22Cr双相不锈钢的断裂特性研究.pdf

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1、西安石油大学 硕士学位论文 22Cr双相不锈钢的断裂特性研究 姓名：刘洋 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：王荣 20090520 中文摘要 论文题目：2 2 C r 双相不锈钢的断裂特性研究 专业：材料学 硕士生：刘洋( 签名) 指导老师：王荣( 签名) 摘要 采用拉伸、冲击和疲劳试验，研究了热处理工艺( 固溶处理、固溶处理+ 时效处理) 对2 2 C r 双相不锈钢板材的断裂性能指标和疲劳性能指标的影响，从组织上分析了这些 性能指标的变化规律，并依断口形貌分析探讨了2 2 C r 双相不锈钢在不同试验条件下的 断裂机制，为2 2 C r 双相不锈钢的使用提供参考。 试验结果表明：

2、与1 0 5 0 固溶处理相比，1 1 5 0 固溶处理随着口相含量的增加， 材料的断裂强度盯，和断裂功玑均不断升高，而断裂延性s ，没有明显的变化。9 5 0 固 溶处理和8 5 0 时效处理，随着析出相含量的增加，材料的断裂强度仃，、断裂延性g ，和 断裂功巩不断下降。4 7 5 时效处理，随着相从口相调幅分解，材料的断裂强度仃，升 高，断裂延性s ，略有减小，但幅度不大，断裂功U 无明显变化。 在试验温度范围内，经11 5 0 固溶处理的试样在温度低于2 0 时，冲击功随着温 度的下降而降低，温度的变化对板材和其它热处理条件下的试样冲击功没有明显的影 响。板材、1 0 5 0 和1 1

3、5 0 固溶处理的试样有良好冲击韧性和较高的断裂韧性。9 5 0 固溶处理和8 5 0 时效处理显著降低了试样的冲击韧性和断裂韧性。4 7 5 时效处理降 低了试样的冲击韧性和断裂韧性。 2 2 C r 双相不锈钢的疲劳寿命主要受当量应力水平控制，并取决于热处理工艺。以 当量应力表示的疲劳寿命公式可很好地用来描述双相不锈钢的应力疲劳寿命规律。当量 疲劳极限随钢的抗拉强度线性增加。轧制板材在1 0 5 0 固溶处理后疲劳寿命略有降低， 1 0 5 0 固溶处理后进行时效处理，8 5 0 时效处理具有较高的疲劳寿命，4 7 5 时效处理 具有更高的疲劳寿命。 关键词：2 2 C r 双相不锈钢热处

4、理析出相断裂性能疲劳性能 论文类型：基础研究 l I 英文摘要 S u b j e c t ：I n v e s t i g a t i o n so nt h ef r a c t u r ep r o p e r t i e so f 2 2C rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l M a j o r ：M a t e r i a ls c i e n c e N a m e ：L i u Y h n g ( s i g n a t u r e ) 生! 坚i 垒塑 I n s t r u c t o r ：w a n gR o n g ( S i

5、g n a t l l r e ) 且丝岫 A B S T R A C T E f f e c t so fh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gs o l u t i o nt r e a t m e n ta n da g i n gt r e a t m e n t ， o nf r a c t u r ep r o p e r t i e sa n df a t i g u eb e h e a v o ro f2 2C rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e

6、 lw e r ei n v e s t i g a t e d b yt e n s i l et e s t s ，i m p a c tt e s t sa n df a t i g u et e s t s E f f e c t so fm i c r o s t r u t u r eo nf r a c t u r ep r o p e r i t i e s a n df a t i g u eb e h e a v o rw e r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s A n df r a c t u r em e c h a n i

7、s m so f2 2C rd u p l e x s t a i n l e s si nd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e dp r o p e r l y a c c o r d i n g t o f r a c t o g r a p h i cf e a t u r e s T h e s ei n v e s t i g a t i o n sC a nh e l pU S t ou s et h es t e e l n l ee x p e r

8、i m e t a lr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h es o l u t i o nt r e a t m n e ta t10 5 0 ， r u p t u r es t r e n g t hO fa n de n e r g yo fr u p t u r e 玩o fs o l u t i o nt r e a t m e n ta t115 0 i n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n to f 口p h a s e ，

9、a n df r a c t u r ed u c t i l e E f d i dn o tc h a n g e d o b v i o u s l y R u p t u r es t r e n g t hO f 、f r a c t u r ed u c t i l e|a n de n e r g yo fr u p t u r eU ，o f s o l u t i o n t r e a t m e n ta t9 5 0 “ Ca n da g i n ga t8 5 0 d e c l i n e dw i t l lt h ei n c r e a s eo ft h

10、ec o n t e n to f i n t e r m e t a l l i cp h a s e A f t e ra g i n ga t4 7 5 ，r u p t u r es t r e n g t h 仃ri n c r e a s e d ，r u p t u r es t r e n g t h 仃，d r o p p e ds l i g h t l ya n de n e r g yo fr u p t u r eU 6c h a n g e dh a r d l y 埘t h p h a s es p i n o d a l d e c o m p o s e df

11、 r o m 口p h a s e I nt h et e s tt e m p e r a t u r e s ，e n e r g yo f c h a v p yi m p a c to f t h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ea t115 0 “ C d e c l i n e da st h et e m p e r a t u r ed r o p p e dw h e nt h et e s tt e m p e r a t u r ei sl e s st h a n - 2 0 “ ( 3 E f f e c t so f t e

12、 m p e r a t u r eo nt h ee n e r g yo fc h a v p yi m p a c to fa s r e c e i v e ds h e e t sa n dt h es p e c i m e n sb yo t h e r h e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sw e r en o to b v i o u s A s r e c e i v e ds h e e t sa n dt h es p e c i m e n so ft h e s o l u t i o nt r e a t m

13、 e n ta t10 5 0 a n da t115 0 e x h i b i tg o o di m p a c tp r o p e r t i e sa n dh i g hf r a c t u r e t o u g h n e s s H o w e v e r , t h ei m p a c tp r o p e r t i e sa n df r a c t u r et o u g h n e s so ft h es o l u t i o nt r e a t m e n ta t 9 5 0 。Ca n dt h ea g i n ga t8 5 0 d e c

14、r e a s e dc o n s i d e r a b l y T h ei m p a c tp r o p e r t i e sa n df r a c t u r e t o u g h n e s so ft h ea g i n ga t4 7 5 “ Ca l s od e c r e a s e d F a t i g u el i v e so f2 2C rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e r em a i n l yc o n t r o l l e db ye q u i v a l e n ts t r e s s

15、 r a n g e ，a n dd e p e n d e do nt h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s T h ef o r m u l af o rf a t i g u el i v e s e x p r e s s e di ne q u i v a l e n ts t r e s sc a nb eu s e dt of i tt h et e s td a t a Ag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pe x i s t e d b e t w e e nt h

16、ee q u i v a l e n tf a t i g u el i m i ta n dt h eu l t i m a t es t r e n g t ho ft h es t e e l C o m p a r e d 、析t l lt h e a s - r e c e i v e ds h e e t s ，t h ef a t i g u el i v e so f t h es o l u t i o nt r e a t m e n ta t1 0 5 0 d e c r e a s e ds l i g h t l y n l e f a t i g u el i v

17、e so fa g i n ga t8 5 0 “ Cw e r ei m p r o v e da n dt h ef a t i g u el i v e so fa g i n ga t4 7 5 “ C ，c 他 i n c r e a s e dc o n s i d e r a b l y I I I 英文摘要 K e yw o r d s ：2 2 C rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；h e a tt r e a t m e n t ；i n t e r m e t a l l i cp h a s e ；f r a c t u r

18、 e p r o p e r t y ；f a t i g u eb e h e a v o r T h e s i s ：F u n d a m e n tr e s e a r c h I V 学位论文创新性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相

19、关责任。 论文作者签名：窆l 涟 日期： 占闫肿日 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 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。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：厶旦坠旦 日期：丑笪：! 丝 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 啦趣 第一

20、章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 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。它是一种具有高强度、 高耐腐蚀性能和优良的焊接性能的不锈钢，由铁素体和奥氏体组成，其两相的相对含量 为铁素体5 0 ，奥氏体5 0 【l 】。它综合了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，强度是 一般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，又具有铁素体不锈 钢的许多优点，例如大大减少了氯化物应力腐蚀产生的裂纹；耐腐蚀性的范围几乎和奥 氏体不锈钢一样广。克拉2 气田是西气东输主力气田之一，其地面集输管网选用2 2 C r (

21、 2 2 0 5 ) 双相不锈钢材料制造。它是一种中合金型的双相不锈钢，因其含有2 2 的C r 和铁素体与奥氏体，也常被称作2 2 C r 双相不锈钢1 2 】。由于克拉2 气田天然气中的氯粒 子，对普通碳钢管材有较强的腐蚀性，普通碳钢管材容易腐蚀而穿孔。而2 2 C r 双相不 锈钢作为一种高级耐腐蚀管材具有很强的抗氯粒子应力腐蚀和点腐蚀的能力，因此，克 拉2 气田产能建设大批量引进和使用了2 2 C r 双相不锈钢管材。 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 或因慢速加热或冷却导致金属间的化合物的析出，使钢的性能恶化，直接影响材料的质 量和安全可靠的应

22、用。双相不锈钢在输气管线上的应用目前还很少，对其抗腐蚀性能指 标与断裂规律的研究还不够深入。 在机械性能方面，由于双相不锈钢存在脆性相的析出，直接影响双相不锈钢的机械 性能，尤其是降低钢的韧性，其冲击功A k 可由固溶处理的2 8 0 J 降低到脆性相析出后的 4 0 J 。2 2 C r 双相不锈钢主要存在8 5 0 和4 7 5 两个脆性敏感的温度点【l 。3 1 ，在该脆性敏 感点范围内，由于金属化合物的析出，对材料的力学性能均有一定的影响，这些组织变 化强烈影响双相不锈钢的机械性能和冲击韧性，导致其塑性和韧性降低【5 - 6 1 ，而且对双 相不锈钢的疲劳性能也缺乏深入的了解。有限的研

23、究结果表明：轧制的棒材比轧制板材 具有较低的疲劳抗力，板材的疲劳性能呈现各向异性【| 7 1 ；4 7 5 时效在拉伸和冲击试验 中呈现脆性【6 】，但却具有较高的疲劳抗力【8 J 。但有关这方面的研究还很欠缺，目前尚不 能确定2 2 C r 双相不锈钢脆性析出相和各项性能指标的关系，2 2 C r 双相不锈钢的使用存 在问题。 对2 2 C r 双相不锈钢断裂韧性的研究，不仅能为输送管道设计和安全性评定提供可 靠的韧性数据，而且也可为我国高级双相不锈钢的开发和生产提供理论依据，保证2 2 C r 双相不锈钢的安全使用，同时也为2 2 C r 双相不锈钢的使用提供依据。 西安石油大学硕士学位论

24、文 1 2 文献综述 1 2 1 双相不锈钢概述 ( 1 ) 双相不锈钢的分类 双相不锈钢，严格按照相比例的多少，可分为以奥氏体为基的奥氏体铁素体双相 不锈钢( 铁素体含量在5 以上，不超过2 0 ，如1 C r l 8 N i l1 S i 4 A I T i 钢的最佳铁素体含 量为1 5 左右) ，和以铁素体为基的铁素体奥氏体双相不锈钢( 一般铁素体占5 0 - - - , 7 0 ，奥氏体占5 0 “ - - 3 0 ) 。 双相不锈钢按其化学成分可分为两类1 9 1 ：C r - N i 系这类钢是以铁素体为基的双相 不锈钢：按照含铬量的多少，又可分为C r l 8 型，如O O C

25、r l 8 N i 5 M 0 3 S i 2 、( 3 R E 6 0 ) 之C r 2 1 型，如0 0 C r 2 2 N i 5 M 0 2 ( 2 2 0 5 ) 和C r 2 5 型如0 0 C r 2 5 N i 7 M 0 2 ( 2 5 0 7 钢) ；C r - M n - N ( 含 C r - M n - N i - N ) 系这类钢是以奥氏体为基的双相不锈钢，1 C r l 8 M n l 0 N i 5 M 0 3 N 、 0 C r l 7 M n l 3 M 0 2 N 以及Z G l C r l 7 M n 9 N i 4 M 0 3 C u 2 N 等。与奥

26、氏体不锈钢相比，双相不 锈钢是一类节镍的不锈钢。 ( 2 ) 双相不锈钢的特性 双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相所组成，它在一定程度上兼有奥氏体和铁素体钢 的特征。奥氏体相的存在，降低了高铬铁素体不锈钢的脆性，防止了晶粒长大倾向，提 高了韧性和可焊性；铁素体相的存在，提高了奥氏体不锈钢的室温强度，尤其是屈服强 度和导热系数，降低线膨胀系数和焊接热裂倾向，同时大大提高钢的耐应力腐蚀开裂性 能，还可改善耐点蚀等性能。但是双相不锈钢因奥氏体相和铁素体相同时存在而带来的 某些缺点。因铁素体含量较多，保留了高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，尤以铁素体 为基体的高铬( 如2 5 C r ) 、钼双相不锈钢最为

27、显著。因铁素体和奥氏体相的变形能力不 同，冷热加工性能较差。以两相性质为例，铁素体的屈服强度在室温比奥氏体高，而在 高温下却比奥氏体低，其再结晶速度也不同，奥氏体加工硬化比铁素体快得多。因此， 两相在一起承受加工变形的相互不协调，在相界面存在高的内应力，在一定条件下会导 致破裂。因此在加工时，必须严格遵守加工工艺规范 9 1 。 ( 3 ) 双相不锈钢的工艺性能 a 焊接性能以奥氏体为基的铬锰氮系奥氏体铁素体不锈钢有着良好的焊接性 能，具有很好的抗热裂性能和抗晶间腐蚀性能。可采用铬锰氮系焊条，焊后无需进行热 处理。但若采用18 8 型铬镍系焊条，则焊后仍需进行热处理。以铁素体为基的铬镍系 铁素

28、体奥氏体不锈钢同样具有良好的焊接性能。在某些情况下采用奥氏体不锈钢焊条 ( 1 8 8 型) 焊成的焊缝，可能对裂纹敏感。但使用奥氏体铁素体不锈钢焊条，就能够 避免冷却时形成裂纹。这类双相不锈钢焊前不需预热，焊后一般也不需要进行热处理。 在使用条件较为苛刻的腐蚀环境中，以焊后再进行一次固溶处理为好。 2 第一章绪论 b 铸造性能奥氏体铁素体双相不锈钢的铸造性能良好。铬锰氮系双相不锈钢铸 造时气孔敏感性较大，铸件易产生气孔。为了获得致密而无气孔的铸件，应当在冶炼工 艺和铸造工艺上采取措施。实践证明，恰当地控制钢液中的氢含量是获得致密铸件的关 键之一。铬锰氮系双相不锈钢的铸造收缩率一般为2 6 “

29、 - 2 8 。 c 锻造性能奥氏体铁素体双相不锈钢的热塑性比奥氏体不锈钢差，因此锻造性 能差。这是由于铁素体与奥氏体的形变能力不同，受外力作用时，铁素体与奥氏体变形 程度不均匀，产生附加应力并降低了晶粒间的结合力。此外，铁素体在大约9 5 0 以下 保温，有析出c l r 相等脆性相的危险，从而降低钢的塑性，导致变形困难。在锻造双相不 锈钢工件时，必须严格控制锻造工艺，且在初始1 2 次锻造时，变形量不能太大，只 能轻轻拍打。这类钢的锻造工艺参数是：始锻温度为1 1 0 0 “ - - 1 1 5 0 ，终锻温度为大于 9 5 0 。 d 切削性能奥氏体铁素体不锈钢的切削性能与奥氏体不锈钢相

30、当。 ( 4 ) 双相不锈钢组织中的相变 与纯奥氏体及纯铁素体不锈钢不同，双相不锈钢在热处理过程中，会发生某些组织 转变，而影响钢的性能【9 】。 a 丫_ Q 转变双相不锈钢当加热温度足够高时，会发生P 仅转变，即奥氏体相逐 渐减少，而铁素体相不断增多，从F e C r 二元相图上可知随温度升高，丫与a 相界线是 向丫区移动。当加热温度相当高时，某些双相不锈钢如0 C r 2 6 N i 6 T i ，甚至会转变成纯铁 素体组织的单相钢。 b 二次奥氏体的析出双相不锈钢在热处理前所含有的奥氏体称为初生奥氏体， 又称一次奥氏体，而在热处理过程中所析出的奥氏体称为二次奥氏体。双相不锈钢在固 溶处

31、理时得到的a 相是亚稳态的，在低于某一温度条件下加热时，亚稳状态的a 相将发 生分解，析出奥氏体相( - - 次奥氏体) ，析出常发生于铁素体不够稳定的，如贫铬、富 镍和富锰的区域。 c 金属间相和碳化物的析出经固溶处理后的双相不锈钢，在较低温度下( 3 4 0 9 5 0r ) ；0 n 热、保温时，像铁素体、奥氏体不锈钢一样，会析出碳化物和金属间相。所形 成的碳化物多为C r 2 3 C 6 ，且分布在奥氏体铁素体晶界上。如钢中含碳量较低，析出的碳 化物也就很少，不能布满整个奥氏体铁素体晶界，也即所析出的碳化物未成网络状， 因此在晶界上析出的碳化物对钢腐蚀性能的影响不如奥氏体不锈钢那样有害

32、。双相钢在 一定温度范围( 3 4 0 “ - - 9 5 0 ) 加热保温时所析出的金属间相主要有口相，仃相以及z 相等。这些相硬而脆，会导致铁素体相的强化效应，但对奥氏体相影响不大。可利用这 种强化效应来提高钢的耐磨性能。例如，对于既需要耐磨又需耐腐蚀的工件，可采用双 相钢进行低温如( 4 8 0 ) 时效析出金属间相来增加耐磨性。 ( 5 ) 双相不锈钢的耐腐蚀性能 a 耐全面腐蚀性能众所周知，异相共存易形成微电池并加速腐蚀，但双相不锈钢， 西安石油大学硕士学位论文 却很少发生这种腐蚀。这是因为在双相不锈钢中含有较高的铬和一定量的镍、钼、铜等 元素，在一定温度下，钢中固溶的元素在两相的分

33、布相应地平衡，而且还与相比例有关。 双相不锈钢的耐蚀性，主要取决于钝化元素的含量及在两相中的分配。如两相在一定条 件的介质中均产生钝化，便可避免发生相选择性腐蚀。一般来说，双相不锈钢的耐蚀性 能，大体同含铬钼相当的高铬铁素体型或铬镍奥氏体不锈钢接近，并受相比例所左右。 有些钢种( 如0 C r 2 6 N i 5 M 0 2 、0 C r 2 1 N i 6 M 0 3 C u 、0 C r l 7 M n l 3 M 0 2 N 、 Z G l C r l 7 M n 9 N i 4 M 0 3 C u 2 N 等) 在某些介质中，如浓硝酸、稀盐酸、中等浓度的硫酸磷 酸、醋酸和尿素工艺介质中

34、，双相不锈钢比普通C r - N i 奥氏体不锈钢往往显示出更优越 的耐蚀性。 b 耐晶间腐蚀性能与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢对晶间腐蚀敏感性小，具 有优良的耐晶间腐蚀性能。这与存在均匀分布的铁素体相有关。一般来说，奥氏体形成 元素，如碳、氮、镍等多富集于丫相中；而铁素体形成元素，如铬、钼等多富集于a 相 中。当敏化加热时，富铬的碳化物C r 2 3 C 6 优先在于T a 相界0 【相的一侧析出，铬在铁素 体相中含量高，扩散速度快，析出碳化铬所造成的贫铬区很快得到铬的补充而容易消除。 由贫铬区造成的晶间腐蚀也就减少，以致于不发生。双相不锈钢产生晶界腐蚀的程度还 与两相的比例有关。当铁素体量

35、不大时，a 相以弧岛状被奥氏体晶粒所包围，即使被腐 蚀也因相互未能连接成网络不致造成更大的危险。随着弥散铁素体量的增加，晶界总面 积提高( 相对降低了晶间碳化物析出浓度) 和铁素体相界及其内侧能够吸收更多的碳化 物，当达到一定的极限a 相含量以上时，可以消除晶间腐蚀倾向。但当铁素体相含量过 多，呈连续网络状分布，则其抗晶间腐蚀能力变差。因此，控制适宜的两相比例，防止 a 相聚集长大和采取正确的热处理工艺是十分重要的。 C 耐应力腐蚀开裂性能与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有更高的耐应力腐 蚀开裂性能，是其另一优点。双相不锈钢耐应力腐蚀开裂性能，随铁素体含量的增加而 提高，在约含5 0 铁素体相

36、时断裂敏感性最小。国内外多数实用的耐应力腐蚀双相不 锈钢属于铁素体奥氏体类型。过高的铁素体含量，会显示出高铬铁素体不锈钢的固有 缺点。双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂性能，在高应力下与奥氏体不锈钢相同，短时 间内即产生裂纹，在低应力下寿命较长，显示出一定的优越性。 ( 6 ) 合金元素对双相不锈钢的组织与性能的影响 双相不锈钢中最重要的合金元素有镍、铬、钼、氮、钨、铜等，它们的存在和含量 对钢的组织和性能有直接的影响。 a 镍的作用在双相不锈钢中镍是主要控制相平衡的元素。它是强烈形成奥氏体 和扩大奥氏体相区的元素。在铬和钼等其它元素含量不变的条件下，为使双相不锈钢得 到最佳的耐孔蚀性能，需要一个

37、特定的镍含量，使铁素体和奥氏体相各占一半。镍的作 用是控制组织而不是控制耐腐蚀性问题。双相不锈钢镍的含量一般控制在4 5 “ - - 7 5 。 b 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，也是双相 4 第一章绪论 不锈钢耐蚀性的基本合金元素。铬能有效地提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感 性。在氧化性介质中，铬能有效使钢表面生成C r , n 稳定而致密的保护膜，产生钝化， 阻止基本的进一步腐蚀。此外，高含量的铬意味着在材料中有非常好的氮溶解度。另一 方面，口和盯等金属间化合物会随着铬含量的增加析出加速。铬可以提高双相不锈钢 的耐腐蚀性，但是，在强氧化性酸和一些还原介质中

38、，单纯的靠铬不足以维持其耐腐蚀 性，可以通过镍，钼和硅等和铬的配合抑制阳极溶解。在中性含氯化物的溶液中铬和钼 的配合能显著提高钢的耐孔蚀性能。双相不锈钢含铬量一般控制在1 8 2 5 。 c 氮的作用氮也是强烈形成和稳定奥氏体，及扩大奥氏体相区的元素，其能力 远远超过镍元素。与不含氮的双相不锈钢相比，加入0 1 以上的氮可以明显改善钢的 力学性能。对发展第二代和第三代双相不锈钢而言，氮是一个非常重要的元素，关于氮 在双相不锈钢中的作用机制，目前主要有三种解释，一是荣辱钢的氮通过消耗小空或缝 隙溶液中的H + ，形成l v I - i ；，阻止小孔内P H 值的下降，促使小空扩展前钝化；或者氮和

39、 钼产生游离的胸讲一和N I - I ；，吸附在钝化膜表面和m - i ；的缓蚀有助于胁讲一的稳定， 二者在钢的表面起协同作用，与靠近氧化物和金属界面富集的镍共同作用使双相不锈钢 的钝化膜表面保持均匀性，从而提高耐腐蚀性能。二是氮在活性表面富集，使表面钝化 膜中的铬元素增加，从而使蚀孔性能得到改善。三是氮主要富集在金属和氧化物的界面 上，从而改善钢的耐孔蚀性能。氮对双相不锈钢耐孔蚀性能的影响还与影响合金元素在 两相间的分配有关。氮显著影响铬和钼在两相间的分配系数，使铬和钼元素从铁素体相 向奥氏体相转移，钢中含氮量越高，两相中合金元素之差越小；同时，氮在奥氏体相中 的溶解能力远远高于在铁素体中的

40、溶解能力，由于这两个原因使的奥氏体相的孔蚀电位 提高，从而使钢的整体孔蚀电位提高。 d 钼的作用钼也使通过富集在靠近基体的钝化膜来提高钝化膜的稳定性，从而 显著提高其耐孔蚀性能。钼使铁素体的形成元素，能促使口、仃和z 等金属间化合物 的析出，并使订T 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 M o 的超级双相不锈钢，尤其 要注意脆性相的析出所导致韧性下降的问题。 e 铜的作用关于铜在双相不锈钢中的作用是有争议的。1 以下的铜对于提高双 相不锈钢在3 N a C L 溶液中的点蚀抗力是有效的，含量再高时效果不再显著，但是更

41、高的铜对双相不锈钢在P H 值的环境中是有利的。一般来说，在双相不锈钢锻件，铜的 含量最高不宜超过2 ，这主要是从热塑性和可焊性来考虑的。 其它元素的作用锰对双相不锈钢的耐孔蚀性能不利，锰和硫结合形成的硫化锰 夹杂大多晶界分布，成为孔蚀敏感点。钢中加钼后可在一定程度上消除锰的不利影响。 从而使锰的可提高双相不锈钢中氮的溶解度的作用得以发挥。碳对钢的耐孔蚀性能有 害，但是只对低氮钢有影响，对高氮钢的影响不显著。 两安石油人学硕士学位论文 1 2 2 双相不锈钢研究现状 自2 0 世纪3 0 年代初铁素体奥氏体双相不锈钢在法国U n i e u x 实验室被开发以来， 一些双相不锈钢铸件便开始在工

42、业中应用。但是，直到七十年代末，随着冶金工业技术 水平的提高，特别是A O D 精炼工艺结合连铸坯生产技术的开发才使双相不锈钢得到发 展与普及。在国外双相不锈钢经过几代的发展和完善，至今已有包括超级双相不锈钢在 内的系列牌号，多国已纳入标准。双相不锈钢已是一个成熟的，能与马氏体、铁素体、 奥氏体并列的钢类。发展到今天，国外的双相不锈钢无论是从生产还是加工制造及应用 角度来看，技术上已经比较成熟，作为一种性能优良，又能节省投资的工程材料在一些 用途上取代了普通的奥氏体不锈钢，应用领域十分广泛。尽管世界双相不锈钢的年产量 不是很高，只占世界不锈钢产量的1 ，但随着双相不锈钢局部腐蚀性能好和强度高等

43、 优势的充分利用和展现，以及有目共睹的良好使用效果，使其产量每年以1 7 的速度增 长，目前，全世界的双相不锈钢的产量已达1 6 5 万吨。 在国外发展双相不锈钢的基础上，中国自2 0 世纪7 0 年代中期也开始发展双相不锈 钢，主要是研制氮钢，关注氮对钢工艺和性能的影响。至今已有包括5 个钢种的系列牌 号，但只有低格的钢种纳入国家标准，其余都按企标生产，目前钢板的国际正在修订， C r 2 2 和C r 2 5 型的双相不锈钢应经纳标。中国的双相不锈钢只是处于国外第二代双相不 锈钢的发展水平，钢中的含氮量在0 2 以下。至于目前国外已步入市场的含氮在 0 2 5 - - 0 3 5 的超级双

44、相不锈钢，中国仍处于实验室的开发阶段，A O D 精炼工艺和双 相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板的工业试生产成功。 目前国内双相不锈钢的主要产品是管、板和复合板，也有锻件和铸件，产量不大。 c p 2 1 9 m m 的无缝管和c p 4 5 7 m m 的薄壁等离子焊管已研制成功，2 2 0 5 与Q 3 4 5 C 的复合板 已用于长江三峡工程的排沙管，泄洪深孔衬砌以及2 2 0 5 被广泛的应用于新疆克拉2 气 田。随着应用的发展，国内的产品满足不了要求，尤其是一些工程项目，主要仍是依靠 进口。目前国内已具有制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和较好的水平。南 京化工有

45、限公司化工机械厂、上海石化机械制造公司、金州重型机器有限公司等十家大 中型机械制造公司已经制造了近百台双相不锈钢设备。像南京化工有限公司化工机械厂 和金州重型机器有限公司按照国外标准制造的设备分别出口到印度和马来西亚。南京化 工有限公司化工机械厂和上海石化机械制造公司不仅能制造普通双相不锈钢设备，还能 制造超级双相不锈钢设备，当然所用的U N S $ 3 2 7 5 0 和$ 3 2 7 6 0 超级双相不锈钢的管材 都是进口。至于油气和石化所需的管线钢，国内近两年已开始制造和野外施工焊接，但 还有待进一步积累这方面的经验。 1 2 3 双相不锈钢在工业中的应用 国外双相不锈钢已广泛地应用于各

46、工业领域，诸如纸浆和造纸，陆上和海上的油气 6 第一章绪论 工业、化学加工工业、运输业( 化学品船和槽车) 、制药和食品工业以及建筑业等。在大 多数应用中，双相不锈钢被认为是具有成本效应的材料，填补了普通奥氏体钢和高合金 奥氏体不锈钢之间的空白。 ( 1 ) 化肥生产中的应用 在尿素生产过程中，双相不锈钢适用于含氧的氨基甲酸盐溶液、温度t 3 5 的2 2 C r 双相不锈钢$ 3 1 8 0 3 1 4 4 6 2 制造。 d 硫酸生产设备典型的工况条件是5 2 0 H S O 、温度6 2 - - - 9 0 ，并有氧化物 存在，且有磨蚀现象。在这种工况下超级双相不锈钢U R 5 2 N

47、+ 相当于或优于超级奥氏体 不锈钢N o 8 9 0 4 等，特别是在有氯化物介质污染的磨蚀工况条件下。采用新型稀土双 相不锈钢S G 5 2 制造的硫酸生产用内喷文氏管喷咀、蜗壳、外壳和进酸管铸锻件可使用 三年以上。 e 磷酸生产设备纯磷酸腐蚀性不强。但是，它含的杂质( 氢氟酸、氟硅酸、氯 化物、氟化物和湿法生产中多余的硫酸) 使该介质具有很强的腐蚀能力。超级双相不锈 钢U R 5 2 N + 在所有试验钢种中显示出最好性能，U R 5 2 N + 已广泛用于制造磷酸生产设备。 1 2 4 双相不锈钢的脆性及其对策 ( 1 ) 双相不锈钢的脆性 双相不锈钢由于含有大量铁素体，所以比奥氏体不锈

48、钢更容易析出金属中间相，特 7 西安石油大学硕士学位论文 别是随着合金含量的增加，如铬、钼的含量，析出倾向就更大。现代双相不锈钢虽具有 很好的可焊接性，但如果焊接处理不当，则会有许多金属中间相沉淀出来，这些中间相 不仅影响焊后的性能，同时也对母材的耐腐蚀性能有不好的影响。双相不锈钢由于在热 处理特性方面兼有口相和Y 相的特点，因此加工生产和使用过程中容易析出第三相，从 而使钢变脆，加工性能变坏，在9 0 0 左右极易析出盯相，同时形成4 7 5 脆性。 a 4 7 5 脆性双相不锈钢焊丝生产过程中，为疏松热轧盘条的氧化铁皮，若按通 常的奥氏体不锈钢的碱洗工艺( 4 5 0 5 5 0 保温6

49、0 分钟后水冷) ，则在随后的钢丝冷拔 过程中钢丝便会纷纷断裂，这便是4 7 5 脆性在作怪，因为碱洗的碱浴温度恰好处在 4 7 5 脆性形成范围之内。高铬双相不锈钢的4 7 5 脆性已有许多研究。一般认为4 7 5 脆性相是有由富铬的口相沉淀引起的，口相为体心立方结构，晶格常数为2 7 8 7 A ，同 基体口相的晶格常数相差甚微，以至在通常的光学显微镜下是较难观察到的，它的形成 温度范围为3 5 0 5 2 5 。 b 仃脆性相双相不锈钢在热加工过程中，温度控制不当，便易产生开裂现象。 无论是C O C H 8 N i 5 M 0 3 S i ，0 C r 2 1 N i 5 T i 还是o o C r 2 5 N i 6 M 0 3 N 钢锭在锻造( 或水压机开 坯) 过程中，若加工温度低于9 5 0 甚至9 0 0 左右，极易产生角裂或裂边，严重时会 导致整支钢锭报废。这是由于钢在加热或者是冷拔过程中于