中速应变率下2205双相不锈钢高温变形行为及耐蚀性研究.docx
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中速应变率下2205双相不锈钢高温变形行为及耐蚀性研究
毕业论文
中速应变率下2205双相不锈钢高温变形行为及耐蚀性研究
学校：
昆明理工大学
专业：
材料科学与工程
班级：
2008级一班
学生姓名：
李昂
指导教师：
杨银辉
导师单位：
材料科学与工程学院
教师职称：
日期：
2012年05月
Hightemperaturedeformationbehaviorandcorrosionresistanceof2205duplexstainlessinmediumstrainrate
University：
KunmingUniversityofScienceandTechnology
Major：
MaterialsScienceandEngineering
Class：
MaterialsScienceandEngineering081
Studentname：
AngLi
Guidanceteacher：
YinhuiYang
Workunit：
KunmingUniversityofScienceandTechnology
ProfessionalTitle：
Date：
May2012
摘要
双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点得到迅速发展，广泛用于化工设备领域、输油输气管线、造纸机械等工业领域。
但是，双相不锈钢中铁素体相和奥氏体相的结构不同，高温使用条件下两相变形机制差异较大。
不合理的热加工工艺会导致双相热加工难度加大，最终影响其热加工后的使用性能。
在中等应变速率条件下，本文采用热压缩物理模拟的方法研究不同变形温度对2205双相不锈钢热压缩行为及耐蚀性的影响。
流变应力曲线分析表明，应力随热压缩温度的升高迅速减小，热变形温度为850℃时，应力应变曲线主要呈现出硬化状态。
当热压缩温度升高到950℃时，稳定流变区增大，流变曲线表现出了一定的动态再结晶行为，并在1050℃其流变曲线呈现出了动态再结晶为主的软化机制。
金相组织分析表明，随热变形温度的升高，奥氏体动态再结晶增强，变形组织由850℃的加工硬化状态转变为1050℃的奥氏体动态再结晶组织，而热变形温度进一步升高到1250℃时，高的变形温度导致其奥氏体相减少，并使动态回复的铁素体晶粒粗化。
极化曲线分析表明，1050℃的试样具有较短的钝化区，并随扫描电位的增加而迅速增大到过钝化区。
结合组织分析可知该变形温度下的组织发生了较好的动态回复和再结晶，增加了δ/δ和δ/γ晶界，增大了点蚀的倾向。
耐晶间腐蚀性能测试表明，热变形温度对晶间腐蚀性能的影响不大，但奥氏体动态再结晶增强增大了晶间腐蚀倾向。
通过以上高温热压缩组织和耐蚀性能分析，将优化对中速应变率下2205双相不锈钢热加工温度区间具有重要指导意义，并对新型双相不锈钢的研发提供理论基础。
关键词：
2205双相不锈钢；热压缩；动态再结晶；耐蚀性
ABSTRACT
Theduplexstainlesssteels（DSSs）possesstheadvantagesofausteniteandferritesteelsandgetrapiddevelopment,whicharewidelyusedinpetroleumchemicalequipment,oilpipeline,papermakingmachineryandotherindustrialfields.However,theausteniteandferritephasesinDSSshavedifferentcrystalstructure,whichleadtodifferentdeformationmechanismfortwophases.Thehotworkingwillbedifficultduetoimproperhotdeformationtechnology,asaresult,whichcanleadtobaduseinindustry.Inthemediumstrainrateconditions,theeffectofdifferentdeformationtemperatureonhotcompressionbehaviorandcorrosionresistanceof2205DSSswillbeinvestigatedbyusingphysicalsimulationmethod.Flowstresscurveanalysisshowedthatthestressdecreasedrapidlywithincreasingofdeformationtemperature,andthestateofhardeningappearedwhenthedeformationwas850℃.Whenthehotcompressiontemperaturewasincreasedto950℃,thestablerangeofflowstressgotlarger,furthermore,acertaindegreeofdynamicrecrystallizationbehaviorappearedandthedynamicrecrystallizationwasmaindeformationmechanismwhenthetemperaturewas1050°C.Themicrostructureanalysisshowedthatdynamicrecrystallizationwasenhancedwhenthedeformationtemperatureincreased,andthemicrostructuretransitionfromhardeningstatetodynamicrecrystallizationoccurredwhenthedeformationtemperatureincreasedfromfrom850℃for1050℃,buttheamountofaustenitephasewasreducedasthedeformationtemperaturegothigherandtheferritegrainofdynamicrecoverybecamecoarsening.Thepolarizationcurveanalysisshowedthesamplewiththetemperatureof1050℃hasashorterpassiveregion,andthetranspassivationpotentialformedwiththeincreaseofscanningpotential,thisisbecausethatthemicrostructureexhibitbetterdynamicrecoveryandrecrystallizationinthetemperature,thus,thetendencyofpittingcorrosionwillbeincreasedduetoanincreaseofδ/δandδ/γgrainboundaries.Theintergranularcorrosiontestsshowedthatthedeformationtemperaturehassomeeffectonintergranularcorrosion,buttheenhancementofaustenitedynamicrecrystallizationincreasedtendencytointergranularcorrosion.Itisimportanttooptimizehotworkingrangebytheanalysisofhightemperaturecompressionmicrostructureandcorrosionresistance,whichwillprovideatheoreticalbasisfortheresearchanddevelopmentofnewtypeDSSs.
KeyWords:
2205duplexstainlesssteel;hotcompression;dynamicrecrystallization;corrosionresistance
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1选题背景和意义1
1.2双相不锈钢（DSS）的特点2
1.3双相不锈钢的发展和应用4
1.3.1双相不锈钢的发展历史4
1.3.2双相不锈钢的研究和发展现状5
1.4双相不锈钢的显微组织特性6
1.5双相不锈钢中合金元素的作用7
1.6双相不锈钢的热加工工艺10
第二章试样制备技术及数据分析12
2.1热加工工艺技术原理分析12
2.1.1金属热变形条件下的力学行为和组织变化12
2.1.2材料热加工工艺模拟技术12
2.2试验方案14
2.2.1热压缩实验14
2.2.2金相及XRD分析15
2.2.3耐蚀性测试16
2.3本章小结17
第三章结果与讨论18
3.1应变应力曲线分析18
3.3XRD图谱分析22
3.4极化曲线及晶间腐蚀性能24
第四章结论30
总结与体会32
谢辞32
参考文献：
33
附录A：
英文翻译译文37
附录B：
英文翻译原文55
第一章绪论
1.1选题背景和意义
双相不锈钢（DuplexStainlessSteel）是不锈钢的一个重要分支。
20世纪60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。
[3]20世纪80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21世纪的主流不锈钢种[5],[25],[28]。
近年来，对冷轧不锈钢结构的要求更加严格[17]。
因为碳素钢在桥梁以及普通和极为恶劣的环境下的建筑中使用寿命有限，尽管不锈钢成本更高，但由于在火灾、地震等灾害中的优越性能，可替代碳素结构钢作为建筑结构用材[13]。
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[21]。
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。
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。
[8]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。
因此，合理制定热加工工艺参数对于保证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，本文主要研究了中等应变速率下高温热变形对2205双相不锈钢热压缩行为和耐腐蚀性能的影响，以期为该钢实际生产工艺的制定及优化提供参考[12]。
1.2双相不锈钢（DSS）的特点
双相不锈钢是不锈钢种之一，组织中铁素体和奥氏体相大约各占一半，其中最少相的体积分数不少于30%。
这样的双相组织使得铁素体和奥氏体晶粒均显著细化，由于铁素体的存在，使得双相钢的强度时普通奥氏体钢的两倍，很好地结合了奥氏体和铁素体钢的优点。
各相的百分比取决于化学成分和热处理制度，主要成分是铬和镍。
双相不锈钢兼具奥氏体不锈钢的高韧性、可焊接性以及铁素体不锈钢的高强度、耐腐蚀性和抗应力腐蚀性。
镍含量只有普通奥氏体不锈钢的一半，因此价格便宜，且受镍价格影响较少。
由于铬含量高，抗氢致裂纹腐蚀及氯化物应力腐蚀性优良。
同时，由于是双相混合组织，也减少了晶间腐蚀的可能性。
在焊接凝固过程中不易出现裂纹，为了确保各合金元素的最佳配比，适当的增加铬和钼的含量，与双相钢的优良性能相权衡，可降低生产成本[23]。
由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。
与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：
（1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。
采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。
（2）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。
应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。
（3）在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。
（4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。
（5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。
（6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。
（7）切削性低速、常规喂料速度下，双相不锈钢的加工硬化趋势最小。
（8）由于双相不锈钢的屈服强度高于300系列不锈钢，故初始成型动力也更高。
低塑性使得成型困难，一般采用热加工成型方法。
加工后通常热处理加热到950~1100℃快冷，采用完全退火处理可以获得最佳性能。
与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：
（1）应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。
（2）其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。
（3）存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。
与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：
（1）综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。
（2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。
（3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。
（4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。
（5）应用范围较铁素体不锈钢宽。
与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：
合金元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。
综上所述，可以概括地看出双相不锈钢的使用性能和工艺性能的概貌，它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料[26]。
1.3双相不锈钢的发展和应用
1.3.1双相不锈钢的发展历史
1927年，Bain和Griffiths首先发现了双相组织。
双相不锈钢的发展与应用开始于20世纪30年代，法国获得了第一个专利。
到目前为止，双相不锈钢已发展了三代。
第一代双相不锈钢以美国在20世纪40年代开发的329钢为代表，含有较高的cr和Mo，耐局部腐蚀性能好，但因含碳量较高（≤0.1％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329钢的基础上降碳，提出了329J1钢，这种钢可作为可焊接的结构钢使用。
至20世纪60年代中期，瑞典开发出了著名的3RE60钢，它是第一代双相不锈钢的典型代表，特点是超低碳、含Cri为18％、焊接及成型性能良好，并广泛代替AISI304L和316L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。
从20世纪70年代开始，随着二次精炼技术AOD和VOD等方法的出现与普及以及连铸技术的发展，超低碳（C≤03％）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。
20世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代双相不锈钢，牌号有SAF2507，UR52N+，Zeronl00等，这类钢的特点是含碳量低（C0.01~0.02％），且含有较高的Mo和氮（Mo约4％，N约0.3％），铁素体含量约占40-45％，此类钢具有优良的耐孔蚀性能。
双相钢产生已有八十年历史，但在冶炼与深加工方面的困难一直限制着它的生产与应用，直到上世纪七十年代精炼技术的发展才逐步解决了上述问题。
2002年世界上双相不锈钢的产量只占总产量的1％，但它的增长率却高达17％，大大高于其它钢种的增长速度。
可以说双相不锈钢在世界上仍属于刚刚起步的“新材料”。
1.3.2双相不锈钢的研究和发展现状
双相不锈钢的发展始于20世纪30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。
Crl8型、Cr22型和Cr25型钢种系列化以及含W、Mo、Cu、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AOD（氩氧脱碳法）、VOD（真空吹氧脱碳法）和ASEA．SK（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0.01％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、Cu、Re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。
1.4双相不锈钢的显微组织特性
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（δ）和奥氏体（γ）两相数量的变化外，还会产生组织转交，从而出现二次奥氏体（γ2）、碳化物、氮化物和金属间化合物，例如。
σ相、χ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Fe．Cr-Ni合金的状态图。
图中指出了随合金中Cr+Ni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Fe量为60％，70％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。
图1-1Fe-Cr-Ni合金状态图，（a）60%Fe,（b）70%Fe
相比例对性能的影响：
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。
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。
一般说来，在双相不锈钢中随着奥氏体相的增多，抗拉强度和屈服强度下降，而延伸率则上升。
但是就同一钢种而言，经不同温度进行固溶处理，虽然同样可以得到不同的铁素体、奥氏体相比例，但对力学性能的影响则有可能不符合上述规律。
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的重新分配有关[14]。
1.5双相不锈钢中合金元素的作用
双相不锈钢钢中最重要的合金元素有镍、铬、钼、氮、钨、铜等，它们对钢的组织和性能有直接影响。
镍的作用：
镍是强烈形成奥氏体和扩大奥氏体相区的元素，在双相不锈钢中镍是主要控制相平衡的元素。
在铬、钼等其它元素不变的条件下，为使双相不锈钢得到最佳的耐孔蚀性能，需要一个特定的镍含量，使铁素体和奥氏体相各占50％左右。
可以认为镍的主要作用是控制组织而不是耐腐蚀性问题。
如果镍量高于最佳量，致使钢中奥氏体相数量超过50％，则使铁素体相中更多富集铬、铝等促使σ脆性相转变的元素，易于在700~950℃范围转变成脆性σ相等，使钢的塑韧性下降；相反，如果镍量低于最佳量，又会导致钢中铁素体数量高，也会得到低韧性。
固态结晶时铁素体相立即形成，对双相不锈钢的焊接不利。
双相不锈钢的镍量一般控制在4.5~7.5％。
铬的作用：
铬是强烈形成和稳定铁素体相并缩小奥氏体相区的元素，也是不锈钢获得耐蚀性的基本合金元素。
在氧化性介质中，铬能使钢表面生成Cr203稳定而致密的保护膜，产生钝化，阻止基体的进一步腐蚀，并能提高破坏后钝化膜的修复能力，使钢的再钝化能力增强。
铬能有效地提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性。
此外，高含量的铬意味着在材料中可有非常努的氮溶解度。
但是随铬含量的增加，∥和a等金属间化合物的析出加速。
从Fe-Cr二元相图中已知，铬扩大δ/δ+σ相区，提高铬会加速δ→σ+γ2的分解转变，使钢的脆性倾向增大，脆性转变温度明显升高。
因此，双相不锈钢中的铬一般控制在27％以下。
在双相不锈钢中提高铬固然可以提高耐腐蚀性，但是，在强氧化性酸和一些还原介质中，只靠铬的钝化不足以维持其耐腐蚀性，有必要添加抑制阳极溶解的元素，如镍、铝、硅等与铬配合，
尤其是钼，在中性含氯化物的溶液中铬与钼的配合能显著提高钢的耐孔蚀性能。
双相不锈钢中的含铬量一般控制在18~25％。
钼的作用：
钼是显著提高双相不锈钢耐孔蚀性能的重要元素，也是通过富集在靠近基体的钝化膜中来提高钝化膜的稳定性。
研究结果表明，含钼不锈钢活性区的阳极电流比不含钼的钢更低，且钝化膜中的MoO2对在低pH值高浓氯化物中使用的钢也有良好的保护作用。
钼是铁素体形成元素，能促进α、σ和χ等金属间化合物的析出，并使TTT曲线的析出范围加宽以及析出温度上移。
此外，钼还能加大双相不锈钢的脆化倾向和缺口敏感性。
因此，对于含3.5~4％Mo的超级双相不锈钢，尤其要注意脆性相析出所导致韧性下降问题。
氮的作用：
氮也是强烈形成和稳定奥氏体、扩大奥氏体相区的元
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