雙相不銹鋼的研究進(jìn)展

秦 琴，李崇瑛，李晟哲，劉俊良

(四川大學(xué)錦城學(xué)院智能制造學(xué)院，成都 611731)

雙相不銹鋼(DSS)是一種擁有優(yōu)秀力學(xué)特性、較好抵抗氯化物腐蝕能力、并在耐腐蝕疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)異的一種節(jié)鎳不銹鋼，其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料，如化學(xué)品、船、橋梁與混凝土鋼筋、建筑設(shè)施、深海油田、海水淡化、煙氣脫硫(FGD)等方面。

1 雙相不銹鋼研究現(xiàn)狀

雙相不銹鋼由鐵素體/奧氏體相構(gòu)成，其研究熱點(diǎn)是進(jìn)一步提高雙相不銹鋼在特殊環(huán)境中的耐腐蝕性等。研究發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼中鐵素體相和奧氏體相及其內(nèi)部的各類析出物質(zhì)對(duì)其性能影響較大。張亞男[1]分析了固溶處理溫度與合金元素組成含量對(duì)雙相不銹鋼抵抗腐蝕性能的影響，得出抵抗點(diǎn)蝕特性和耐縫隙腐蝕最佳成分配比為Ni-8%、Mo-3%、Cu-4%，最適宜的固溶處理溫度為1 150℃。李艷玲[2]等研究了2205雙相不銹鋼中通過固溶處理工藝改善DSS的耐腐蝕性能，研究表明，固溶處理溫度升高，鋼中鐵素體含量呈上升趨勢，奧氏體含量反而在不斷下降。在pH值不同的溶液中，雙相不銹鋼的耐腐蝕性能也有差別。錢張信[3]等分析了2507雙相不銹鋼中σ相的析出與其力學(xué)性能在時(shí)效處理工藝不同時(shí)的狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)域，時(shí)效處理溫度下降，σ相的析出量隨之增加，雙相不銹鋼的塑性在下降；中溫區(qū)域，時(shí)效溫度不斷升高，雙相不銹鋼中σ相的析出量隨之增加，但析出時(shí)間比高溫區(qū)域析出時(shí)間長。

2 雙相不銹鋼性能的影響因素

2.1 合金元素

雙相不銹鋼中合金元素有很多，以Cr、Ni、N、Ti等為主要合金元素，分析其對(duì)雙相不銹鋼性能的影響。

陳蓉[4]等研究了Cr含量對(duì)雙相不銹鋼組織和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加Cr含量，雙相不銹鋼中鐵素體含量會(huì)不斷增多，而奧氏體含量削減，隨Cr含量上升，由于點(diǎn)蝕導(dǎo)致雙相不銹鋼質(zhì)量損失現(xiàn)象急劇降低，抵御晶體間腐蝕能力也有所提高。

靳佳瑞[5]等研究了熱輸入對(duì)LDX 2304節(jié)鎳型雙相不銹鋼點(diǎn)蝕行為的影響，總結(jié)出Ni元素并未參與釬焊界面處的化學(xué)反應(yīng)，而是與焊料中的Ti元素結(jié)合成合金相，穩(wěn)定兩相平衡。

李明[6]等分析了N元素對(duì)雙相不銹鋼組織和結(jié)構(gòu)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，帶狀N元素偏聚區(qū)域在雙相不銹鋼管沿裂紋約100 μm寬內(nèi)，以奧氏體單相組織為主，N元素成分伴隨裂紋消失也同步下降，與之相反，鐵素體則不斷提升，因?yàn)榱鸭y處距離較遠(yuǎn)的地方是合格的雙相不銹鋼組織。楊吉春[7]等分析發(fā)現(xiàn)，增N降Ni處理后，塑性呈一定的下降趨勢，但影響并不明顯。黃偉林[8]等總結(jié)了N在深冷處理過程中起到穩(wěn)定奧氏體的作用，并通過實(shí)驗(yàn)證明N含量越高，雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和延伸率就越大。

曹靜[9]等發(fā)現(xiàn)通過添加微量的Ti合金元素，可以幫助鐵素體在雙向不銹鋼中的形成，并提升其含量，可以抑制富Cr相的產(chǎn)生。顧玥[10]研究發(fā)現(xiàn)，在雙相不銹鋼中加入合金元素Ti，可改變雙相不銹鋼中Cr元素的形成機(jī)制，這在很大程度上導(dǎo)致雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，進(jìn)而使其抗腐蝕特性發(fā)生變化。

2.2 σ相的析出

σ相由于含有大量的Cr、Mo，堅(jiān)硬，易碎，往往產(chǎn)生于α/γ相界，嚴(yán)重影響了雙相不銹鋼的韌性和可塑造特性[11-12]。由于含有大量的Cr、Mo，因此在σ相附近會(huì)缺少Cr、Mo元素，造成雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能下降[13-14]。李國平[15]等對(duì)含W的S32760超級(jí)雙相不銹鋼進(jìn)行不同溫度時(shí)效熱處理研究σ相的析出行為，試驗(yàn)鋼析出大量由Fe、Cr、Mo和W組成的具有正方結(jié)構(gòu)的σ相，同時(shí)雙相不銹鋼板強(qiáng)度和硬度高，塑性差，延伸率低于4%。

吳天海[16]研究了雙相不銹鋼采用不同因子工藝處理后的σ相析出情況。不同因子指的是時(shí)效溫度及時(shí)間。實(shí)驗(yàn)顯示，析出的σ相通常包括兩種形成機(jī)理：由奧氏體及鐵素體兩種相界中通過層狀共析現(xiàn)象而產(chǎn)生M23C6碳類物質(zhì)及奧氏體的子相，并在這兩種混合物質(zhì)邊界處產(chǎn)生σ脆性相；與之對(duì)應(yīng)的是鐵素體在不受任何其他因子影響下產(chǎn)生共析現(xiàn)象，隨即形成σ脆性相和子相奧氏體。

2.3 變形溫度

梁麗霞等[17]分析了變形溫度對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼S32750性能的影響。結(jié)果表明，在選定的變形量下，隨著溫度增加，鐵素體的量大幅度增加，由于其增加導(dǎo)致的強(qiáng)化能力提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過因增加導(dǎo)致的晶粒變大等不利因素，因此表面溫度不斷提升時(shí)，試樣的抗拉伸強(qiáng)度亦會(huì)逐步增加，伸長率達(dá)到峰值32%后開始下降。研究發(fā)現(xiàn)，1 200℃上下為雙相不銹鋼最佳的鑄造工藝溫度，此時(shí)雙相不銹鋼的可塑造性能最佳[18-21]。

2.4 冷卻速率

何紅等[22]研究了冷卻速率對(duì)一種建筑用材雙相不銹鋼構(gòu)成和特性可能產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，冷卻速率不會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生過多影響，但是冷卻速率越快，開裂傾向越大；如果冷卻速率越慢，雙相不銹鋼中越易析出σ相，塑性和韌性會(huì)明顯下降。只有適當(dāng)降低冷卻速率或提高終冷溫度才能改善淬火應(yīng)力，提升雙相不銹鋼的綜合性能。

2.5 固溶處理

固溶處理可以調(diào)整鐵素體相和奧氏體相比例，影響雙相不銹鋼的性能，但是固溶溫度是關(guān)鍵。王小勇等[23]研究了固溶溫度對(duì)雙相不銹鋼性能的影響，實(shí)驗(yàn)表明，固溶溫度較低時(shí)，雙相不銹鋼中更易產(chǎn)生σ相，使其抗塑特性和抗腐蝕性能大幅下降；固溶溫度較高時(shí)，可減少σ脆性相的析出，改善雙相不銹鋼的塑性和耐蝕性。

2.6 熱處理工藝

研究發(fā)現(xiàn)，不同熱處理工藝下，雙相不銹鋼的鐵素體相與奧氏體相比例差異很大，耐蝕性能也有很大差別。安笑頻[24]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙相不銹鋼發(fā)生熱變形時(shí)，變形溫度和應(yīng)變速率是影響雙相鋼中兩相所占比例的關(guān)鍵，同時(shí)影響其熱變形過程中的軟化機(jī)制，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形。盧盼盼[25]等提出850℃、4 h時(shí)效處理后的σ脆性相析出形貌，揭示出σ脆性相的形成機(jī)理、析出特征和時(shí)效處理對(duì)4A雙相不銹鋼力學(xué)性能與耐腐蝕性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫狀態(tài)下，鐵素體會(huì)分解產(chǎn)生富含Cr、Mo而貧Ni的σ脆性相，其結(jié)構(gòu)為空間四方結(jié)構(gòu)，硬而脆。隨著時(shí)效溫度的升高，σ相的析出量先增加后減小并在850℃時(shí)達(dá)至峰值；如果在同一溫度條件下時(shí)效處理時(shí)間越長，σ脆性相析出則越多。σ相使雙相不銹鋼硬度有輕微提高，材料的沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性整體呈下降趨勢，其中沖擊韌性對(duì)σ脆性相析出尤為敏感，所以采取合理的加熱處理能夠保證雙相不銹鋼特性更明顯。

3 結(jié)語

很多外界條件都會(huì)影響雙相不銹鋼特性，適量其他金屬元素的添加和適當(dāng)熱處理工藝會(huì)優(yōu)化雙相不銹鋼性能。其中，Cr、Ti可提高雙相不銹鋼的耐蝕性和屈服強(qiáng)度；Ni可穩(wěn)定雙相不銹鋼的兩相比例；N可提高雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和延伸率；σ析出相可提高其抗沖擊性能和可再塑性能，適當(dāng)加熱操作可使雙相不銹鋼的兩相比例均勻，耐蝕性能有所提高。