e d t h r o u g hot r e a t m e n ta n da n t i o - t r e a t m e n t t h ef o l l o wi st h et h ep r i n c i p l eo fr e f i n i n gt h e g r a i ns i z e ：ot r e a t m e n t6 丫+ oa n da n t i - o - t r e a t m e n t 丫+ o 一6 t h em i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e la f t e rd i f f e r e n th e a tr e a t m e n t sw e r e i n v e s t i g a t e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o nm 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 ，t h et e n s i o nt e s ta n di m p a c tt e s t ( 1 ) t h er e s u l t sa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n ta r ea sf o l l o w ：w i t h t h eh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r eh i g h ，t h ec o n s t i t u e n tc o n t e n to ft h ef e r r i t ep h a s ei n c r e a s e ；t h es t r i p s h a p e d a u s t e n i t ep h a s eg r a d u a l l yd e c o m p o s e s 、s p h e r o i d i z e s ，t h e nd i s t r i b u t e si nt h ef e r r i t e p h a s e s ；w h e nt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e i sq u i t eh i g h e r , t h eo r g a n i z a t i o nh a st h e r e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h e nt h ec r y s t a lg r o w s a c c o r d i n gt ot h et e n s i o nt e s ta n dt h ei m p a c t t e s t sr e s u l t s w h e nt h e t h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ew a s 10 0 0 - 110 0 ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e la r eq u i t es t a b l e a f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n t sf r o m9 0 0 。ct o12 0 0 。c ，t h ep r i n c i p a lc h a r a c t e ro ft h ef r a c t u r ew a st h e d i m p l e ，t h es p e c i m e nh a st h eg o o dr e s i l i e n c e ，t h eb a l l i s t i cw o r ki sa b o v e2 7 0 j ，t h e s p e c i m e ni sc u r v i n g ，b u tn o tb r o k e n ，t h em i c r o s c o p i cf r a c t u r ep r e s e n t st h ee l o n g a t e d d i m p l e 、t h es n a k e - s h a p e dg l i d e c h a r a c t e r i s t i co rt h er i p p l e ，t h en o n - c h a r a c t e r i s t i c a r e a s ( 2 ) a f t e rc - a g e i n gt r e a t m e n t ，w h e nt h ea g i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h ，o p h a s ea t6 丫 p h a s eb o u n d a r y a n d f i - p h a s e w i l l n u c l e a t e ，g r o w , a n de a s i l y f o r mm a s s i v e t e x t u r e w h e nt e m p e r a t u r ei sl o w , op h a s ew i l lf o r ms e g r e g a t i o na tt h e6 丫p h a s e b o u n d a r yf o rn u c l e a t i o n ，t h e ng r o wi n t h ef i - p h a s e ，a n do - p h a s ew i l le a s i l yf o r m l a m e l l a rs t r u c t u r e s ；m e a n w h i l e ，a st h ea g e i n gt i m ei sl o n g e r ，t h eq u a n t i t yo fo p h a s e u w i l li n c r e a s e a g e i n ga tt h et e m p e r a t u r eo f4 7 5 a n d6 0 0 m a k e sr e m a r k a b l er i s eo f t h es t r e n g t h ，b u tl e s sd e c r e a s eo ft h ep l a s t i c i t y t h ed i m p l e sa r ef o u n d o nt h ef r a c t u r e s u r f a c eo fs p e c i m e n s a g i n ga t 7 5 0 m a k e sr i s eo ft h e s t r e n g t h b u tl e a d st h e s i g n i f i c a n td e c r e a s eo ft h ei m p a c tp r o p e r t i e s ，t h ef a c e te x i s t so nt h ef r a c t u r es u r f a c e ( 3 ) a f t e ra t i ot r e a t m e n t ，t h es a m p l e sa r eh e a t e da t12 0 0 cf o ram i n u t et om a k e c o a r s e6f e r r i t er e f i n i n g 。t h r o u g hs o l u t i o nt r e a t m e n ta t 10 5 0 cf o rlh ，a n da g e i n ga t 7 5 0 cf o r3 8 h ，t h e n1 2 0 0 。cr a p i dh e a t i n ga n t i ot r e a t m e n tf o r2m i n u t e s ，t h er e s u i t so f g r a i nr e f i n i n gi sb e s t ；t h es t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yi sb e t t e r ；a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h e s a m p l e sa r ep e r l e c t ；t h es i z e ，s h a p e ，a n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i m p l ei su n i f o r m k e yw o r d s ：d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ； f o r e s o l u t i o nt r e a t m e n t ；ot r e a t m e n t ；u n t i ot r e a t m e n t ： m l c r o s t r u c t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ：t h ef r a c t u r em o r p h o l o g y 1 1 1 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：名1 缸 醐：甲6 盯帅 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： 导师签名： 别毛 易勃 日期：叫年 日期叫年 6 月t o 日 f 月即日 硕i j 学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章文献综述 双相不锈钢是不锈钢的一个重要分支。随着不锈钢应用范围的不断扩大，双 相不锈钢的研制越来越受到各国的重视，其作为一种结构材料具有很大的发展潜 力。2 0 世纪8 0 年代初，在首届双相不锈钢国际会议上，专家指出，双相不锈钢的 发展和应用十分迅速，它已成为与奥氏体型、铁素体型不锈钢并列的一类不锈钢； 在不锈钢的牌号子列中，双相不锈钢的地位已经确立，并且无论在化学成分、性 能以及设计、加工制造等方面都已经进入相当成熟的阶段，它被公认为2 1 世纪的 主流不锈钢种【l 2 】。 我国是一个缺镍少铬且不锈钢废钢资源匮乏的国家，不锈钢产量的快速增加 必然会加剧原材料等资源供应的紧张状况【3 】。因此，扩大铁素体不锈钢、双相不锈 钢以及含氮不锈钢则应用范围和比例，成为我国不锈钢发展的主要趋势。在美国、 欧洲、日本等发达国家和地区，双相不锈钢的使用已经家喻户晓，且在经济、能 源、环保等多方面发挥着重要作用。目前，双相不锈钢在我国也开始广泛使用和 发展【4 1 。 2 2 0 5 双相不锈钢是双相不锈钢中应用最普遍的一种钢种，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亦优于奥氏体钢；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 和防腐蚀衬里；其导热系数比3 1 6l 约高出3 0 ，有利于制造换热设备；此外，2 2 0 5 双相不锈钢还具有较好的低温冲击性能；此钢中加入了适量的氮不仅改善了钢的 耐点蚀和耐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；2 2 0 5 双相不锈钢高c r 低n i ，故较c 卜n i 奥氏体不锈钢的材料成本更低【7 1 。 但是，双相不锈钢的高性能总是相对的，在制造和焊接过程中往往会因为热 处理工艺不当导致金属间化合物的析出，钢的性能恶化，直接影响材料的质量和 安全可靠的应用。 双相不锈钢的性能，同铁素体和奥氏体的平衡比例有很大关系，而两相比例 在很大程度上取决于钢的化学成分、热处理温度等因素1 8 】。在化学成分已定的情况 下，双相不锈钢的两相比例和组织形态取决于热处理工艺。2 2 0 5 双相不锈钢在不 同热处理状态下两组比例差别很大，并且两相的组织形态也有差异，会直接影响 双相不锈钢的使用性能。 o 相是不锈钢在6 0 0 9 0 0 热处理过程中经常出现的一种金属间相，虽然对于 筚于6 相的2 2 0 5 双相小锈 1 q 细化品粒的硎冗 铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢而言，一些抑制6 相析出的措施已经比较有效；但对 双相不锈钢中。相的研究不仅起步比较晚，而且对其本质的认识还不够深刻【9 1 2 】。 在机械性能方面，金属间化合物a 相的析出，直接影响双相不锈钢的机械性能， 尤其是降低钢的韧性。因此，必须弄清组织变化对材料力学性能的影响因素，找 出。相的析出与材料力学性能之间的关系，为2 2 0 5 双相不锈钢在焊接加工方向的使 用提供依据。 金属间化合物作为第二相在材料中除了起到强烈的强化作用外，还能有效地 控制基体晶粒尺寸，从而起到间接的细晶强化的作用。金属间化合物。相作为双相 不锈钢中主要存在的第二相，可以用之来进行2 2 0 5 双相不锈钢铁素体晶粒细化方 面的研究。 1 2 双相不锈钢的发展历史 双相不锈钢的发展始于3 0 年代，法国1 9 3 5 年获得第一个专利，至今双相不锈 钢已经发展了三代【7 1 ，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( 0 1 c ) 。因此焊接时失去相的平衡及碳化物导致耐 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 一定限制。前苏联5 0 年代发展了含稳定化元素钛的0 8 x 2 1 h 5 t 和0 8 x 2 1 h 6 m 2 t 钢， 同时德国开放了1 4 5 8 z 钢，法国开发了u r n n u s 5 0 钢，英国研制成功了f e r r a l i u m 2 5 5 钢，还有日本在美国3 2 9 钢的基础上降低碳含量，提出了3 2 9 j 1 钢种，这些双相不 锈钢都可以作为可焊接的结构材料使用。随后至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代表钢种，其特点是超低碳，含铬量为18 ， 焊接及成型性能良好，可广泛代替a i s l 3 0 4 l 、3 1 6 l 用作耐氯离子应力腐蚀材料。 7 0 年代以来，随着二次精练技术a o d 和v o d 等方法的出现与普及，可容易地冶炼 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 的重要作用，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 3 2 0 1 。 第二代双相不锈钢不论是1 8 c r 型，还是2 2 c r 或2 5 c r 型大多属于超低碳型，已 纳入美国的a s t ma 7 8 9 和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，德国也有了纳标的系列牌号钢种。 8 0 年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代双相不锈钢，这类钢的特点是 含碳量特低，含高钼和高氯，钢中铁素体含量4 0 - - 5 0 ，此类钢与有优良的耐孔 蚀性能孔蚀抗力当量值大于4 0 t 7 1 。韩国1 9 9 6 年公开的双相不锈钢( 专利号： 9 6 1 9 0 6 2 3 ) ，具有优越的抗热塑性、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能和冲击性能。 2 硕f 。学位论文 我国自7 0 年代中期开始发展双相不锈钢，北京钢铁研究总院最早开展这方面研 究工作，研制的o o c r l8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢已纳入国家标准g b l 2 2 0 ， g b 3 2 8 0 ，g b 4 2 3 7 。另外，五二研究所在分析国内外双相不锈钢发展的基础上，研 制成功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、工艺性能和抗腐蚀性能【l5 1 。 2 0 世纪6 0 年代以来，国外对双相不锈钢已有不少的研究，例如，1 9 7 4 年前苏联 就出版了双相不锈钢，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，书中6 篇“时 效分析”方面论文，指出处理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开发了3 r e 6 0 双相不锈钢之后，针对酸 性油井井管及管线用材首先开发出的，属于第二代双相不锈钢，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 3 1 8 0 3 ；8 0 年代以后，各国相继开 发出类似钢种，并纳入标准。德国有w - n r 1 4 4 6 2 ，d i nx 2 c r m o n 2 2 5 3 ，法国有 z 2 c n d 2 2 0 5 0 3 ，瑞典有s s 2 3 7 7 ，英国有b s31 8 s 1 3 等。s a f 2 2 0 5 钢自8 0 年代初开 始用于油、气井生产，这是最早在这方面使用的双相不锈钢，中国在8 0 年代初期 开始研制相当s a f 2 2 0 5 钢的0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 双相不锈钢，它在中性氯化物溶液和 h 2 s 中的耐应力腐蚀性能优于3 0 4 l 、3 1 6 l 奥氏体不锈钢及1 8 - 5 m o 型双相不锈钢。 由于含氮，耐孔蚀性能也很好，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，使目前应用最普遍的双相不锈 钢。近期，宝钢成功生产了双相不锈钢2 2 0 5 的卷板及中板【l6 1 。 0 3 曩 争 0 1 1 9 9 1 s a f 2 5 0 7 1 9 9 4 d p 3 w d p 3 衅2 5 硼。 - 一一 u r 5 2 n - - 蛩u r 4 5 溅n - - 青 t ：c 1 、， u r 3 5 n u 站州 _- 一s a f 2 2 0 5 3 03 5 4 0 p 心吨 2 5 ( r 3 m 五c 2 2 c r 3 m o 2 3 ( r 0 m o 图1 1 双相不锈钢的发展历史 f i g 1 1 d e v e l o p m e n th i s t o r yo fd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l 1 3 双相不锈钢的分类及性能特点 根据两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈 筚= 卜。相的2 2 0 5 双相小锈t 1 钏化品粒的珂f 究 钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力 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。 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个钢类【1 7 】。双相不 锈钢有以下性能特点： ( 1 ) 含铝双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物腐蚀性能。一般在6 0 ( 2 以上 中性氯化物溶液中的18 8 型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀破裂，而双相不锈钢 却有良好的抵抗能力。 ( 2 ) 含铝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时， 双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。 ( 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。有较高的强度和疲劳强度，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，直接开坯生产钢板【1 8 l 。 ( 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，适用于作设备的衬里 和生产复合板，也适合用制热交换器的管芯。 ( 9 ) 仍有高铬铁素体不锈钢的脆性倾向，不宜在高于3 0 04 c 的工作条件下使 用。双相不锈钢中含铬量愈低，o 相等脆性相的危害性愈小【1 9 】。 表1 1 国内外双相不锈钢的主要牌号 t a b l e l 1m a i nt r a d e m a r k so fd u p l u xs t a i n l e s ss t e e lf r o md o m e s t i ca n da b r o a dc o u n t r i e s 4 硕l j 学位论文 按化学成分分类，国内外锻轧产品通常分为以下4 类： ( 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 等。经济型双相不锈钢在许多场合下可取代奥氏体不锈钢a i s l 3 0 4 ，3 1 6 ， 是费效比最好的不锈钢种，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 富含氧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3 1 7 l 、3 1 7 l n 等奥氏体不锈钢。 ( 3 ) 高级双相不锈钢主要成分为2 5 c r ，并添加入不同含量的合金元素m o 、w 、 c u 、n 。抗点蚀当量p r e n 值为3 5 3 9 ，如u r 5 2 n ，d p 3 0 。 ( 4 ) 超级双相不锈钢抗点蚀当量值p r e 4 0 的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 ，添加或不添力l l c u 或w ，如u r 5 2 ，s a f 2 5 0 7 等。专门为海洋、化工和石油工程设计，要求在含有氯化物酸等苛刻环境下有好 的耐蚀性能和高的力学性能，是6 m o 型超级奥氏体不锈钢和玻璃纤维增强塑料的 替代材料1 2 0 1 。 1 4 双相不锈钢的强化机制 高铬低镍双相不锈钢的组织由一定比例的铁素体相和奥氏体相所组成，因此该 钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的力学性能特征：既有较高的强度( 屈服强度 约为18 8 型奥氏体不锈钢的2 倍1 ，又有良好的韧性。图1 2 为钢铁材料目前的发 展状况。 早期一些学者【2 卜2 3 1 认为双相不锈钢的强度在很大程度上取决于铁素体相，而 韧性则取决于奥氏体相。近些年一些研究成果2 4 2 6 1 表明：双相不锈钢的强化机制 比较复杂，是多途径的强化方式。包括细晶粒的强化，加入置换元素的固溶强化， 加入间隙元素的固溶强化以及冷变形强化等。 两相阻止双相不锈钢的晶粒长大，以同样加工方式，同尺寸钢材的双相不锈钢 晶粒只相当奥氏体不锈钢晶粒的一半，细晶粒的钢由于晶界增多，在晶界能够锁 定位错从而使钢强化，细晶粒强化机制对双相不锈钢十分有利，在强度增加的同 时，韧性也增加。 c r 、m o 、n i 原子能够置换晶格中的f e 原子，扰乱了原来的晶格排列，也同 样使位错移动困难，使钢强化，当然，两相中不回元素的强化程度也不同。氮原 子以间隙的方式嵌入晶格内部，形成间隙固溶体，它的强化效应比置换固溶体明 显，不过氮原子主要集中在奥氏体相，直接强化奥氏体。因此，c r 、m o 、n 等诸 元素的强化作用对提高双相不锈钢的强度做出贡献。 至于冷变形强化则通过冷加工形成大量的位错和孪晶，彼此阻碍运动，使钢强 化。 毕1 1o 卡f l 的2 2 0 5 双相不锈t 1 1 钏化- 昂柁的研究 这几种强化方式使双相不锈钢获得相对较高的强度，至于双相不锈钢的较好的 韧性则更多是奥氏体相的贡献，主要表现【6 2 6 4 】在： ( 1 ) 能抑制铁素体相中已产生裂纹的继续扩展； ( 2 ) 碳、氮等间隙元素在奥氏体相中的溶解度高，与单相铁素体不锈钢相比， 高温冷却时不易析出碳氮化合物，从而能抑制晶界脆化； ( 3 ) 阻止高温加热时，如淬火时的铁素体晶粒长大。 然而，对于以铁素体为基的双相不锈钢而言，铁素体相所占比例为5 0 6 5 ， 因此，铁素体不锈钢所固有的各种脆化倾向，如4 7 5 脆性、o 相脆性和高温晶粒 长大脆性等也都会在双相不锈钢中有所反映，只是由于奥氏体相的存在，其脆化 倾向较铁素体不锈钢小。 图1 2 钢铁材料强度的发展 f i g 1 2t h ed e v e l o p m e n t o ft h es t e e l s s t r e n g t h 1 5 双相不锈钢晶粒细化研究现状 金属材料晶粒越细，室温强度越高，韧性也越好。因此细化晶粒是控制结构 用金属材料组织的最重要、最基本的方法。通常钢铁材料的晶粒直径约为数百j a m 至l o l - l m 。目前，实际应用的成块材料可获得的最细铁素体组织约为5 p m 。 如图1 3 所示，获得细晶的方法有：利用相变和再结晶的热处理( 或形变热处 理) ，钢液超速急冷，机械合金化( 或机械碾磨) ，超细粒子烧结，以及非晶晶体化 等特殊工艺方法。但是后面几种方法可以获得纳米尺度的超细组织，但受形状限 制，目前尚难以生产出大型结构材料。 6 硕i 学他论文 1 m m1 0 0 u r n 1 0 u m 1 u i l l 1 0 0 n m1 0 h m , l i l 普通块状结构材料 ( 成块材料) 快速淬火 i 形变热处理等 厂相酮 l 再结 超细粒子烧结 机械合金化 非晶形再结晶 图1 3 用不同方法获得的晶粒的尺寸 f i g 1 3g r a i ns i z es o b t a i n e db yv a r i o u sm e t h o d s 1 5 1 合金化技术细化晶粒 通过对钢材料合金化也可以有效地细化晶粒。其原因可分为以下两种情况： 一是一些固溶合金化元素( w ，m o 等) 的加入提高了钢的再结晶温度，同时降低 了在一定温度下晶粒长大的速度；二是一些强碳化物形成元素与钢中的碳或氮形 成尺寸为纳米级的化合物，它们对晶粒的长大起到强烈的阻碍作用，并且这种纳 米级的化合物所占的体积分数为2 时，对组织的细化效果最好。 1 5 2 形变热处理细化晶粒 形变热处理( t m c p ，t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ) 有多种工艺方法，而工 业上最为成功是控制轧制、加速冷却。提到t m c p ，往往是指控制轧制、加速冷却。 近年来，形变热处理工艺已日趋成熟，正在大力开展大型钢材获得1 斗m 或更细 的超细铁素体晶粒的试验研究，并以实验室规模获得了小于1 “m 的超细晶成块材 料。使形变加工与热处理加工巧妙结合的形变热处理对晶粒细化极为有效。如图 1 4 所示，对于形变热处理法，其形变加工的作用大致有2 种，一种是对相变前母相 的形变加工，增大形核速率，起细化相变产物的作用。目前低碳钢的控制轧制就 是利用这种作用的实例。另一种是对相变后产物的形变加工，随后通过退火，使 之发生回复、再结晶，以细化组织。此外，还有近年来盛行的大变形量加工，使 组织分割断裂和细碎化的物理超细化法。 田1 4 形变热处理时形变( 加工) 对晶粒细化的= 个作用 f i g 1 4e f f e c to fd e f o r m a t i o nd u r i n gt h et m to n g r a i nr e f i n e m e n t 7 53 相变、再结晶细化晶粒 & $ + 霜 围1 5 通过形棱和核长大进行相变和再结昌的过程 f i gl5c a u s e so fp h a s et r a n s f o r m i n ga n dr e c r y s l a l l l z i n g 十目变、再结晶细化品粒的原理如图15 所示，扩散刮相变和再结品等通过原子 扩散发生的同态反应足通过新相形核和随后的核蚝大进行的。反应结束后，在高 温长时间停留，会发生晶粒长人。因此，为通过帽变和再结晶获得细晶，必须使 反应剐结束时的组织尽量细小，并尽可能抑制随后的晶粒长大。 l53l 相变、再结晶结束后的晶粒大小及其细化方法 在反应依靠新相形核和核长大进 r 的情况下相变r 再结品1 刚结束时的品牲大 小决定于形核速率i 和核长大速率g 。例如，反府按 x = 1 一e x p ( ( 丌3 ) 埘3 t 4 ) ( j o h n s o n m e h l a v r a m i )( 1 6 ) 式进仃时，反应刚结束时的、p 均粒径d 可以f 止我1 i ： d = 0 9 1 ( g ，1 7 4 ( 卜7 ) 式( 1 7 ) 表明，为使d 减小，u j 增大i 或减小g 。m 此u r 见获得细品的重要因素 为： ( 1 ) 增加形核位置的密度n ( 增大i ) ， ( 2 ) 增大驱动力a g ，( 增大i ) ； ( 3 ) 减小界面的迁移率m ( 减小g ) 。 寰1 2 相变、析出和再结晶的优先形核位量和驱动力 t a b l e l 2p r e f e r e n t i a ln u c l e a t i o n s i f oa n dd r i v i n g f o c eo f p h a s e t r a n s f o r m a t i o n ，p r e c i p i t a t i o n 坝卜孑：位论文 迁移率m 会因钢中杂质和合金元素的拖曳效应而减小。可以认为，m 大致决 定于钢的成分。因此，在以现行热处理和形变热处理细化组织时，主要通过增大 形核速率i 的( 1 ) 和( 2 ) 来达到目的。相变( 析出) 和再结晶的优先形核位置与驱动力 归纳于表1 2 。 相交时，优先形核的位置是母相中的晶格缺陷( 晶界、位错、夹杂物( 第二相) ) 。 而形核驱动力则源于化学自由能差，是过冷度的函数。作为细化方法的具体例子， 低碳钢奥氏体( 丫) 一铁素体( q ) 相变时的a 晶粒细化可归纳为图4 所示的4 种方法： 细化母相t ； 使加工硬化状态的丫转变； 使较粗大( 约1 p m 以上) 的夹杂物和析出物在母相丫晶粒内弥散分布； 增大冷却速度。 法是增加表1 2 所示的仅相变的形核位置，是增大过冷度，从而增大 形核驱动力。其中加工硬化状态丫的相变对于细化a 晶粒最为有效。 通过再结晶获得细晶时，必须增大形核位置密度和驱动力。再结晶的优先形 核位置处于不均匀变形区域，具体地说是在晶界旁，晶粒内的形变带和粗大( 约l 肛m 以上) 夹杂物等第二相近旁，等等。据此可将获得细小再结晶晶粒的方法归纳为： 减小初始晶粒； 增大加工程度( 压下量) ； 降低加工温度； 、 使较粗大夹杂物或第二相弥散分布。 、是增加形核位置，主要是增大驱动力( 加工硬化强度) ，而对于增大 压下量的，由于同时增加了形核位置密度和驱动力，因此是细化再结晶晶粒的 最重要因素。 娌相支的，苣棱位置增多， 妙 冷却速度增大【虹相交的驱动办增大 图1 6 四种在丫_ 旺相变过程中细化a 量粒的方法 f i g 1 6f o u r m e t h o d s f o r r e f i n i n g c t g r a i n d u r i n g y - - c t t r a n s f o r m a t i o n 9 珐于。孝i i n 勺2 2 0 5 双_ f 日不协t l q 钏化品粒的硼j z 1 5 3 2 抑制晶粒长大 晶界移动速度可用晶界迁移率和晶界移动驱动力的乘积来表示。由于添加了 合金元素和存在杂质元素，导致晶粒长大变慢。其作用有二个方面：( 1 ) 固溶( 杂质) 原子的拖曳( d a r g ) 效应和( 2 ) 析出物( 夹杂物) 的钉扎( p i n n i n g ) 效应。 拖曳效应是固溶合金原子和杂质原子在晶界偏聚，晶界在拖曳这些原子时使 之移动，从而使晶界移动减慢的现象。 析出粒子( 夹杂物) 对晶界移动的钉扎效应是实际组织控制经常利用的重要现 象。钉扎力与晶界移动方向相反析出物产生的钉扎力并不大，但由于晶粒长大的 驱动力很小( 半径1 0 r t m ，约1 j m 0 1 ) ，因此抑制晶粒长大的效果仍较明显。 1 6 双相不锈钢中的。相 1 6 1 双相不锈钢中。相析出的机理 0 7 0 0 p 锚 露6 0 0 釉o 4 0 0 o假如 1 0 0 c r ，匡量) 图i 7f e c r 系部分状态图 1 根据库克和琼斯数据；2 根据威廉斯和帕克斯顿i3 体心立方固溶体在存在时的离析区 。相( 脆性相) 是由b a i n 和g r i f f i t h s 于1 9 2 7 年首次发现的。根据k u c k 和j o n e s 的研 究，在纯f e c r 合金中。相的存在范围为2 6 - - 7 0 c r 。在w i l l i a m s 和p a x t o n 的著作中 【3 l 】提出了关于在更宽广的范围内形成。相的假设。如图1 7 。 o 相具有可变化的成分( 约4 5 c r ) ，并且近似于f e c r 化合物的组成。根据 b e r g m a 和s h o e m a k e r 的研究，这种相具有正方晶格，晶胞内有3 0 个原子，晶格常数 为a = 8 8 0 0 埃；e = 4 5 4 4 埃按照d i c k i n s ，d o u g l a s 和t a y l o r 的研究，o 相的组织类似 于1 3 铀的组织，后者也是一种硬而脆的相。o 相在室温下是无磁的，在零下温度具 有居里点，亦即具有铁磁性。 在各国，对不锈钢中。相的成分和形成条件进行了许多研究。从图1 7 f e c r 系 1 0 硕f 。学位论义 状态图上可以看出，存在a + g 双相区的温度范围是5 5 0 - - - 8 2 0 。 硅、镍、锰、钼和钛的存在能使。相区扩大，并且不仅扩大形成。相的铬浓 度区间，而且也扩大其形成的温度范围。在a 一双相不锈钢中，这种情况表现得尤 其明显，在双相不锈钢中a 相是从的铁素体组分中形成的，因为铁素体中铬及其它 促进形成。相的铁素体形成元素的浓度较高。此外，原子扩散在铁素体的体心立方 晶格中比在奥氏体的面心立方晶格中容易进行。利用e p m