雙相不銹鋼中的相析出動力學(xué)

雙相不銹鋼中的相析出動力學(xué)

鉻含量高于15%的鐵素體不銹鋼在280500下長期處于嚴(yán)重的脆化狀態(tài)。一般來說，強度增加、抗疲勞防滑損失、耐腐蝕性下降等。鋼的硬度也顯著降低。這種現(xiàn)象在大約為2350c左右最敏感，也最為突出，因此被稱為2350的脆度。雙相不銹鋼也同樣存在這一現(xiàn)象,它僅發(fā)生在鐵素體內(nèi),析出富鉻的α′相,導(dǎo)致鋼的硬化并嚴(yán)重降低其沖擊韌性,因此人們很重視475℃脆性對雙相不銹鋼所帶來的危害。因為雙相不銹鋼中α′相析出規(guī)律、影響因素要比高鉻鐵素體鋼更為復(fù)雜。本文主要總結(jié)了Cr22和Cr25型雙相不銹鋼中475℃脆性的主要特征、影響因素,并對雙相不銹鋼的韌性和硬度、腐蝕性能、居里溫度的影響做了分析和討論,供生產(chǎn)和使用雙相不銹鋼的人員參考。1非相鉻中500的主要特征和影響因素1.1475脆弱性的主要特征1.1.1鐵素體兩相分離和分解一般認(rèn)為,雙相不銹鋼中475℃脆性的發(fā)生與鐵素體中析出α′相有關(guān),AugerP等人研究發(fā)現(xiàn),α′相是富鉻的鐵素體相,含鉻量可高達(dá)60%～65%,尺寸大約為10～20nm左右,此相具有體心立方結(jié)構(gòu)且無磁性,晶格常數(shù)很小,介于鐵與鉻的晶格常數(shù)之間,可利用透射電鏡薄膜技術(shù)觀察到α′相的存在。Chandra等人用穆斯堡爾譜線在計算鐵-鉻合金的溶解度時發(fā)現(xiàn),在溫度280～500℃和不同的鉻含量下,鐵素體是以不同的分解方式進(jìn)行兩相分離的。圖1是Fe-Cr合金中的溶解度間隙圖,在spinodal區(qū)域內(nèi)(圖中②表示,鉻含量約為30%～80%),鐵素體按照spinodal分解機制發(fā)生兩相分離;在spinodal區(qū)域外,鉻含量約為12%～30%,鐵素體分解是以形核和長大的方式進(jìn)行兩相分離的。而其隨后對含鎳的雙相不銹鋼的許多研究證明:雙相不銹鋼在300～600℃長期時效快冷時,從鐵素體δ相基體中會析出富鉻的α′相和富鐵的α相(奧氏體中沒有析出相),其分解反應(yīng)為δ→α+α′。α相和α′相像海綿體一樣成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則連接,具有典型的各向同性調(diào)制(spinodal)組織,如圖2所示,白亮的為富鉻α′相,暗色的為富鐵α相,其尺寸大小隨時效時間的延長而變大,但其形態(tài)不變;鐵素體分解時伴隨有復(fù)雜的位錯結(jié)構(gòu):JKSahu等人研究發(fā)現(xiàn),時效后鐵素體相中的位錯結(jié)構(gòu)發(fā)生了重新分布;AFArmas對SAF2507進(jìn)行周期循環(huán)行為研究時發(fā)現(xiàn),時效后鐵素體內(nèi)有帶狀位錯產(chǎn)生;2205雙相不銹鋼在475℃時效時間分別為2、4、8、16、32和64h后,均發(fā)現(xiàn)有糾結(jié)交織模式的位錯結(jié)構(gòu),圖3為475℃時效64h后鐵素體中的位錯結(jié)構(gòu)。1.1.2鐵素體晶界和位錯線上的相一些透射電鏡研究結(jié)果表明,鐵素體分解產(chǎn)生α′相時,與奧氏體的位錯組態(tài)是不一樣的,它們沒有任何位相關(guān)系,γ相中位錯多排列在滑移面上,塞積于γ相孿晶面上,γ相中沒有析出相;α′相優(yōu)先沿鐵素體晶界和位錯線上析出,并且位錯多呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),位錯與α′相質(zhì)點交互作用,沿著<001>晶向,在鐵素體基體斑點附近出現(xiàn)α′析出相的小斑點,在暗場下呈現(xiàn)彌散球狀。另外一些研究也發(fā)現(xiàn),SAF2205在475℃時效不同時間后,分別測量兩相的硬度,發(fā)現(xiàn)γ相的硬度沒有變化,而δ相的硬度明顯增大,這也從側(cè)面說明了α′相的產(chǎn)生與γ相無關(guān)。1.2影響的主要原因1.2.1不銹鋼時效10h的出頭與出相Li和Miodownik等人在研究雙相不銹鋼鐵素體等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)時發(fā)現(xiàn),增加鉻、鉬元素的含量縮短了α′相形成的孕育期:SAF2205雙相不銹鋼在475℃時效20h后析出α′相,而SAF2507、Zeron100和UR52N三種高鉻雙相不銹鋼時效10h即析出α′相,如圖4所示。因為鉻和鉬是鐵素體形成元素,使鐵素體的體積分?jǐn)?shù)增加,它們富集在鐵素體內(nèi),不僅加速了α′相的析出,也增加了α′相的最終析出量。韓國的ParkCJ等人以鎢代鉬,在研究SAF2507、475℃時效后發(fā)現(xiàn),鎢的加入能夠延緩α′相的析出。它雖然是鐵素體形成元素,但是在鐵素體中的擴(kuò)散速率非常小,是Mo的1/10左右,因此它的加入導(dǎo)致了富鉻的α′相析出速率減小。1.2.2鐵素體分解產(chǎn)生相不同的熱處理溫度和時間對α′相析出的影響是不同的,有人做過研究,在300～400℃左右時效幾千小時后,CF8鋼中,鐵素體才分解產(chǎn)生α′相,而在600℃左右時,時效短短8min就產(chǎn)生脆性。圖4中的TTT曲線可以看出,SAF2507在400℃時大約時效70h才析出α′相,而在鼻尖溫度475℃時,時效10h后就析出α′相,導(dǎo)致鋼的脆性產(chǎn)生?？梢姴煌臅r效處理對雙相不銹鋼475℃脆性的影響非常大。1.2.3軋壓下率為15%的鋼的相預(yù)先冷變形對α′相的析出機制產(chǎn)生了一些變化。如固溶處理后的25Cr-7Ni-4Mo鋼在500℃時效前進(jìn)行冷軋變形,發(fā)現(xiàn)冷軋壓下率為15%的鋼其α′相析出機制是以典型的spinodal結(jié)構(gòu)在鐵素體相中發(fā)生的,隨后的TEM照片發(fā)現(xiàn)變形的鋼中位錯密度較高,在鐵素體/奧氏體晶界處發(fā)現(xiàn)有α′相,如圖5所示;而無變形的鋼中只在鐵素體晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有α′相,在鐵素體/奧氏體晶界處未發(fā)現(xiàn)。硬度測試發(fā)現(xiàn)冷變形后的硬度比未變形的鋼增加了50%～70%,說明了冷變形后的鋼在時效后更易造成脆性的發(fā)生。2475脆弱性對雙相不銹鋼性能的影響2.1由相造成的基因表達(dá)很多研究都報道了475℃脆性導(dǎo)致了雙相不銹鋼韌性的降低和硬度的上升[2,9,14,19-22:00Cr23Ni8Mo3AlTi雙相不銹鋼在475℃時效50h乃至更長時,合金的硬度升高,塑性和韌性惡化,具有典型的475℃脆性斷裂特征,這主要是由α′相的析出和長大特性所造成的;TavaresSSM在研究SAF2205時發(fā)現(xiàn),α′相的析出導(dǎo)致鋼的二次硬化和韌性的下降,475℃時效100h后,韌性驟然下降,由32J降至17J,硬度急增,由230HB增加到330HB,見圖6所示;稀土雙相不銹鋼R1合金(25～28Cr,4～10Ni)在400～550℃時效時,鋼的硬度隨時效時間的延長而變大,其中在480℃附近鋼的硬化趨勢最明顯,此溫度下時效1h的硬度就比固溶態(tài)時提高10HRC,而時效150h后鋼的硬度可提高21HRC,其脆化現(xiàn)象與鋼中鐵素體內(nèi)析出富鉻的α′相有關(guān):鐵素體中的鎳能顯著加速α′相的析出,鎳的存在降低了α′相析出過程中鉻的擴(kuò)散激活能。其次,α′相優(yōu)先沿鐵素體晶界和位錯線上析出,位錯的釘扎作用也致使合金的脆性產(chǎn)生。2.2微電池局部腐蝕雙相不銹鋼在475℃長期時效后,直接導(dǎo)致不銹鋼的耐局部腐蝕能力降低。韓國的ParkCJ等人用電化學(xué)噪聲分析方法,在60℃、10%FeCl3·6H2O中研究超級雙相不銹鋼2507的局部腐蝕性能時觀察到,在475℃時效300h后,鐵素體中發(fā)生了微電池局部腐蝕:亞穩(wěn)態(tài)的點蝕坑主要在富鉻的析出相α′相周圍,集中在富鐵、鉻缺失的區(qū)域,點蝕尺寸很小,利用原子顯微鏡發(fā)現(xiàn)僅僅幾百納米,而奧氏體中沒有發(fā)現(xiàn)任何腐蝕跡象。這種腐蝕是鐵素體的選擇性腐蝕,是通過納米級的微電池腐蝕過程發(fā)生的,區(qū)別于一般的局部腐蝕。另外他們又利用微滴噴射方法研究2507的α+α′(富鐵的α相和富鉻的α′相)混合相與鐵素體α相及γ相的耐點蝕性能時發(fā)現(xiàn),α′相的析出使鋼的耐點蝕能力降低:pH=5.6的醋酸鹽緩沖液中的陽極極化曲線顯示,圖7中所示,在475℃時效300h后,α+α′混合相的點蝕電位最低,并且鈍化電流密度較大,其根本原因是時效后析出的α′相,導(dǎo)致鐵素體晶粒內(nèi)部α′相周圍和邊界處鉻的缺失,宏觀上造成了鋼的腐蝕。2.3u3000ct的時效居里溫度是指帶磁的磁性體由于加熱而失去磁性的溫度。高于居里溫度時,鐵磁性就會完全消失,轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐捻槾判?。巴西人Tavares利用磁滯和熱磁分析方法(HysteresisandThermomagneticAnalysis-TMA)研究發(fā)現(xiàn),475℃時效不同時間后,與固溶處理時相比,2205雙相不銹鋼的居里溫度(Tc)隨時效時間的延長而增大。圖8是由TMA測量得到的數(shù)據(jù),表1是由圖8分析后得到的居里溫度。另外,在高鉻鑄造鐵素體不銹鋼中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。Tc隨時效時間的延長而變大,很可能是由于時效過程中鐵素體由spinodal分解產(chǎn)生了富鐵的α相和富鉻的α′相,而雙相不銹鋼中鎳的存在又使Fe-Cr合金中的溶解度間隙變寬,增大了鐵素體分解的熱力學(xué)驅(qū)動力,使得分解的α′相中的鉻含量增加,結(jié)果在室溫下α′相呈現(xiàn)順磁性,而α相中鉻含量較少,使得Tc升高。所以居里溫度隨時效時間的延長而增加主要是由于鐵素體中析出了富鐵的α相和富鉻的α′相。3相及相的變化本文對雙相不銹鋼475℃脆性的主要特征和影響因素進(jìn)行了分析,并就其對雙相不銹鋼的韌性、腐蝕性能以及居里溫度等的影響作了討論?，F(xiàn)歸結(jié)如下:1)雙相不銹鋼中475℃脆性的產(chǎn)生主要來自于δ→α+α′的分解反應(yīng),且分解反應(yīng)過程伴隨有復(fù)雜的位錯結(jié)構(gòu)。分解機制是以典型的spin