（材料学专业论文）超级双相不锈钢的拉伸性能及热变形行为研究.pdf

摘要 摘要 双相不锈钢( d s s ) 具有优异的耐腐蚀性和力学性能，是一种真正意义 上的高性能结构材料，目前正越来越多地用于化学、石化、造纸和石油等 工业，但因其热加工成形性能较差，工件在锻造等热加工过程中容易产生 裂纹而报废，所以双相不锈钢热加工塑性及相关研究是当前不锈钢研究领 域的一个热点。 本文用光学金相( o m ) 、透射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 、x 射 线衍射分析( ) 、纳米压痕试验、穆斯堡尔试验、常温拉伸试验和热模 拟试验等方法研究了o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 超级双相不锈钢( s d s s ) 的显微组 织、室温与高温力学性能以及高温变形行为，以期探讨该钢的组织性能关 系及其变形行为，并为该钢热加工工艺的制定提供参考。 o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 的铸态组织通常由铁素体和奥氏体两相组成， 但在一定温度区间固溶处理、或者固溶处理后连续冷却以及一定程度热变 形过程中，还会出现。相。s d s s 在8 0 0 1 0 0 0 固溶处理时温度越高。相 越少；固溶处理后冷却速度越快。相越少，经1 1 5 0 固溶处理后无。相析 出的临界冷却速度为o 3 ，s ；热变形会促进0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s so 相的 析出。 对o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 的高温塑性研究表明，铸态s d s s 的塑性随 变形温度的升高而增加，锻态s d s s 在6 0 0 1 3 0 0 。c 热加工时，热塑性曲线 出现一谷一峰，在1 1 0 0 1 2 0 0 范围内热塑性最好，在8 0 0 9 0 0 。c 范围内变 形时因。相在5 相界处大量析出而塑性最差。 利用g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟机系统研究了铸态0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 的 流变行为，确定了其热变形方程，给出了其在不同应变量、变形温度及应 变速率条件下的应变速率敏感性指数与能量消耗效率( 目) ，建立了 o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 的热加工图。结果表明，铸态o o c r 2 5 n i 补幻4 ns d s s 的热变形激活能( q ) 为4 9 2 k j m o l ，应力指数( n ) 为3 5 1 ，不同真应变下 的热加工图相似，且随着变形温度的升高及应变速率的降低，能量消耗效 率逐渐升高，当真应变为o 2 、变形温度在1 2 0 0 左右且应变速率为o 1s 1 时，t 达到峰值( 约为4 0 ) 。 i 燕山大学工学硕十学位论文 锻态o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 具有优异的室温力学性能，抗拉强度可达 8 0 0 m p a 以上，延伸率可达5 2 。纳米压痕试验结果表明，铸态及锻态 o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 铁素体和奥氏体的室温硬度比较相近，但在高温时 两相的硬度差别较大，主要由于热变形条件下两者的动态软化机制不同， 铁素体以动态回复为主，而奥氏体则以动态再结晶为主。 o o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s s 的热加工温度范围需准确控制，并且每道次的 变形量也需要严格控制。 关键词超级双相不锈钢；拉伸性能；热变形；热塑性；铁素体；奥氏体 i i 摘要 a b s t r a c t 功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 曲p e r f o r m a n c es t r u c t u r a l m a t e r i a l s 笛i t se x c e l l e mc 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 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 nc 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 d p e t r o l e u mi n d u s t r i e s h o w e v e r , b e c a u s eo f t h ep o o rh o tw o r k a b i l i t yo ft h i ss t e e l ， w h i c hi se a s yt ob f i i l gc r a c kd u r i n gf o r g i n g ，t h eh o t - w o r k i n gp l a s t i c i t ya n dt h e c o r r e l a t i o ns t u d yo f d s si sf o c u s e d n 惦m i c r o s t m c t u r e s t e n s i l ep r o p e r t i e so fr o o ma n de l e v a t e dt e m p e r a t u r ea n d h o td e f o r m a t i o nl x ，h a v i o ro f0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ( s d s s ) ，盯ei n v e s t i g a t e dt oe n r i c ht h eh o t - w o r k i n gt h e o r yo ft h es t e e lb yt h e u s co fo m , s e m ，t e m ，x r d ，n a n o i n d e n t a t i o n , m 0 s s b a u c rs p e c t r o s c o p y , t e n s i l et e s t sa n dt h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o re t c t h em i c r o s t r u c t u r eo fa s - c a s to o c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s su s u a l l yc o n s i s t so f f e r r i t ea n da u s t e n l t e t h es i g m ap h a s ew a so b s e r v e di ns d s sa f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n ta tc e r t a i nt e m p e r a t u r e ，o rc o n t i n u o u sc o o l i n ga f a rs o l u t i o nt r e a t m e n t a sw e l la si ns o m e h o wh o td e f o r m a t i o np r o c e s s w h e ns d s sw a ss o l u t i o n - t r e a t e da t8 0 0 1 0 0 0 、v i t l l i n c r e a s i n gs o l u t i o nt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea n d c o o l i n gr a t e ，t h ev o l u m ef r a c t i o no fs i g m ap h a s ei sd e c r e a s e d a f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n ta t1 1 5 0 c ，t h ec r i t i c a lc o o l i n gr a t ew i t h o u tp r e c i p i t a t i o no fs i g m ai s o 3 c s h o td e f o r m a t i o nc a l la l s op r o m o t et h ep r e c i p i t a t i o no f s i g m a p h a s e n er e s u l t ss h o wt h a tt h ea s - c a s ts d s s sh o td u c t i l i t yi n e r e a s o s 埘n lt h e t e m p e r a t u r e s i m u l t a n e o u s l y , t h et e n s i l ep r o p e r t i e s a t6 0 0 一1 3 0 0 f o rt h e a s f o r g e ds d s sh a v eb e e ns t u d i e d 1 1 抡d u c t i l i t yc u r v eo ft h e 够一f o r g e ds d s s h a sap e a kv a l u ea n dav a l l e yv a l u e 耵l eh o td u c t i l i t yi n c r e a s e st om a x i m u m v a l u eo b t a i n e da tl l o o 一1 2 0 0 a n dd e c r e a s et om i n i m u mv a l u ea t8 0 0 母o o d u et op r e c i p i t a t i o no f t h eb r i t t l es i g m a p h a s e n 圮h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft h e 觞c a s t0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 4 ns d s sw a s i n v e s t i g a t e du s i n gg l e e b l e 一3 8 0 0t h e r m o - m e c h a n i c a ls i m u l a t o r , b yw h i c ha s i m u l a t e dd e f o r m a t i o ne q u a t i o nw a so b t a i n e d me f f e c to f p e a l 【s t r e s so nt h e i l l 燕山大学工学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t ew a sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o n n es t r a i n r a t es e n s i t i v i t ye x p o n e n t i a la n de f f i c i e n c yo fp o w e rd i s s i p a t i o nu n d e rd i f f e r e n t h o td e f o r m a t i o nc , o n d i t i o n sw e r ea l s od e t e r m i n e d ，t h u st h ep r o c e s s i n gm a p sa l e e s t a b l i s h e da n di n t e r p r e t e do nt h eb a s i so fm i c r o s t r u e t u r eo b s e r v a t i o n 。硼舱 a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g ya n ds t r e s se x p o n e n ta r ea b o u t4 9 2 k j m o la n d3 5 1 ， r e s p e c t i v e l y i tr e v e a l st h a tt h em a p so b t a i n e d a tt r u es t r a i nr a n g ef r o mo 1t oo 9 a r ce s s e n t i a l l ys i m i l a r w i t l li n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s i n gs l r a i nr a t e ， t h ee f f i c i e n c yo fp o w e rd i s s i p a t i o ni n c r e a s e sg r a d u a l l y p e a ke f f i c i e n c ya b o u t 4 0 a p p e a r s a tt h et r u es t r a i no f o 。2w h e nt h ed e f o r m a t i o nc a r r i e so u ta t1 2 0 0 c w i t hs t r a i n 删eo f o i s n 尬s d s sh a so u t s t a n d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o l nt e m p e r a t u r e i t s t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nc a l lr e a c ha b o v e8 0 0 m p aa n d5 2 r e s p e c t i v e l y t h en a n o i n d e n t a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f e r r i t ea n d a u s t e n i t ea l eq u i t ec l o s ea tr o o mt e m p e r a t u r e , b u tt h e ya l ev e r yd i f f e r e n ta th i 。g h t e m p e r a t u r e t m sm a yr e s u l tf r o mt h ed i f f e r e n td y n a m i cs o f t e n i n gm e c h a n i s m f o rt h et w op h a s e ，i e ，d y n a m i cr e c o v e r yi sf o rf e r r i t ea n di sd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nf o ra u s t e n i t e t h et 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 gh o tw o r k i n gt e c h n i c sw a sf o rb u i l d a n dt h es t e a d yb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no nh o tw o r k i n gw a ss c tu pi nt h ep r e s e n t w o r k 1 1 l et e m p e r a t u r er a n g eo fh o t w o r k i n ga n dt h ed e f o r m a t i o na m o u n to f e a c hp a s sn e e dt ob ec o n t r o l l e ds t r i c t l yi nt h i sr e s e a r c h k e y w o r d ss u p e rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；t e n s i l ep r o p e r t y ；h o td e f o r m a t i o n ；h o t d u c t i l i t y ；f e r r i t e ；a u s t e n i t e 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超级双相不锈钢的拉伸 性能及热变形行为研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 储签字像、 日期：么少年 月石日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 超级双相不锈钢的拉伸性能及热变形行为研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密f t ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名噍旋。 日期：2 彬年) 月占日 导师张膊行魄2 卯萨7 月名日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景和意义 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。2 0 世 纪6 0 年代后，随着不锈钢应用范围的日益扩大，新型双相不锈钢的研制越 来越受到各国的重视。同时，精炼技术的进步使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则更加促进了双相不锈 钢作为结构材料的发展。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，它已成为与奥氏体型、 铁素体型不锈钢并列的一类不锈钢；在不锈钢的牌号系列中，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i l 】。 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 2 - 4 1 。 众所周知，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 量的快速增长必然会加剧原材料等资源供应的紧张状况1 5 】。因此，扩大铁素 体不锈钢、双相不锈钢以及氮合金化不锈钢的应用范围和比例，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 锈钢的使用已经比较普遍，且在经济、能源、环保等多方面发挥着重要作 用。目前，我国也已经开始使用和推广双相不锈钢【6 8 】。 双相不锈钢因显微组织由几乎等比例的铁素体和奥氏体构成而得名， 通常以铁素体为基体( 体积分数在5 0 - - 7 0 之间) ，其余为奥氏体，属于铁 素体奥氏体双相钢类型。这种钢除了含有较高的c r ( 1 8 - 一3 0 ) 、中等的 n i ( 4 - - 1 0 ) 和较低的碳( s o 0 3 ) ，还可以含有m o 或其它元素( 如c u 、 w ) 。值得注意的是，氮已成为现代双相不锈钢的核心元素之一。根据双相 不锈钢的“耐点蚀当量数p r e n ( p i t t i n gr e s i s t a n c ee q u i v a l e n tn u m b e r ) ”表 达式【9 1 0 1 p r e = c r + 3 3 m o + 1 6 x n( 1 1 ) 或 燕山大学工学硕士学位论文 p r e w = c ，+ 3 3 ( 如+ 0 5 w ) + 1 6 x n ( 1 - 2 ) 可见，氮是提高点蚀抗力最有效的合金元素。此外，早期的双相不锈钢均 具有良好的耐一般腐蚀和氯化物应力腐蚀开裂性能，但在焊接条件下这些 性能却明显下降【1 1 1 。如果将钢中含氮量提高到0 1 5 以上，不仅耐腐蚀性 显著提高，而且焊接态的性能也大大改善，从而使双相不锈钢成为一种可 焊接的结构材料，其应用领域也得到极大地拓宽【l 2 1 。 随着近代双相不锈钢的发展，其合金化程度不断提高，热加工难度也 明显加大。总的趋势是，随着合金化程度的提高，热加工温度区间缩小， 甚至可能变得只能铸造而不能采用传统的塑性加工。此外，由于双相不锈 钢中铁素体相和奥氏体相的结构不同，高温时两相的变形机制也有差异， 因此双相不锈钢的热塑性很差i ”4 1 。尤其是对于含n 双相不锈钢，其热加 工温度范围往往处于热塑性较低的两相区，锻造生产难度更大，锻造时开 裂倾向严重，从而对晶粒尺寸、相比例、高温强度等指标均有严格要求。 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，这样 也增加了锻造开裂倾向1 1 5 】。 因此，合理制定热加工工艺参数对于保证超级双相不锈钢锻件的质量、 组织和性能具有重要意义。通常的热加工参数主要包括预加热温度、始锻 与终锻温度、变形量以及变形速率等。鉴于超级双相不锈钢热加工工艺参 数的确定相对复杂，目前大都还仅停留在经验性或者定性分析的水平，本 文系统研究热加工工艺参数对超级双相不锈钢组织和性能的影响规律，并 对其热加工过程进行定量描述，以期为该钢实际生产工艺的制定及优化提 供参考。 1 2 双相不锈钢的发展和应用状况 1 2 1 双相不锈钢的发展历史 1 9 2 7 年，b a i n 和g r i f f i t h s 首先发现了双相组织。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 2 第1 章绪论 钢已发展了三代。第一代双相不锈钢以美国在2 0 世纪4 0 年代开发的3 2 9 钢 为代表，含有较高的c r 和m o ，耐局部腐蚀性能好，但因含碳量较高( so 1 c ) ，故焊接时易失去相的平衡，碳化物沿晶界析出并导致耐蚀性及韧性 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。随后，日本在美国3 2 9 钢的基础上降碳，提出了3 2 9 j 1 钢，这种钢 可作为可焊接的结构钢使用。至2 0 世纪6 0 年代中期，瑞典开发出了著名的 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c r i 为 1 8 、焊接及成型性能良好，并广泛代替a i s i3 0 4 l 和3 1 6 l 钢用作耐氯离子 应力腐蚀的材料。该钢的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织， 从而使耐应力腐蚀及晶间腐蚀性能下降。 o 3 零 蔷 l 0 2 兰 0 1 3 5 4 0 p r e n 2 5 c r 3 4 m o 2 2 c f 3 m o 2 3 c r o m o 图1 - 1 双相不锈钢的发展历史 f i g 1 - 1d e v e l o p m e n th i s t o r yo f d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s 从2 0 世纪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，超低碳( c s o 0 3 ) 钢的冶炼更加容易，同时 发现氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢的性能有重要影响。氮元素独特 效果的合理利用以及超低碳熔炼技术的发展，使人们在生产技术上完全克 服了第一代双相不锈钢的缺点，开发出了第二代双相不锈钢，即含氮双相 不锈钢，不锈钢应用领域得到进一步扩大。2 0 世纪8 0 年代后期发展的超级 燕山大学工学硕士学位论文 双相不锈钢属于第三代双相不锈钢，牌号有s a f 2 5 0 7 ，u r 5 2 n + ，z e r o n l 0 0 等，这类钢的特点是含碳量低( c0 0 1 - 4 ) 0 2 ) ，且含有较高的m o 和氮( m o 约4 ，n 约0 3 ) ，铁素体含量约占4 0 - 4 5 ，此类钢具有优良的耐孔蚀性 能。 1 2 2 双相不锈钢的分类 按化学成分来分，目前国内外锻轧产品中常用的双相不锈钢可分为以 下四类l ”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 、 0 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，如a t s i3 0 4 、3 1 6 等。因其不含m o ，故它们是 迄今费效比最低的不锈钢种，抗点蚀当量p r e n 约为2 5 。 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 、0 1 7 n ， 如u r 4 5 n 、s a f 2 2 0 5 等。其耐蚀性能介于a i s i3 1 6 与6 m o 型含氮超级奥 氏体不锈钢之间，抗点蚀当量p r e n 在2 9 3 6 ，可取代a i s l3 1 7 l 、3 1 7 l n 等奥氏体不锈钢。 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 ，抗点蚀当量p r e n3 5 - - 3 9 ，如u r 5 2 n 、d p 3 。 超级双相不锈钢是指抗点蚀当量p r e n 珂o 的超级双相不锈钢，其 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 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具有良好的耐蚀性 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 2 3 双相不锈钢的性能特点及在一些领域中的主要应用 双相不锈钢兼有铁素体钢和奥氏体钢的特性，即奥氏体的存在降低了 铁素体钢的脆性、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 4 第1 章绪论 提高了其耐点蚀、缝隙腐蚀、晶问腐蚀、应力腐蚀和磨损腐蚀性能 1 7 q 9 1 。 所以无论在力学性能或耐腐蚀性能上，双相不锈钢皆明显优于传统的奥氏 体型( 3 0 0 系列) 和铁素体型( 4 0 0 系列) 不锈钢。 双相不锈钢的主要应用领域包括【2 0 】： 1 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，从而 导致所用的a i s i3 0 4 l 、3 1 6 l 等奥氏体不锈钢时有产生应力腐蚀开裂( 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【2 l 】，而双相不锈钢恰恰可以代替常用奥 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开裂的场合。 影响材料在氯化物介质中抗s c c 性能的主要因素有：( 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，特别是溶氧或其它氧化杂质； ( 3 ) 温度，随着温度的升高，s c c 倾向加重，但也不是绝对的，还受其它因 素的制约。正是由于影响s c c 的因素复杂，因此，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，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 的临界温度值如表 1 1 所示。 表i - 1 几种不锈钢产生应力腐蚀开裂的临界温度【7 l t a b l e1 - 1s c cc r i t i c a lt e m p e r a t u r ef o rs o m es t a i n l e s ss t e e l s 2 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，从而也增加了产生孔蚀和缝隙腐蚀 燕山大学工学硕士学位论文 的危险性。早在7 0 年代日本开始使用3 2 9 j 1 和n t k r - 4 ( 0 0 c r 2 5 n i 5 m 0 1 5 - 2 5 含氮或不含氮) 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。 就热海水用钢丽言，目前大都傻用2 5 c r - 3 m o 型的双相不锈钢，且超级 双相不锈钢有更好的使用效果。例如，用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 ，出口温度3 0 ) ，管程是 海水，工艺温度可以从4 0 c 升至8 0 。钛管因不耐f 一腐蚀，只能用3 个月， 而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 ，也未发现腐蚀闯题，但当使用 含6 m o 的奥氏体不锈钢时，在此温度会产生应力腐蚀开裂。 3 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 1 一、c 0 2 和一些 h 2 s 的环境，即所谓的酸性环境。在含c l - 的湿c 0 2 环境中，双相不锈钢是 一种较理想的材料，可耐高流速的磨损腐蚀，并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。 超级双相不锈钢也己在油、气工业中使用，如u r 5 2 n * 钢已用在北海油 田的油气集合管和输送管线，s a f 2 5 0 7 钢已用于阿拉斯加、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。 4 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有4 0 年的历史了，3 r e 6 0 钢最早就是在这领域起步应用的。除3 r e 6 0 钢外，其它如s a f 2 2 0 5 ( u r 4 5 n ) 、u r 4 7 n ( 0 0 c r 2 5 n i 6 5 m 0 3 n ) 、u r 5 2 1 r ( 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性能好等特长，并且在制造纸浆 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。 6 第1 章绪论 此外，在北美、欧洲和日本等发达国家，双相不锈钢甚至超级双相不 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广泛应用。 1 2 4 双相不锈钢的研究现状和发展动态 双相不锈钢的发展始于2 0 世纪3 0 年代。尽管目前其产量较少，但在 不锈钢领域中，由于它具有较高的强度、良好的耐磨损腐蚀性能和优良的 耐应力腐蚀性能、耐点蚀性能等，现己成为与其它类型不锈钢并列的一类 钢。c r l 8 型、c r 2 2 型和c r 2 5 型钢种系列化以及含w 、m o 、c u 、氮等合 金元素的各种双相不锈钢的开发是双相钢的重要研究方向。 新工艺的开发也促进了双相不锈钢的发展，如采用a o d ( 氩氧脱碳 法) 、v o d ( 真空吹氧脱碳法) 和a s e a s k ( 钢包精炼法) 等技术已能够 将钢中的s 等杂质元素含量降至很低水平，并可将碳降到o 0 1 以下。此 外，粉末冶金技术( 超细粉制备和热等静压技术) 、快冷技术等新工艺的 开发更进一步扩大了合金化范围。国内外双相不锈钢的发展动态主要有二 点： 开发新型双相不锈钢开发新型高性能的双相不锈钢是一个重要的 方向。在合金材料成分设计上，双相不锈钢的发展动态是适当提高钢中氮 含量和奥氏体的比率，添加微量合金元素w 、c u 、r e 等，开发新型稀土 双相不锈钢和超级双相不锈钢。 生产工艺技术在双相不锈钢生产工艺技术方面也有新的发展，即在 连续自动生产线上采用计算机控制双相不锈钢管的双电弧焊缝、采用微机 模拟辅助生产大截面双相不锈钢锻件、用等离子涂覆双相不锈钢防护层来 解决一些设备的腐蚀防护问题、用于近海天然气和石油工业中的双相不锈 钢水下焊接技术等。 1 3 双相不锈钢的显微组织特征 与纯铁素体不锈钢和纯奥氏体不锈钢不同，在双相不锈钢的加热和冷 却过程中，除铁素体( 6 ) 和奥氏体( 1 r ) 两相数量的变化外，还会产生组 7 燕山大学工学硕士学位论文 织转交，从而出现二次奥氏体( 忱) 、碳化物、氮化物和金属间化合物，例 如。相、 c 相、r 相等。它们对双相不锈钢的性能具有重要的影响捌。图1 2 为f e c r - n i 合金的状态图。图中指出了随合金中c r + n i 量的增加，奥氏体 区和铁素体相区的变化情况。从图中可以看出，当f e 量为6 0 ，7 0 时， 铁素体铁素体+ 奥氏体相界发生弯曲，向奥氏体区缩小的方向移动。 t 。；磐；引 蛐es增 c r 籀籀j o ， 筘= 培碡 罅辐瓣 图1 - 2f e - c r - n i 系伪二元相图 f i g i - 2q u a s i - p h a s ed i a g r a mo f f e - c r - n i ( a ) 7 0 f e ( b ) 6 0 f e 1 3 1 二次奥氏体 对于双相不锈钢，铁素体与奥氏体两相比例随着加热温度的升高而变 化，且铁素体数量逐渐增多，奥氏体数量逐渐减少。一般加热到1 3 0 0 以 上时，才出现单相铁素体组织。钢中出现单相铁素体组织后，若在低于出 现单相铁素体组织的温度下进行等温时效，则钢中会重新析出奥氏体，即 3 2 。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。自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【2 4 】和共析反应5 斗o + 丫2 三种。丫2 8 3葺20t呈 第l 章绪论 的含c r 量比t 低3 左右，且热力学计算也表明丫2 贫c r ，因此忱耐孔蚀 性能较差。 1 3 2 碳化物和氮化物 m 7 c 3 和m 2 3 c 6 型碳化物双相不锈钢在低于1 0 5 0 3 2 加热时，沿铁素体 和奥氏体的相界即有碳化物析出。在双相不锈钢中，奥氏体的含碳量较高， 而铁素体的含c r 量较高。因此，相界是碳化物析出的有利位置。在含碳量 较高( 芝o 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 相 界析出的是m t c 3 型碳化物，且快冷可避免此类碳化物的析出。双相不锈钢 在低于9 5 0 时析出的是m l s c 6 型碳化物，一般析出速度很快，即使通过快 冷也很难抑制这种碳化物的析出。然而，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。在含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 - 4 ) 0 2 的 范围内，如o o c r 2 5 n i 7 m “n 超级双相不锈钢中就没有任何类型的碳化物析 出。 c r 2 n 和c r n 型氮化物在双相不锈钢中，随着含氮量( 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，因为它对双相不锈钢的性能有一定的影响。0 0 c r 2 5 n i 5 m 0 3 n 钢经高温固溶处理及水淬后，由于铁索体中氮的溶解度低，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，且随着固溶温度的升高，析 出数量增多。c r 2 n 往往与他是伴生的，氮化物周围贫c r 促进了二次奥氏 体的形成，从而影响钢的耐点蚀性能。c r 2 n 是氮化物的主要析出形式。此 外，还有一种立方晶系的c r n 型氮化物，这种氮化物的析出很少见，一般 对钢的韧性和耐蚀性能无显著影响。 1 3 3 金属问化合物 a 相a 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 ) ，具有四方晶 格，是双相不锈钢中是危害性最大的一种析出相【2 5 1 。在f e c r - - 元合金中， 9 燕山大学下学硕士学位论文 只有当温度低于8 2 0 时，o 相才能以很慢的速度析出，且往往需数小时。 然而在双相不锈钢中，由于n i 和m o 的存在( 尤其是m o 的加入) 促进了a 相 的析出，这不仅使。相的析出温度上移至9 0 0 左右，而且使a 相的析出速度 大大加快。因此，要想避免。相的析出，必须以更快的速度通过9 0 0 c 的“鼻 尖”区域。仃相是一种硬而脆的金属间化合物，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。相形成区，以防止a 相的形成 2 6 , 2 ；9 。ys h a r t 2 8 】和张沛学 2 9 1 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o r 相的存在能抑 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。 z 相和r 相j c 相是一种脆性金属间化合物，它是一种有序的立方结构， 结构式为f e 3 6 c r l 2 m o l o ，也是一种富m o 富c r 相，它的生成同样会显著降 低钢的塑性、韧性和耐蚀性。r 相也是一种含高m o 的金属间化合物，化学 式为f e 2 m o ，它的析出温度范围为5 5 0 - 7 5 0 ，能谱半定量得出此相结构式 为f e 2 4 c r l3 m o s i 。r 相也是一种脆性相，对钢的韧性有害，同时降低钢的 耐点蚀性能。此外，在双相不锈钢中还发现一种含c r 、m o 比r 相更高的 片状金属间化合物，其结构式为f e 3 c r a m 0 2 s i 2 。 口相c r 含量超过1 5 的铁素体不锈钢在4 0 0 5 0 0 范围内长时间时 效时，会使材料变脆。大约在4 7 5 c 附近，脆化效应最明显，文献中一般称 之为“4 7 5 脆性”。钢中c r 含量越高，其脆化所需时间越短。双相不锈钢 中铁素体相占很大比例，且富聚了c r 、m o 等元素，故铁素体不锈钢的这 一固有脆化特征在双相不锈钢中也能体现。对于这一现象，很多人进行了 研究，且多数研究者认为 3 0 - 3 4 1 ，这种现象是由于f e - c r 固溶体铁素体相在一 定温度范围内按照s p i n o d a l 机制发生两相分离所致，其结果形成一种亚微 观尺度的原子偏聚区，这个偏聚区的c r 含量可以很高，一般称这种亚微观 偏聚区为1 2 相。这种相在光学显微镜下是难以发现的，会使钢的韧性和塑 性大大降低。因此，双相不锈钢不宜在4 7 5 c 脆性范围内长期使用。 l o 第1 章绪论 1 4 双相不锈钢中合金元素的作用 合金元素对双相不锈钢的组织与性能都有显著影响。组织因素主要是 指金相组织类型、晶粒度、晶界状态、强化相的形状分布及弥散程度、微 观缺陷( 晶格畸变、空位、位错) 等。合金元素主要影响钢的组织织构， 进而对钢的热强性以及热塑性产生作用。 1 4 1 双相不锈钢的成分设计思想 双相不锈钢化学成分设计的特点为较高的铬含量和适量的镍、钼、铜 多个元素的复合作用，从而使该钢具有较好的综合性能。 1 保证在含有c 1 的卤水介质中，材料具有较高的耐孔蚀及缝隙腐蚀 性 c r 、m o 元素在c 1 的卤水介质中，是获得良好的耐蚀性的基本成分， c r 使钝化膜稳定并能提高钝化膜的再修复能力；m o 是以| j l 知研一的形式溶 解于介质中，吸附于膜在局部破裂生成活性的金属面上，抑制其溶解，为 再钝化创造了条件。 为进一步提高耐缝隙腐蚀性能，应加入少量的w 和c u ，利用c u 能在 缝隙表面上再析出抑制活性溶解以及少量w 能产生彤喏一离子吸附于表面 的作用。另外，c r 、m o 系铁素体形成元素，对获取双相组织也是必要的元 素。 2 获得铁素体和奥氏体各半的双相组织 n i 、氮系奥氏体形成元素，n i 能起到平衡两相组织的作用。加入适量 的n i 和氮可使钢获得铁素体和奥氏体约各半的双相组织。氮不仅能抑制孔 蚀发生，