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铸造双相不锈钢的形变与断裂研究 摘要 铸造t + a 双相不锈钢因兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，在核电站的阀体、 主冷却剂管道和主泵泵壳等方面得到了广泛应用。与铁素体不锈钢比较，双相不锈钢的韧 性高、韧脆转变温度低、耐晶阃腐蚀性能和焊接性能均显著提高，且保留了铁素体不锈钢 高热导率和线膨胀系数小等特点；与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的屈服强度显著提高， 耐晶间腐蚀，耐应力腐蚀等性能明显改善。本文对铸造双相不锈钢的形变机理及形变强化， 裂纹萌芽、生长和扩展，力学性能评价，数字化冲击探讨等方面进行研究，这将为核电站 主管道的安全运行提供依据。 铸造双相不锈钢中的a 相在t 基体中呈条带状和花边状分布，且a 相的含量约为1 5 。 静力拉伸试验表明，铸造双相不锈钢在整个塑性变形过程中的形变机理是：吕德斯带的形 成以及拉伸过程中滑移和孪生变形的交替出现。双相不锈钢的形变强化指数丹在室温和 2 9 0 时都呈现了阶段性，室温共分为四个阶段；2 9 0 时，缩颈前分三个阶段，各阶段形 变强化指数数值逐渐增加。对形变强化指数栉按不同取样方向和不同取样位置进行t 检验 分析，结果表明，取样方向和取样位置对双相不锈钢的形变强化指数疗无显著性影响。 数字化冲击试验表明铸造双相不锈钢裂纹经历了萌芽、生长和扩展阶段。裂纹生长到 临界尺寸之前，生长速率较慢，并有明显的波动，裂纹生长至临界尺寸耗费了总冲击吸收 功的7 6 2 ，说明双相不锈钢的韧性较好，抗过载能力较强，使用的安全性较好。 对双相不锈钢的静力强塑性评价表明：不同取样位置，管壁纵向内、中、外壁两两之 间强度和塑性均出现了显著差异；不同取样方向，强度有显著差异而塑性无显著性差异。 对强塑性和标准偏差分立化的综合评价表明，纵向内壁性能值及标准偏差较优，中壁和外 壁次之，径向取样性能则较差。对双相不锈钢的动力强韧性评价表明：取样位置对动力强 度没有显著性影响，对动力韧度的影响出现在裂纹形成功；取样方向对动力强韧性没有显 著性影响。 利用数字化冲击曲线得到的力特征值对新国标中提出的韧性断面率进行研究，表明韧 性断面率和通过测量得到的纤维断面率之间有很好的一致性，说明利用韧性断面率取代纤 维断面率是可行的。利用裂纹扩展功和裂纹形成功随试验温度降低的变化曲线的转折点作 i 为韧脆转变温度的判据，与以往的f a t r 等方法相比较，有明显的优点，它将取代其它韧 脆转变判据。 关键词：双相不锈钢；形变强化；孪生；纤维断面率；韧性断面率；裂纹形成功；裂纹 扩展功 n d e f o r m a t i o na n df r a c t u r er e s e a r c ho fc a s t i n gd u p l e xs t a i n l e s s s t e e l d i s c i p l i n e ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e a b s t r a c t f o rt h ec o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i co fa u s t c n i t cs t a i n l e s ss t e e la n df e r r i t es t a i n l e s ss t e e l ，t h e c a s t i n gt + ad u p l e xs t a i l l l e s ss t e e i ( d s s ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n , s u c ha sv a l v e sb o d i e s ，p r i m a r yc o o l a n tp i p i n ga n dm a i np u m pc o v e r d s sp o s s e s s e sh i g h e r t o u g h n e s s ，l o w e rd u c t i l e - b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，b e t t e ri n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a n dw e l d a b i l i t yt h a nt h o s eo ff e r t i l es t a i n l e s ss t e e la n dt h e 锄ea d v a n t a g e so fh i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dl o wl i n e a re x p a n s i b i l i t ya sf c m i t es t a i n l e s ss t e e l ；a n di ta l s oh a sh i g h e ry i e l d s t r e n g t h , b e t t e ri n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds u 屯s sc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a nt h o s eo f a u s t e n s i t es t a i n l e s ss t e e l i nt h i s p a p e rt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , m e c h a n i c a lh a r d e n i n g , c r a c ki n i t i a t i o n , g r o w t ha n dp r o p a g a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e dt ot h e s a f eo p e r a t i o no fn u c l e a rp o w e rs t a t i o n i nc a s t i n gd s s ，a p p r o x i m a t e l y1 5 f e r r i t ep r e s e n t e dt h es h a p e so fs t r i pa n dl a c yi n a n s t c n i t em a t r i x s t a t i ct e n s i l et e s ti n d i c a t e dt h a tt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sd u r i n gt h ew h o l e p l a s t i cd e f o r m a t i o nw e r et h ef o r m a t i o no fl t i d e r sl i n e si nt h es a m p l es u r f a c ea n dt h ea l t e m a t e p r o c e e d i n go fd e f o r m a t i o nt w i na n ds l i p p i n g t h em e c h a n i c a lh a r d e n i n ge x p o n e n tnc o u l db c d i v i d e di n t of o u rs t a g e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt h r e es t a g e sb e f o r en e c k i n ga t2 9 0 0 ，a n dt h e v a l u e 甩i ne v e r ys t a g eg r a d u a l l yi n c r e a s e da tr o o mt e m p e r a t u r ea n d2 9 0 t h es t a t i s t i ct - t e s t s h o w e dt h a tt h e r ew e r en os i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so fs a m p l i n gp o s i t i o n sa n ds a m p l i n gd i r c c t i o m o nt h em e c h a n i c a l h a r d e n i n ge x p o n e n t 疗 n u m e r a l i z a t i o ni m p a c tt e s t si n d i c t e dt h a tt h ec r a c kf o r m a t i o ni nc a s t i n gd s si n c l u d e dt h e i n i t i a t i o n , g r o w t ha n dp r o p a g a t i o n b e f o r et h ec r a c kg r e wt ot h ec r i t i c a ld i m e n s i o n , i t sg r o w t h s p e e db e c a m es l o wa n df l u c t u a t e do b v i o u s l y , a n dn e a r7 6 2 t o t a li m p a c te n e r g yw a s c o n s m n e d i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a td s sp o s s e s s e dg o o dt o u g h n e s s ，h i g ho v e r l o a dr e s i s t a n c e a n d f m ew o r k i n gs t a b i l i t y t h er e s u l t so fs ：t a t t i cs t r e n g t ha n dp l a s t i c i t i e so fd s sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n d2 9 0 c r e v e a l e dt h a tt h e mw 啪o b v i o u sd i f f e r e n c e si ns 砸m g l ha n dp l a s t i c i t i e si nd i f f e r e n tl o n g i t u d i n a l m s a m p l i n gp o s i t i o n s ，i n n e r , m i d d l ea n do u t e rw a l l t h e r ew a so b v i o u sa n dn or e m a r k a b l e i n f l u e n c eo ft h es a m p l i n gd i r e c t i o n so nt h es 仃e n g t ha n dt h ep l a s t i c i t i e sr e s p e c t i v e l y n 坞 s y n t h e t i c a le f f e c t so fs a m p l i n gp o s i t i o n sa n ds a m p l i n gd i r e c t i o n so nt h es t a t i c 蚰旧唱t ha n d p l a s t i c i t i e sw e r ee v a l u a t e db yu s i n gs t a t i s t i ct e s tta n d s t a n d a r dd e v i a t i o ns t h er e 锄t ss h o w t h a ts t a t i cs t 托n g t ha n dp l a s t i c i t i e sa n ds t a n d a r dd e v i a t i o ni nl o n g i t u d i n a li n n e rw a l lw e r e s u p e r i o rt ot h o s ei nm i d d l ea n do u t e rw a l la n dt h ep r o p e r t i e si nr a d i a ld i l e c t i o nw f f f et h ew o r s t t h er e s u l t so ft h ed y n a m i c a ls 仃e n g t ha n dt o u g h n e s s 越r o o mt e m p e r a t u r ei n d i c a t e dt h a t s a m p l i n gp o s i t i o n sh a dn os i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ed y n a m i o js u e n g t ha n ds i g n i f i c a n te f f e c t s o i lt h ed y n a m i c a lt o u g h n e s s a n dt h e r ew e r en oo b v i o u si n f l u e n c e so fs a m p l i n gd i 陀c 6 o nt h e d y n a m i c a ls t m a s t ha n dt o u g h n e s s t h e p e r c e n t a g eo f d u c t i l ef r a c t u r es u r f a c 七i nn e wc h i n e s ei n d u s t r i a ls t a n d a r dw a so b t a i n e d f t o mt h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fl o a di nn u m e r a l i z a t i o ni m p a c tc u r v e t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h e r ew a sag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dp e r c e n t a g eo fd u c t i l ef r a c t u r es l l r f 如ea n d t h em e a s u r e dp e r c e n t a g eo f f i b r o u s i t y , a n di tw a sf e a s i b l e t or e p l a c et h ep e r c e n t a g eo f f i b r o u s i t y b yt h ep e r c e n t a g eo fd u c t i l ef r a c t u r es u r f a c e c o m p a r e d 、航mt h ed u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ( d b mf t o mf a l r rm e t h o d , d b t t 舶mt h ec u r v eo ft h ec r a c kp r o p a g a t i o n e n e r g ya n dc r a c kf o r m i n ge n e r g yv s t h ea ( p 渤即t a l 把m p e 翰t i l mh a di t sa d v a n t a g ea n dt h i s m e t h o dw a sc a p a b l et or e p l a c eo t h e rc r i t e r i o n so f d b t r 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 ；m e c h a n i c a lh a r d e n i n g ；t w i n ；p e r c e n t a g eo ff i b r o u s i t y ； p e r c e n t a g eo f d u c t i l ef r a c t u r es u r f a c e ；c r a c kf o r m i n ge n e r g y ；c r a c kp r o p a g a t i o ne n e r g y i v 主要符号表 真实应力 真实应变 形变强化指数 硬化系数 屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 瞬时面缩率 屈服力 最大力 不稳定裂纹扩展起始力 不稳定裂纹扩展终止力 总冲击能量 裂纹形成功 裂纹扩展功 s。n置舢4 z p风r职 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间，学 位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或 用学位论文工作成果发表论文是署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的学位 论文的复印件，允许学位论文被查阅和借读；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 黧嚣移 指导教师签字：眇v 一 日 期：d 一 一i 5 5 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他人已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献己在论文中 作了明确的说明并表示了感谢。 辫麓主诬 指导教师签字： 纠v 一 同 期：d 尹t 一 5 6 1 文献综述 1 1 选题背景 1 文献综述 能源是社会和经济发展的基础，是人类生活和生产的要素。随着社会的发展，能源的 需求也在不断扩大。从能源的供应结构来看，目前世界上消耗的能源主要来自煤、石油、 天然气三大资源，不仅利用率低，而且对生态环境造成了严重的污染。随着经济的发展， 我国越发感到传统能源紧缺的严峻性，世界各国经济发展的实践证明，国民经济的迅速发 展更有赖于电力工业迅速地发展，也就是说电力必须先行一步【l l 。 大力发展核电事业，是中国和平利用核能的主要途径和内容。我国从8 0 年代开始建 设核电站，以解决东部沿海地区能源紧张的问题，因为上述地区不具备传统能源资源。2 0 世纪9 0 年代，由于电力市场供大于求，中央政府停止批准新核能工程，因此核能产业裹 足不前。但是，2 0 0 3 年底形势发生了根本性变化，全国许多地区，尤其是经济发达的沿 海城市，开始受到能源紧缺的严重影响，中国经济的高速增长引起了能源供应日趋紧张， 电力紧张已成为制约中国经济持续高速发展的瓶颈。受各行业能源短缺的困扰，我国正积 极着手准备新核电站的开发以满足能源需求的迅速增长。 有资料显示，截至2 0 0 6 年1 月已经拥有、在建或拟建反应堆的国家共有3 7 个，其中 3 1 个国家或地区运行着4 4 1 座核反应堆，核电站发电量将占总发电量的2 5 左右。轻水 堆( 矾呱) 是现有核电站中占的比例最多的，又分为沸水堆( b w r ) 和压水堆( p w r ) ( 如图1 1 ) ，其中p w r 主要可分成三部分：核岛( n i ) 、常规岛( c d 、配套设施( b o p ) 。 目前中国核电只占2 ，依据国家发改委的规划，到2 0 2 0 年，中国核电将达到总装机容 图1 1 典型的p 骶系统 2 西安工业大学硕士学位论文 量的4 ，即3 2 g w 4 0 g w ，占全国发电总量的4 。这意味着从现在起，每年要新开工 建设3 到4 个百万千瓦级的核电机组。这样的新增规模在世界核电市场上是最大的。而要 改变中国北煤西水东缺电的不均衡能源布局和煤电占8 0 左右的重污染电力结构，中国 未来还将继续加快和扩大核电建设【2 ，3 1 。 压水堆核电站一回路系统( 如图1 2 ) 中使用了大量的铸造双相不锈钢部件：阀体、 主冷却剂管道和主泵泵壳 4 - 6 。一回路管道承担着将反应堆产生的热量传递给二回路工质 的功能，其结构完整性对于电站安全运行至关重要，因为一回路压力边界的破裂有可能导 致主回路失水事故( l o c a ) 并且对公众有造成辐射的危魁7 。g j 。所以说对核电站一回路管 道材料供货态的力学性能研究有着非常重要的意义，本课题的研究将有利于我国核电工业 技术的安全运行和未来技术的发展。 图1 2 压水堆核电站一回路系统 1 2 双相不锈钢的发展历程 奥氏体铁素体双相不锈钢是指不锈钢中既有奥氏体，又有铁素体组织结构的钢种， 而且此两相组织要独立存在，且含量较大。一般认为，在奥氏体基体中含有1 5 的铁素 体或在铁素体基体中含有三1 5 的奥氏体，均可以称为奥氏体+ 铁素体双相不锈钢，简称 为1 r + a 双相不锈钢1 9 。 双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特性，例如，与铁素体不锈钢相比，y + a 双相不锈钢韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时，仍 保留了铁素体不锈钢的一些特点，如：4 7 5 1 2 脆性，o 相的析出脆性以及导热系数高，线 膨胀系数小，具有超塑性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度，特别是屈服强度 显著提高且耐晶间腐蚀，耐应力腐蚀，耐疲劳腐蚀等的性能有明显改善。由于双相不锈钢 具有诸多的优良性能，因而在石油、化工、军工等领域得到了广泛的应用，并成为新型黑 色材料研究的热剧n 埘。 3 西安工业大学硕士学位论文 1 2 1 国外双相不锈钢的发展历程 2 0 世纪2 0 年代，英国和德国最早发展了不锈钢。最初的不锈钢是以f e 、c r 为主的 马氏体类和铁素体类不锈钢。此种类型不锈钢在大气中的耐腐蚀性能要比钢好得多。但由 于合金化程度较低，其它杂质也较多，在酸性环境中的耐腐蚀能力是有限的。其加工性能， 尤其是焊接性较差，在应用上有很大的局限性，从而使得f e - c r - n i 系奥氏体不锈钢得到 了很大的发展。受当时冶炼技术的限制，奥氏体不锈钢的合金化程度也较低，其最低含碳 量高达0 0 8 。这样，在经热处理( 敏化处理) 和焊接后，碳化物沿晶界析出，从而造成 了焊接热影响区内具有晶间腐蚀的危险。在实际应用当中，有许多因此类晶间腐蚀而失效 的例子【1 3 1 。 为解决奥氏体不锈钢的晶问腐蚀问题【1 4 1 ，在2 0 年代末，瑞典和法国的钢厂研制了同 时具有铁索体和奥氏体的双相不锈钢。瑞典a v e s t a j e m v e r k a b 在1 9 0 3 年开发，生产了不 含钼的4 5 3 e 和含钼的4 5 3 s 两种双相不锈钢。典型的化学成分分别为2 5 c r 、5 n i 、无 钼或1 5 m o 。1 9 3 2 年，阿维斯塔钢铁有限公司双相不锈钢的产量就已达当时年产量的 6 5 。在1 9 4 7 年，4 5 3 s 首先以s i s 2 3 2 4 列入瑞典材料标准。稍后，又以a i s l 3 2 9 列入美 国材料标准。值得一提的是，这个钢种以后又得到了改善，其中包括降低了碳含量，适当 地添加了氮。但在今天，此钢种的生产与应用已经很少了。与此同时，双相不锈钢在法国 也得到了很大的发展，当时的j h o l t z e r 钢铁厂在1 9 3 5 年左右，研制了含2 5 c r 、 5 n i 2 5 m o 和2 5 c u 的双相不锈钢，命名为u r a n u s 5 0 ，以后发展为u n s $ 3 2 4 0 4 。 二次世界大战期间，镍十分短缺，许多国家的钢铁厂都开展了对双相不锈钢的研制工 作，出现了一批合金含量不同的双相不锈钢，从而形成了最早的，第一代双相不锈钢。典 型的代表为4 5 3 e 、4 5 3 s 、u r a n u s 5 0 和3 r e 6 0 ( 3 1 5 0 0 ) 等。 2 0 世纪4 0 年代发现了奥氏体不锈钢具有应力腐蚀破裂敏感性。在当时，奥氏体不锈 钢常常在有应力腐蚀破裂的环境中失效。与此同时，许多研究工作都观察到铁素体可以降 低不锈钢对应力腐蚀破裂的敏感性。由于双相不锈钢中含铁素体量较高，人们就想到双相 不锈钢的抗应力腐蚀的能力一定很好。3 r e 6 0 就是一个为抗应力腐蚀破裂而设计的双相 不锈钢。此钢种曾广泛地应用3 0 4 和3 1 6 类型奥氏体不锈钢产生应力腐蚀破裂环境中，取 得了良好的效果。这可以说是不锈钢发展史上的一个较大的突破。后来因为焊后热影响区 内晶间腐蚀的问题，使该钢在腐蚀环境中稍微恶劣情况下，不能保证焊后金相组织有与母 体相近的耐腐蚀性能。因此，此类型双相不锈钢的使用曾一度减少。曾对此钢种进行了改 进，推出了3 r e 6 0 的改进型。主要措施是降低含碳量和加入氮，从而减少了对晶问腐蚀 的敏感性，但并没有解决根本问题，在新的一代双相不锈钢出现后，3 r e 6 0 就基本上不 再使用了。 虽然早期双相不锈钢的抗应力腐蚀破裂的能力比普通奥氏体不锈钢好，但铁素体含量 较高( 第一代铁素体奥氏体双相不锈钢经1 0 0 0 - 1 0 5 0 1 2 淬火软化处理后，含6 0 - 7 0 铁素 4 西安工业大学硕士学位论文 体) 给实际应用带来了很大的困难。比如，若热处理时的冷却不适当，无论是冷却速度过 快或过慢，或者是焊接措施不当，则将导致热影响区中全部转变为铁素体。由于在体心立 方结晶结构的铁素体中，碳的固溶度极低，即使在含碳量( 2 时，对0 c t 2 5 n i 5 m 0 3 双相不锈钢的组织的性能的影响，结果显示， 虽然m n 系奥氏体稳定元素，但当钢中m n 量达到8 左右，也没有观察到钢中r 量有任 何变化。m n 对钢的强度，塑性没有明显的影响。 n ：氮和镍一样，同样是强烈形成奥氏体并扩大t 区的元素。且其能力远远大于镍。 在双相不锈钢中，在高温下氮稳定奥氏体的能力也比镍大。因而，氮在双相不锈钢中具有 防止其焊后出现单相铁素体的重要作用，从而导致含氮的第二代y + a 双相不锈钢的诞生。 氮形成并稳定奥氏体却扩大t 区并使钢固溶强化的作用与碳相似，但氮在钢中不仅不 像碳对钢的耐蚀性有害，而且在一些介质中，常常产生非常有益的影响。加之，前己述及 的氮在1 ，+ 旺双相不锈钢中不仅有利于相比例的控制，而且可显著推迟高温下( 例如焊后) 单相铁素体组织出现和有害金属间相的析出，因而含氮的y + a 双相不锈钢获得了迅速发 展和广泛应用。 m o ：作为一种强烈形成铁素体并缩小t 区的元素，在a + _ r 双相不锈钢中，有利于a 的形成，对一些金属间相，例如，o 相、j c 相等的析出也有很大的促进作用：使似 d 相等 析出速度加快，析出范围加宽，析出温度向上移动。从而提高了双相不锈钢的0 0 d 脆化倾 向。对于含钼量 3 5 的高钼双相不锈钢而言，钼量增加，对钢脆性的影响显得更为严重。 这是影响含钼t 3 5 的高钼a + - f 双相不锈钢发展与应用的主要障碍。但是除了氧化性 介质外，m o 对a + r 双相不锈钢耐还原性介质腐蚀，耐点蚀，耐缝隙腐蚀的良好作用是 人们最感兴趣的。正因为如此，除了c r 、n i 之外，m o 也是n + 1 r 双相不锈钢中最重要的 合金化元素。 w ：钨也是铁素体形成元素，其作用与m o 类似。 1 4 2 铬镍双相不锈钢中的相 c r - n i 双相不锈钢主要是指钢中以c r 、n i 为主要合金化元素的晰双相不锈钢。 图1 4 系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，丫区和m 相区的变化情况。从图中可以看出，当f e 量为5 0 ，6 0 时，a 胁+ t 相界不发生弯曲， f e - c r - n i 三元纯奥氏体合金可在所有温度下保持稳定的月r 组织。当合金中f e 量为7 0 ， 8 0 ，9 0 时，帅相界发生弯曲，向丫区缩小的方向移动。1 0 0 0 时，靠近t ，叶了相界 附近的纯奥氏体钢可能出现某些铁素体。随嘶相区范围扩大，人们就可获得嘶双相 不锈钢，而钢中所含的c r 、n i 总量又使此类钢具有良好的耐蚀性等性能。当f e 量达9 0 时，由于y 相区的扩大，可使f e - c r - n i 合金中高温铁素体与低温铁素体区分开来。高温 常用6 来表示，低温用a 表示。含f e 7 0 左右的不锈钢是由平衡的川双相所组成，我 们所说的a 竹双相不锈钢与一些纯铁素体不锈钢和纯奥氏体不锈钢不同，在叶7 双相不 锈钢的加热与冷却过程中，除a ，t 两相数量的变化外，还会产生组织转变，从而出现二 次奥氏体协碳化物和氮化物以及金属间相，例如。相，x 相，r 相等。它们对叶t 双相 不锈钢的性能常常具有重要的影响。 2 善 l l 1 + ， 嘶 | | | - + l h t 枇t 分t n r 葛1 旷萄1 r 寅强 c t ( 1 t t t 赍t y 柚柚o 钿_ h 艮 9 0 4 t f , 撕柚柚鞫埔 扯 图1 4f e - c r - - i q i 系变温截面图 o a 竹双相不锈钢中的组织转变有两个特点需要注意。一是由于铁素体的晶体点阵密捧 度较低，因此合金元素在铁素体中的扩散速度要比在奥氏体中大得多，例如在7 0 0 附近， 铬元素在铁素体中的扩散速度比在奥氏体中约大1 0 0 倍；二是双相不锈钢中a 和y 两相的 化学成分存在着很大的差异，铁素体中富c r 、m o 等铁素体形成元素，这就有利于富集这 些元素的金属间相，例如。相，j c 相等在铁素体内的局部形核。根据这两个特点，较低温 度下加热，冷却过程中的组织变化主要系在铁素体相中进行，而奥氏体相中基本不发生变 化。同时，双相不锈钢中的析出反应要比纯奥氏体或纯铁素体不锈钢中快得多。 1 ) 二次奥氏体t 2 人们通常把双相不锈钢最终热处理前钢中所含的奥氏体称为一次奥氏体，而把热处理 后，由于出现了a 吖2 反应或浙2 + 碳化物( 前一反应主要发生在无碳或含稳定化元素 t i ，n b 的钢中) ，新析出的奥氏体称为二次奥氏体( 住) 。一般说来，双相不锈钢中a 和丫 两相比例主要是钢中合金元素含量的配比来决定的。即由钢中的c r 当量和n i 当量( 各种 合金元素形成a 和t 相的能力，通常以n i 当量和c r 当量的当量系数) 之比值p 来决定。 1 2 黼川州附hu 西安工业大学硕士学位论文 当p 值一定时，二次奥氏体的析出取决于钢中一次奥氏体量和热处理条件。若平衡状 态下的奥氏体含量以v 忡表示，而v t i 和v 1 2 分别表示一次和二次奥氏体量，那么平衡状 态时，v _ r 0 = - v t l + v 怛。一般情况下，当温度一定时，一次奥氏体数量越多，则析出的二 次奥氏体的数量越少，当v t l v t 2 时，则会发生一次奥氏体的溶解。 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低于1 0 5 0 ( 2 加热时，钢中碳化物便可在铁 素体奥氏体晶界上形成。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。所析出的碳化物，当加热温度较高。可析出m 7 c 3 型碳化物；而低于9 5 0 ( 2 ，则系析出m 2 3 c 6 型碳化物，此种碳化物析出很快，主要沿嘶 相界，但也可沿a a 和价相界析出。 由于碳化物的析出要消耗相邻区域内的铬含量，于是这部分原来为铁素体的区域，随 即可转变为奥氏体。这样一来，就会出现碳化物、奥氏体的聚集区，而原来的矾r 相界就 移出了这一区域，形成新的内界面。 利用高温加热后急冷方式可防止碳化物析出。但是，在双相不锈钢中沿晶界所形成的 碳化物，不似在纯奥氏体钢和纯铁素体不锈钢中对钢的耐晶间腐蚀性能影响那么大，特别 是近来所发展和应用的c r - n i 双相不锈钢，其碳含量大多在如3 0 ，能够析出的碳化物其 量有限，尚不足以在嘶晶界上形成网状。因此，对于超低碳双相不锈钢而言，一般不需 担心碳化物析出所带来的危害。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o o l 0 0 2 范围内，如0 0 c r 2 5 n i 7 m0 4 _ n 超级双相不锈钢中根本没有任 何类型的碳化物析出，这意味着因碳化物析出引起的晶界贫铬而造成的奥氏体不锈钢典型 的晶间腐蚀现象，对于现代的双相不锈钢而言则是另外一种情况了。 ， b 、c r z n 和c r n 型氮化物在双相不锈钢中随着含氮量的增加，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。0 0 c r 2 5 n i 5 m 0 3 n 钢经高温固溶水淬后，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 在铁素体的晶界和晶内析出，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，此外，还有一种立方晶系的c r n 型氮化物被发现在 o o c r 2 2 n i 5 m 0 3 n 焊接接头的热影响区析出，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。 3 ) 金属间相 对双相不锈钢而言，除钢的化学成分和钢的相比例外，钢中金属间相的存在，对双相 不锈钢的性能也有显著影响。含有一定量的a 竹双相不锈钢，其金属间相的形成与高铬 纯铁素体不锈钢非常近似。a + 丫双相不锈钢中的金属间相主要有a ，o 相，j c 相，r 相， f e 3 c r 3 m 0 2 s i 2 相等。这些相都属脆性相，会影响钢的力学性能和耐腐蚀性能，需尽量避 免它们的析出。 _ 、相早期研究发现，铬含量大于1 5 c r 的铁素体不锈钢在4 0 0 5 0 0 温度范围 1 3 西安工业大学硕士学位论文 内长期时效会产生严重脆化，使钢的硬度显著提高，这种现象称为4 7 5 c 脆性。双相不锈 钢同样也存在这种现象，不过仅仅发生在铁素体中。 经固溶处理后具有晰双相组织的不锈钢，再经4 0 0 5 5 0 c 重新长期加热后，在铁 素体内会产生a 川转交。此时，钢的硬度增加，韧性显著降低，即所谓的4 7 5 ( 2 脆性。a 的存在可利用透射电镜薄膜技术观察到 b 、仃相双相不锈钢中。相是危害性最大的一种析出相，它硬而脆，可显著降低钢的 韧性和塑性。具有晰双相组织的不锈钢在6 5 0 9 5 0 c 范围内加热，在铁素体内可产生 a 叫+ o ( j d 反应，而有。相生成。o 相系以f e 和c r 为主要成分，由于。相富c r ，因而 在其周围常常出现贫c r 区而降低钢的耐蚀性或由于。相本身的选择性溶解而使钢的耐蚀 性下降。在f e c r 二元合金中，例如在高铬铁素体不锈钢中，o 的形成一般要低于8 0 0 且形成速度也较慢。但在a 竹双相不锈钢中，由于铁素体中有m o 和n i 的存在，因此。 相甚至可在高于9 5 0 时生成且形成速度很快。为了防止州双相不锈钢中。相的形成， 钢在固溶处理后要求快冷。 c 、z 相在双相不锈钢中，z 相一般在7 0 0 9 0 0 c 温度范围内首先沿铁素体晶界及铁 素体奥氏体相界析出，通常析出的数量要比。相少很多；与。相相比，它在较低的温度 和较窄的温度范围内存在。x 相同样对韧性和耐蚀性能有不良的影响，但因它常与。相共 存，也很难区分她们的影响，又因它占的比例较少，显得不如。相那么重要，但是不容 忽视。 d 、r 相在某些嘶双相不锈钢中也观察到r 相的存在，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 双相钢中为f e 2 4 c r l 3 m o s i 。r 相同样是一个脆性相，对钢的韧性有害，同时降低钢的耐点蚀性能。 e 、f e 3 c r 3 m 0 2 s i 2 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢固溶处理后，再经4 5 0 7 5 0 中 温时效，观察到沿晶界有片状的f e 3 c r 3 m 0 2 s i 2 相的存在。它的出现可导致1 8 5 型双相 不锈钢5 5 0 6 5 0 区间内的沿晶脆断。 1 4 3 合金元素对相比例的影响： c r - n i 双相不锈钢的性能与钢的组织，特别是铁素体与奥氏体之间的相比例有着非常 密切的关系。而双相不锈钢的相比例主要由钢的化学成分来决定。 1 ) c r 当量和n i 当量的影响f e - c r - n i 三元状态图，只代表除f e 、c r 、n i 三元素外， 不含其它元素时的情况。而实际上工程用的所有双相不锈钢还含有其它元素，有些还是合 金成分中不可缺少的，对钢的组织性能有重要影响的合金化元素，有些则系钢中并不需要 或对钢的组织性能有不利影响而又不能完全去处的杂质元素。 多年来双相不锈钢所设计的相平衡就是根据s c h a e f f l e r 图及由他导出的d c i o n g 图( 如 图1 5 ) 和p r y e e - a n d r e w s 图等而定的。s c h a c f f l e l 组织图最初是根据焊缝金属而确定的， 此图随后又推广应用于可变性的双相不锈钢中。s c h a c f f l c r 相图中把钢中主要的合金元素 1 4 西安工业大学硕士学位论文 分为二类：促进形成奥氏体相的元素，主要有n i 、n 、c 、m n 、c o 等；促进形成铁素体 相的元素，主要有c r 、m o 、a i 、s i 、t i 、w 、n b 等。各元素形成1 ，相和a 相的能力分别 以n i 当量和c r 当量的当量系数来加以表征。许多学者进一步确定了表征其它元素对金属 组织影响的系数，从而使s c h a e l l e r 公式更加精确。按照d e l o n g 公式可得： c = c r + m o + 1 5 s i + 0 5 n b ( 1 1 ) n k = n i + 3 0 ( c + n ) + 0 5 m n ( 1 2 ) c k 图1 5d e i o n g 组织图 将双相不锈钢中主要化学元素根据式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 计算，便可得出目前常用的c r 、n i 双相不锈钢在s c h a e l l e r 图中的大致位置，从而判断出钢中伍和r 两相相对含量。 2 ) 合金元素在两相间的分配双相不锈钢中合金元素在a 相和y 相中分配是不i 司的， 在a 相中富集了铁素体形成元素，而1 ，相中富集了奥氏体形成元素。合金元素在两相中的 分配系数( 元素在铁素体中的含量与该元素在奥氏体中含量之比值) 如图1 6 。该分配系 数对在固溶状态( 1 0 4 0 1 0 9 0 ) 的大多数双相不锈钢是相似的。 图1 6 双相不锈钢经1 0 4 0 - 1 0 9 0 1 3 固溶水淬后的元素分配系数值 1 5 西安工业大学硕士学位论文 - - l - _ - - - - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ i - _ _ _ - l _ - _ - - _ _ _ - - _ 。_ i - 一i i i - - - - i _ i 但是，双相不锈钢的分配系数不是恒定的，是随着加热温度和相比例的变化而改变。 0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 经不同温度固溶处理后，合金元素在n 相和- f 相中的变化情况见表1 2 。 表1 20 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 钢在不同固溶温度处理后主要合金元素在a 、t 性相中的分配 随固溶温度的升高，合金元素在两相间的分配逐渐趋均匀，即a 相中的铬、钼、硅 含量逐渐降低，镍、铜含量逐渐增高。高温下两相中的成分相近，可以说明钢的焊接接头 近缝区具有均一的力学性能以及热塑性较好的原因，但是也必然造成了a 相本身的不稳 定性，在失效过程中易于分解转变。 3 ) 相比例对性能的影响双相不锈钢的强度主要取决于a 相，而韧性主要取决于t 相。随着钢中相比例的变化，双相不锈钢的力学性能也发生变化。图系对0 c r 2 5 n i x m 0 2 n 双相不锈钢试验所取得的结果。但是就同一种而言，经不同温度进行固溶处理，虽然可以 得到不同n 、1 ，相比例，但对力学性能的影响，则没有图的规律。这与同一钢种中，随固 溶温度的不同，不仅相比例发生变化，而且还有其它相的溶解和析出以及两相中合金元素 重新分配。 在研究奥氏体对c r - n i 奥氏体不锈钢热加工工艺性能的影响时已经注意到，当钢中铁 素体含量超过5 时，c r - n i 奥氏体不锈钢的热加工塑性便会显著降低。特别是当连轧和 钢管热穿孔等变形条件恶劣时更为明显。单相钢具有最佳的热塑性，且纯铁素体又远比奥 氏