双相不锈钢试验研究报告.docx

1、双相不锈钢试验研究报告双相不锈钢试验研究报告一、概论1、双相钢的定义所谓双相不锈钢， 是指其组织为奥氏体加铁素体， 通常的理解是 认为奥氏体、铁素体各占一半，文献 1指出，一般较少， 相的含量最 少，也需达到30%,文献5认为在奥氏体基础上有15%的铁素体或 在铁素体基础上有15%奥氏体，均可称为奥氏体+铁素体双相不锈 钢，双相不锈钢有时用Y a （或Y + a）不锈钢表示5，也有文 献2用丫 + 8表示。双相不锈钢的组织比例是通过正确控制化学成分和热处理工艺 实现的,将奥氏体不锈钢所具有的高韧性、 良好的可焊性与铁素体不 锈钢所具有的高强性、 耐氯化物应力腐蚀性能结合起来, 使双相不锈 钢即

2、具有奥氏体不锈钢的优点, 又具有铁素体不锈钢某些耐腐蚀特性, 所以自 1927年发现其特征以来,得到了迅速发展。2、双相不锈钢的发展史1927年Bain和Griffi+hs首先发现了双相组织，1930年Hochmann 偶然发现提高奥氏体不锈钢铬含量, 不仅不锈钢具有了磁性, 而且可 提高耐晶间腐蚀性能。 奥氏体不锈钢中含有一定数量的铁素体可改善 其可焊性,防止焊缝开裂。法国在 1935年获得第一个有关双相不锈 钢的专利1。第一代双相不锈钢是美国 40年代开发的, 牌号为 329 钢，含有较高的铬、钼，耐局部腐蚀性能很好，但由于含碳量较高（w 0.1%C,所以焊时相比例失衡，沿晶界析出碳化物，

3、导致耐腐蚀性能、韧性降低，焊后必须经过热处理，因此在应用方面有局限性。 50年代，前苏联开发的0X21H5T和08X21H6M2T,德国的1.4582,法国 Uranus50,英国的Ferraliam255以及日本在美国329钢基础上降低碳含量而提出的329J钢等都可以作焊接结构使用的第一代双相不锈钢。 第一代双相不锈钢最代表性的是瑞典在 60年代中期开发的3RE60钢, 特点是超低碳，铬含量为18%,可焊性、耐氯离子产生的应力腐蚀、 点腐蚀和耐晶间腐蚀等性能良好，广泛用于代替304L、316L使用1、 2。AISI 329 3RE60及 329J 化学成分见表 13、4。表1第一代双相不锈钢

4、化学成分（%）牌号化学成分CSiMnPSCrNiMoAISI 329 0.10 1.50 0.040 0.03025.030.03.06.03RE60 0.031.42.0 1.50 0.040 0.03018.019.05.56.52.53.0329J1 0.08 1.00 1.50 0.04040,在苛刻的介质条件下，仍具有良好的耐腐蚀性能。瑞典山特维克（SANDVIK研究报告称SAF2507 （即UNS S32750） 是适用于特别腐蚀情况下的高合金超级双相不锈钢、它是专为海 水等含氯化物环境而研制的 7。抗点腐蚀和缝隙腐蚀主要元素是 Cr、Mo和N,衡量抗该两种腐 蚀的指标定义为PRE

5、（也称为抗点腐蚀当量），这就是说PRE较低限 制材料的抗腐蚀能力。表4是几种材料的PRE值。二双相不锈钢中的相及合金元素的作用1 双相不锈钢中的相1.1双相的形成双相不锈钢是指以Cr、N为主要合金元素的a +丫双相不锈钢。从图3 （p3.5） Fe-Cr-N合金状态图可以看出随铬含量增加， 铁含量减少， 丫 + a区扩大，当Fe含量降5060%时，a +丫区扩大到最大并可保留 到室温，从而得到a + 丫双相组织不锈钢，应注意的是：a + 丫双相不 锈钢的组织转变特点。 一是铁元素的晶体点陈密排度较低， 因此合金 元素在a铁（高温铁素体应称为3铁，为述叙方便本文均称为a铁） 中的扩散速率要比在丫

6、铁中大得多。列如在700C左右，铬在a铁中 的扩散速度比在丫铁中大约100倍。二是双相钢a 丫两相的化学成分 存在较大差异， 铁素体形成元素含量较高， 有利于富集这些元素的金 属间相的形成，如3相，x相等，奥氏体中富集的是奥氏体形成元素， 如 Ni、 Mn、 Cu、 N 等，双相不锈钢中合金元素分配系数并不是恒定 值，它与热处理温度有有关， 这个问题将双相不锈钢的热处理中讨论。 双相不锈钢是a+r两相构成，不同牌号双相钢的a与r的比例不同。 每个牌号的双相钢的 a 与 r 比例如何，已有很多研究。正如前所述 a 与 r 的比例是钢所含化学成分决定的，当然热处理也有一定的影响。 这里首先讨论的是

7、化学成分与相比例之间的关系。金属材料及焊接工作者都知费舍尔 Cr-N;合金组织状态图（Sehaerrs diagram），见图4可以看出Cr-N;合金组织决定于奥氏体形成元素（镍 当量）与铁素体形成元素（铬当量）的比，其中 Cr、 Ni 当量分别为：Cr 当量二Cr%+Mo%+1.5Si%+1.75Nb%+1.5Ti%+5.5Ai%+0.75W%Ni 当量二 Ni%+Co%+30C%+30N%+0.5Mn+0.3Cu应该指出，在不同的文献中给出的元素系数略有差异，1986年美国焊接研究委员会(WRC会同美国高合金委员会不锈钢 分会对 Delong 组织图做了修订，修订后的 Delong 图见图

8、 4，从而比 较精确的预测不同化学成分双相钢a相与丫相比较，但当Si 1%,或Mo 3%时精度下降。近几年以来， 国外利用热力学数据计算合金元素与相平衡的关系， 作 者藏华勋等1根据欧洲热力学数据库(SGTE以双相钢的化学成分 和热处理为计算奥氏体数量的基础进行了热力学计算, 得出双相钢中 奥氏体线解方程如下：fr=2.2- ( 1.39 X 10-3)T+ (1.35 X 10-3)T-0.78 %C+ ( 1.30 X 10-5)T-0.037%Cr+ ( -2.44X 10-6)T+0.099%Cu+ ( -5.04X 10-5 ) T+0.061Mn%+ ( -3.08 X 10-6

9、) T-0.008 %Mo+ ( 1.56 X 10-3 )T-1.04N%+( -3.97-10-5) T+0.11%Ni+( 3.32X 10-4) T%Si+( 2.11X 10-5) T-0.038%W 根据钢的化学成分和固溶处理温度按此方程式即可计算出在不同温度下的奥氏体数量，并认为计算数据与实验结果吻合得很好 1。1.2双相不锈钢中的其他相1a相经过固溶处理后具有 a + 丫双相组织的不锈钢，如果在400500C长期加热，铁素体内发生a T a 转变。在性能方面使硬度 增加，韧性显著降低，即所谓475C脆化。a 相的存在可通过透射电 镜技术观到。2。相 具有a+丫双相组织的不锈钢在

10、650950C范围内加热，在铁素体内可产生aY + (X)转变，生成c相。c相是高铬的铁铬金属化物5XXXX硬脆化相，降低钢的塑性韧性。由于c相富铬，因此 c 相周围常常存在贫铬区而降低钢的耐腐蚀性， c 相本 XXXX 选性溶 解也使钢的耐腐蚀性能受到影响。在二元 Fe-Cr合金中，如高铬铁素 体不锈钢中c相的形成温度，一般低于800C而且成速度也缓慢，但 在a +y双相不锈钢中，由于铁素体中有 Mo和Ni的存在，促进c相 甚至在高于950 C形成，并且生成速度也较快，文献3认为在数分钟 之内就可析出。所以为防止双相不锈钢中生成 c相，在固溶处理时要 求快冷。c相形成机理说法不一，有文献认为

11、，在600800C范围内高铬铁 素体发生分解，在奥氏体与铁素体相合面处析出 M23C6 型炭化物， 引起铁素体贫铬，又使奥氏体铁素体相界面向铁素体方向迁移， 这部分贫铬铁素体转变成二次奥氏体， 在二次奥氏体长大过程中， 使 从其中释放出的铬转移给附近的铁素体， 这部分富铬铁素体有可能促 进c析出。3X相 X也是一种富铬，富钼的金属XXX相，结构认为F36Cr12Mo10, 形成温度为600900C, 般是沿奥氏体和铁素体相界析出。 x相与 c相一样也是硬脆相，并在析出x相周围造成贫铬区，降低钢的耐腐蚀性。4二次奥氏体 xxxc 相 双相钢的两相组织随加热温度升高而变化， 当加热温度超过1300

12、C时，有些双相钢可能xxx为铁素体组织，这时 铁素体的稳定性差， 在冷却过程中铁素体晶界出将有部分铁素体转变 成奥氏体，这种奥氏体被称为二次奥氏体。 二次奥氏体的形成机制并不完全相同， 在较高温度下形成的二次奥氏 体是以晶核形成和晶粒变大方式完成， 属于扩散型转变，有研究证明， 一般是在xxxxx处成核，沿铁素体xxx晶界长大，有魏氏组织特征。 高温二次奥氏体与周围铁素体相比，镍含量较高铬含量较低。在300650C温度范围内形成的二次奥氏体是非扩散型转变，xxxx 奥氏体型切变转变， 从高温下水冷得不到二次奥氏体。 如前所述组织 中析出。相或碳物时其周围的富镍。贫铬区也会转变为二次奥氏体。5R

13、相R相是Fe、Mo，也是脆性相，也降低钢的耐腐蚀性能。 其他，如碳化物、xxxxx, Fe3C3M02S2,奥氏体相等这里就研究 了。2 合金元素对铬镍双相钢组织和性能的影响。2.1 镍的影响镍是奥氏体形成元素，在 a +y双相不锈钢中，随镍含量增加 Y 相增加，研究表明镍在其他方面的作用是：1镍在双相不锈钢中促进(T ( x )的形成，增加钢脆性，镍含 量过低导致铁素量的増加，也使钢的塑性韧性下降，见图 5，在双相区内冲击值可达 200250J/cm2镍含量达到10%时，双 相不锈钢的抗拉强度达到最大值，而镍含量 5%时屈服强度达到最大值。225%双相不锈钢在 45%MgM12 溶液中沸腾腐

14、蚀试验证明，镍 含量 2%时（实际是单相铁素体组织）耐应力腐蚀性能最差， 镍含量在68%时（钢a相约为40%50%其耐应力腐蚀性能 最好。3含 22%时含镍 46%,含镍 25%时含镍 48%双相钢有最好的耐 点腐蚀性能。4镍合金量在 57%变化时，对耐缝隙腐蚀影响不大。 有研究指出， 为了获得良好耐点腐蚀性能， 当双相钢中的铬 一定时，必定有一个适宜的镍含量范围，如 25Cr-3Cu-0.15N 钢， 最佳的镍含量约为5%;对于28Cr-2.5-1.5Cu-0.15N钢而言，镍的 最佳含量约为 8%。2.2氮的影响氮与镍一样都是扩大y区元素，但奥氏体形成能远远大于镍，与碳相当， 但氮固溶强化

15、提高钢强度的同时而在某些介质中常常 表现出有益的影响， 氮的加入不仅有利于相比例的控制， 而且可 显著推迟高温下单相铁素体组织的出现 （例如焊接 ）和有害金属间 相的析出。研究表明氮显著提高双相不锈的耐缝隙腐蚀和点腐蚀 性能。在一些介质中氮对钢耐应力腐也有良好的作用。 氮提高耐 腐蚀性能的原理是氮在表面膜中富集。改善了表面膜钝化能力， 使裂纹不易生成。2.3锰的影响 钢种锰含量（V%以后）的降低，耐点腐蚀性能提高。双相不锈 钢在750950C时效时，Mn有促进a相形成的作用，并显著降 低钢韧性。Mn降低耐腐蚀性能与a相析出和Mn S形成有关。2.4铜的形成a +丫双相不锈钢加铜可提其在还原性酸

16、性介质中的耐蚀性，但 适合的添加量与铬含量有关。例如，在 60C, 70%H2so4中，当Cr约为25%时，Cu合适的添加量为1.5%;当Cr为28%, Cu为 1%。在有足够铬含量的前提下， 双铜不锈钢中添加 Mo、Cu可进 一步提高在H2SO4中的耐腐蚀性。当铜含量大于0.5%时可提高双 相钢耐缝隙腐蚀。2.5铬的影响铬在双相不锈钢中的主要作用：1稳a相塑小丫区，降低奥氏体转变温度。2随铬含量增加，双相钢耐腐性能，这与铬降低钝化电流，使 双相钢容易钝化有关。3随着铬的增加，双相钢的屈服强度也增加。必须指出的是，在一些还原行介质和强氧化性介质（如 XXX和发烟硝酸XXX）中，单靠的钝化难以维持 a +y双相钢的耐腐蚀性， 必须适当添加Ni、Mo、Si、Cu其他xxxx是获得更好的耐腐蚀性2.6钼的影响钼在双相不锈钢中的作用是：1缩小Y区，有利于a相的形成。2租金彷相、x相的形成，加快析出速度，提高形成温度，增 加析出范围。3提高耐氧化性介质， 还原性介质和耐点腐蚀， 缝隙腐蚀性能 其他元素如 Si、 W 等对双相不锈钢的耐腐蚀性能都有积极作用。