雙相不銹鋼加工實(shí)用指南

1、目 錄1.引言2.雙相不銹鋼的歷史3.化學(xué)成分和合金化元素的作用雙相不銹鋼的化學(xué)成分合金元素在雙相不銹鋼中的作用4.雙相不銹鋼的冶金學(xué)5.耐腐蝕性能耐酸腐蝕耐堿腐蝕耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕耐應(yīng)力腐蝕斷裂6.最終用戶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求化學(xué)成分固溶處理和淬火特殊試驗(yàn)要求拉力和硬度試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)和金屬間相的金相檢查用金相或磁性測量法測定相平衡腐蝕試驗(yàn)生產(chǎn)性焊接和檢驗(yàn)7.力學(xué)性能8.物理性能9.切割鋸切剪切沖孔等離子體和激光切割10. 成型熱成型固溶處理2溫成型冷成型沖壓成型旋壓成型11雙相不銹鋼的機(jī)加工雙相不銹鋼機(jī)加工的一般原則車削和表面加工硬制合金平面銑削采用高速鋼鉆頭進(jìn)行螺旋鉆12雙相

2、不銹鋼的焊接一般焊接原則雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的區(qū)別原始材料的選擇焊前清理接頭設(shè)計預(yù)熱熱輸入與層間溫度焊后熱處理理想的相平衡異種金屬焊接焊接工藝評定焊接方法氣體保護(hù)鎢極電弧焊氣體保護(hù)熔化極電弧焊藥芯焊絲電弧焊焊條手工焊埋弧焊電子束焊和激光焊電阻焊13其他的連接方法14加工后清理色筆印、油漆、灰塵和油污3嵌入鐵焊接飛濺、變色、焊劑、焊渣、起弧點(diǎn)參考文獻(xiàn)附錄 1 雙相不銹鋼的名稱，商標(biāo)和相關(guān)的不銹鋼生產(chǎn)廠附錄 2 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯總41 引言雙相不銹鋼是一類集優(yōu)良的耐腐蝕、高強(qiáng)度和易于加工等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。它們的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳

3、鋼。雙相不銹鋼的耐氯化物孔蝕和縫隙腐蝕能力與鉻、鉬和氮含量有關(guān)，其耐孔蝕和縫隙腐蝕能力可以類似于 316 不銹鋼，或者接近于海水用不銹鋼如 6 Mo 奧氏體不銹鋼。所有的雙相不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的能力均明顯強(qiáng)于300 系列奧氏體不銹鋼，而且其強(qiáng)度也大大高于奧氏體不銹鋼，同時表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的制造與奧氏體不銹鋼的制造有許多相似之處，但也有重要區(qū)別。雙相不銹鋼的高合金含量和高強(qiáng)度等特性要求在加工工藝上作某些改變。這本小冊子是為加工制造商和承擔(dān)加工任務(wù)的最終用戶準(zhǔn)備的，它為雙相不銹鋼的成功制造提供了實(shí)用的信息。本書假定讀者已具備不銹鋼的加工制作經(jīng)驗(yàn)，因此，給出了雙相不銹鋼和

4、300 系列奧氏體不銹鋼及碳鋼之間的性能和制造工藝的對比數(shù)據(jù)。雙相不銹鋼的制造不同于一般不銹鋼，但并不困難。52 雙相不銹鋼的歷史雙相不銹鋼已有 60 多年的歷史，它具有一種混合顯微組織，其中奧氏體相和鐵素體相大約各占一半。早期的鋼種是鉻、鎳和鉬的合金。第一批可鍛軋雙相不銹鋼于 1930 年在瑞典生產(chǎn)出來并用于亞硫酸鹽造紙工業(yè)。開發(fā)這些鋼種是為了減輕早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930 年芬蘭生產(chǎn)出雙相不銹鋼鑄件；1936 年，最終名為 Uranus 50 的鋼種在法國獲得專利；3RE60 是第一代專為提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能而研制的雙相不銹鋼鋼種之一；二戰(zhàn)后，AISI 329 型

5、不銹鋼成為公認(rèn)的鋼種并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。后來，鍛造和鑄造雙相不銹鋼鋼種均用于各種加工工業(yè)的應(yīng)用，包括容器、熱交換器和泵。這些第一代雙相不銹鋼有良好的性能特點(diǎn)，但在焊接狀態(tài)下有局限性。焊縫的熱影響區(qū)由于鐵素體過多而韌性低，并且耐腐蝕性明顯低于基體金屬。這些局限因素使第一代雙相不銹鋼的應(yīng)用僅限于非焊接狀態(tài)下的一些特定應(yīng)用。1968 年不銹鋼精煉工藝-氬氧脫碳(AOD)的發(fā)明，使一系列新不銹鋼鋼種的產(chǎn)生成為可能。AOD 所帶來的諸多進(jìn)步之一便是合金元素氮的添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態(tài)下熱影響區(qū)的韌性和耐腐蝕性接近于基體金屬的性能，氮還降低了有害金屬間相的形成速率。含氮的雙相不銹

6、鋼被稱為第二代雙相不銹鋼。這一新的商品化進(jìn)展始于 70 年代后期，正好與北海海上油氣田的開發(fā)及市場對具有優(yōu)異耐氯化物腐蝕性能、良好的加工性和高強(qiáng)度不銹鋼的需求相吻合。2205 成為第二代雙相不銹鋼的主要鋼種并廣泛用于海上石油平臺集氣管線和處理設(shè)施。由于這種鋼的強(qiáng)度高，管的壁厚減薄，可以減輕平臺上的重量，使這種不銹鋼的應(yīng)用有很大的吸引力。雙相不銹鋼同奧氏體不銹鋼一樣，是一族按腐蝕性能排序的鋼種，腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不銹鋼一直在不斷發(fā)展，現(xiàn)代的雙相不銹鋼可分為四種類型： 不含鉬的低級雙相不銹鋼如 2304； 2205，主要的雙相不銹鋼鋼種，占雙相鋼總量的 80%以上； 25Cr%的雙

7、相不銹鋼如合金 255 和 DP3； 超級雙相不銹鋼， 含 2526%Cr，與含 25%Cr 的雙相不銹鋼相比，鉬和氮的含量增加。 包括的鋼種如2507、Zeron 100、UR 52N+和 DP3W。表 1 給出了第二代鍛造雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分，為便于比較，第一代雙相不銹鋼和通常奧氏體不銹鋼的數(shù)據(jù)也包括在其中。6表 1 鍛造和鑄造雙相不銹鋼及奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分（）名稱UNS No.ENCCrNiMoNCuW鍛造雙相不銹鋼第一代雙相不銹鋼329S329001.44600.0823.0-28.02.5-5.01.0-2.0* *-3RE60*S315001.44170.030

8、18.0-19.04.3-5.22.50-3.000.05-0.1-Uranus 50S324040.0420.5-22.55.5-8.52.0-3.0-1.00-2.00-第二代雙相不銹鋼2304S323041.43620.03021.5-24.53.0-5.51.05-0.600.05-0.20-2205S318031.44620.03021.0-23.04.5-6.52.5-3.50.08-0.20-2205S322051.44620.03022.0-23.04.5-6.53.0-3.50.14-0.20-DP-3S312600.0324.0-26.05.5-7.55.5-7.50.10

9、-0.300.20-0.800.100.50UR 52N+S325201.45070.03024.0-26.05.5-8.03.0-5.00.20-0.350.50-3.00-255S325501.45070.0424.0-27.04.5-6.52.9-3.90.10-0.251.50-2.50-DP-3WS392740.0324.0-26.06.8-8.02.5-3.50.24-0.320.20-0.801.502.502507S327501.44100.03024.0-26.06.0-8.03.0-5.00.24-0.320.50-Zeron 100S327601.45010.03024.

10、0-26.06.0-8.03.0-4.00.20-0.300.50-1.000.50-.00鍛造奧氏體不銹鋼304LS304031.43070.03018.0- 20.08.0- 12.0-0.10-316LS316031.44040.03016.0-18.010.0- 4.02.0- 3.00.10-317LS317031.44380.03018.0-20.011.0- 5.03.0- 4.00.10-317 LMNS317261.44390.03017.0-20.013.5- 7.54.0- 5.00.101.0-2.0-904LN089041.45390.02019.0-23.023.0

11、- 8.04.0- 5.00.101.0-2.0-254 SMOS312541.45470.02019.5-20.517.5- 186.0- 6.50.18-0.220.50- 1.00-6% MoVariousVarious0.03019.5-22.017.5- 5.56.0- 7.00.18-0.251.00-鑄造雙相不銹鋼CD4MCuNJ933720.0424.5-26.54.4- 6.01.7- 2.30.10-0.252.7-3.3-Grade 1BCD3MNJ922050.0321.0-23.54.5- 6.52.5- 3.50.10-0.30-Cast 2205Grade 4AC

12、E3MNJ934041.44630.0324.0-26.06.0- 8.04.0- 5.00.10-0.30-Atlas 958Cast 2507Grade 5ACD3MWCuNJ933800.0324.0-26.06.5- 8.53.0- 4.00.20-0.300.5-1.00.5-1.0Cast Zeron 100*Grade 6A鑄造奧氏體不銹鋼CF3(Cast 304L)J925001.43060.0317.0-21.08.0- 12.0-CF3M(Cast 316L)J928001.44040.0317.0-21.09.0- 13.02.0- 3.0-最大值，除非指明范圍或說明是最

13、小值，重要的數(shù)據(jù)與 ASTM A 751 標(biāo)準(zhǔn)一致。 未指明。 這一種鋼最初沒有添加氮，被認(rèn)為是未加氮的第一代雙相不銹鋼。73 化學(xué)成分和合金化元素的作用31 雙相不銹鋼的化學(xué)成分一般認(rèn)為，雙相不銹鋼的相平衡比例為 3070%的鐵素體和奧氏體時，可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼最常見的情形是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產(chǎn)中，為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧更多的鎳才能形成奧氏體或雙相（鐵素體奧氏體）組織，較高的鉻量也能促進(jìn)形成金屬間相。奧氏體不銹鋼中通常含 18Cr，第二代雙相不銹鋼中至少含 22Cr。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力。鉻的這一作用很重要，它影響熱處理或焊

14、接后氧化皮或回火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不銹鋼困難。氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常復(fù)雜的。為了獲得穩(wěn)定的利于加工制造的雙相結(jié)構(gòu)，必須要注意使每種元素有適當(dāng)?shù)暮?。除了相平衡以外，有關(guān)雙相不銹鋼及其化學(xué)組成的第二個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。高鉻高鉬不銹鋼中形成相和相，并優(yōu)先在鐵素體相內(nèi)析出，氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶組織中保持足夠的氮是很重要的。隨著雙相不銹鋼制造經(jīng)驗(yàn)的增加，控制窄的成分范圍的重要性變得越來越明顯。2205 雙相鋼（UNS S31803，表 1）最初設(shè)定的成分范圍過寬，經(jīng)驗(yàn)表明

15、，為了得到最佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803 的鉻、鉬和氮含量應(yīng)控制中上限，由此引出了成分范圍較窄的改進(jìn)型 2205 雙相鋼 UNS S32205（表1）。S32205 的成分就是今天商品化的 2205 雙相不銹鋼的典型成分。在本文中，除非另有說明，通常 2205 指的就是 S32205。32 雙相不銹鋼中合金元素的作用以下簡單介紹幾個最重要的合金元素對雙相不銹鋼的力學(xué)性能、物理性能和腐蝕性能的影響。鉻：鋼中最少含 105Cr 才能形成保護(hù)鋼不受大氣腐蝕的穩(wěn)定的含鉻鈍化膜。不銹鋼的耐蝕性隨含鉻量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻能使具有體心立方晶格的鐵組織穩(wěn)定。鋼中含鉻

16、量較高時，需要加入鉬：鉬與鉻的協(xié)同作用能提高不銹鋼的抗氯化物腐蝕的能力。當(dāng)不銹鋼中至少含 18Cr 時，鉬在含氯化物的環(huán)境中抗孔蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍（見后 CPT公式）。鉬是一個鐵素體形成元素，同樣能促進(jìn)形成金屬間相。因此，通常奧氏體不銹鋼中含鉬量約小于 75，雙相不銹鋼中約小于 4。氮：氮增加奧氏體和雙相不銹鋼的抗孔蝕和縫隙腐蝕的能力。它能顯著地提高鋼的強(qiáng)度，它是固溶強(qiáng)化最有效的一個元素。氮在提高鋼的強(qiáng)度的同時，還能增加奧氏體和雙相不銹鋼的韌性。氮延緩金屬間相的形成，使得雙相不銹鋼有足夠的時間進(jìn)行加工和制造。氮加工至具有高耐蝕性的奧氏體和雙相不銹鋼中，這樣也可抵消因含高鉻和鉬所帶來的

17、易形成相的傾向。氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，在奧氏體不銹鋼中能部分代鎳。雙相不銹鋼中一般加入幾乎接近溶解度極限的氮量，和用以調(diào)整達(dá)到相平衡的鎳量。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮需達(dá)到平衡，才能獲得期望的雙相組織。鎳：鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素。鐵基合金中添加鎳可促使不銹鋼從體心立方晶體結(jié)構(gòu)（鐵素體）轉(zhuǎn)化為面心立方晶體結(jié)構(gòu)（奧氏體）。鐵素體不銹鋼含較少或不含鎳，雙相不銹鋼含居中的鎳，例如 47，而 300 系奧氏體不銹鋼至少含有 8的鎳（見圖 1、2）。在奧氏體不銹鋼中添加鎳可延緩有害金屬間相的形成，但是在雙相不銹鋼中鎳的延緩作用遠(yuǎn)不如氮有效。奧氏體不銹鋼具有極佳的韌8性，雙相不銹鋼中有近一

18、半是奧氏體組織，相對鐵素體不銹鋼而言，這顯著地增加了鋼的韌性。94 雙相不銹鋼的冶金學(xué)Fe-Cr-Ni 合金三元相圖可說是雙相不銹鋼冶金行為的指路圖。從含 68Fe 的三元截面圖（圖 3）可看出：這些合金的凝固態(tài)是鐵素體，當(dāng)溫度下降至 1000左右時，部分鐵素體會轉(zhuǎn)變成奧氏體，轉(zhuǎn)變的多少取決于合金的成分。在較低溫度下，處于平衡態(tài)時的鐵素體和奧氏體，兩相的比例改變較少。從圖 3 還可看出加氮后相圖的變化。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，因這部分奧氏體是由鐵素體轉(zhuǎn)變成的，它不可能在短時就達(dá)到平衡態(tài)，那么，當(dāng)繼續(xù)冷卻至較低溫度時，碳化物、氮化物、相以及其他金屬間相都有可能析出。冶金產(chǎn)品中鐵素體和奧氏體的相對數(shù)量與其

19、化學(xué)成分和熱處理過程有關(guān)。如相圖所指，較小的成分變化即會帶來兩相相對數(shù)量（體積分?jǐn)?shù)）的較大變化。為達(dá)到使雙相不銹鋼具有理想的兩相比例的目的，首先要注意調(diào)整鉻、鉬、鎳和氮的含量，其次要注意熱處理過程的控制。由于能轉(zhuǎn)變成奧氏體的鐵素體數(shù)量取決于冷卻速度，高溫下的冷卻速度將會影響兩相間數(shù)量的變化。快速冷卻有利于保留鐵素體，因此，有可能比平衡狀態(tài)下更多的鐵素體被保留下來。例如，采用低熱輸入來焊接大截面的產(chǎn)品，在HAZ（熱影響區(qū)）即可能得到過量的鐵素體。氮的另一有效作用是提高了奧氏體開始從鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度，因此，即使在快速冷卻條件下，奧氏體量也幾乎能達(dá)到平衡狀態(tài)時的水平。對第二代雙相不銹鋼而言，這將會減

20、少 HAZ 的過量鐵素體問題。因?yàn)橄嗟男纬蓽囟鹊陀诶鋮s時鐵素體再轉(zhuǎn)變成奧氏體的溫度，為避免冶金產(chǎn)品中出現(xiàn)相，可選擇居中的冷卻速度，它既能有利于高溫下奧氏體的再形成，也能有利于阻止較低溫度下相的形成。有幸，采用水淬可達(dá)到這一目的。僅僅當(dāng)采用低熱輸入焊接有較懸殊的變截面或大截面的產(chǎn)品時，以及在實(shí)際制造中，過快的淬火有可能會帶來問題。雙相不銹鋼中的相也是一個穩(wěn)定相，它在低于 525 的鐵素體相中形成，其形成機(jī)制同于全鐵素體不銹鋼中的相。在 475左右的溫度長期保溫后，相能引起鐵素體不銹鋼的常溫韌性喪失；這就是已知的 475脆性。在不銹鋼中，氮作為一個合金元素意味著在焊件的熱影響區(qū)沿鐵素體鐵素體的晶界

21、和奧氏體鐵素體的相界可能出現(xiàn)鉻的氮化物。如果它的數(shù)量很大，退火時貧鉻區(qū)來不及補(bǔ)償失去的鉻的時候，氮化鉻的出現(xiàn)可使鋼的耐蝕性下降。不過，由于較高的氮能促使奧氏體的形成，氮在奧氏體中的溶解度高，第二代雙相不銹鋼很少含有較大量的氮化鉻。此外，第二代雙相不銹鋼都有很低的含碳量，因此，碳化物的有害影響在實(shí)際當(dāng)中并不是要考慮的問題。在某一溫度時，有害的相、相以及碳化物和氮化物相在數(shù)分鐘內(nèi)即可形成，因此，加工和制造以及使用時的熱處理必須要考慮相形成的動力學(xué)曲線以保證獲得所需要10的耐蝕性和力學(xué)性能。現(xiàn)已開發(fā)的一些牌號都力求有最好的耐蝕性和阻止有害相的析出，并能夠順利地進(jìn)行制造。圖 4 為 2304、2205

22、 和 2507 雙相不銹鋼的等溫析出圖（即鐵素體分解的動力學(xué)曲線）。鉻的碳化物和氮化物在某一溫度（即曲線的“鼻子尖”處的溫度）開始析出的時間是相對較慢的，也就 12 分鐘。雙相不銹鋼比鐵素體不銹鋼或高合金奧氏體不銹鋼析出要慢，這部分可歸結(jié)于碳和氮元素在低鎳奧氏體相中的溶解度高，有可能氮延緩了碳化物的析出。得出的結(jié)論是：雙相不銹鋼牌號相對地抗敏化能力要強(qiáng)。這些牌號中碳化物和氮化物的形成不同程度地受到鉻鉬及鎳諸元素的影響，因此，所有雙相不銹鋼牌號的動力學(xué)曲線都與 2205 鋼的曲線相類似。相和相幾乎與碳化物和氮化物在相同的時間內(nèi)析出，只是析出的溫度略高。在鐵素體相內(nèi) 相的析出量大，它使鐵素體相硬化

23、和脆化，幸而雙相不銹鋼中含有 50的奧氏體，它所帶來的危害遠(yuǎn)不及對鐵素體鋼的影響。相析出造成韌性的損失要慢于硬化的速度（圖 4）。另一結(jié)論是：在制造時很少考慮相脆性問題。然而，使用的上限溫度要受到相析出的控制。因?yàn)殚L時間高溫下使用能使鋼的室溫韌性喪失，壓力容器設(shè)計規(guī)范已確立了最大許用設(shè)計應(yīng)力下的使用溫度上限值。德國 TV 規(guī)范區(qū)別對待了焊接和非焊接結(jié)構(gòu)件，它的溫度上限值比 ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范中訂的要保守。壓力容器設(shè)計規(guī)范中制訂的各種雙相不銹鋼的溫度極限值見表 2。表 3 綜合了雙相不銹鋼的一些重要析出反應(yīng)和析出的溫度范圍。11表 2 壓力容器規(guī)范中雙相不銹鋼的上限溫度極限（相對最大許

24、用應(yīng)力值）牌號狀態(tài)ASMETVFF2304非焊接態(tài)3156003005702304焊接態(tài)，匹配的焊條3156003005702304焊接態(tài)，22052209 焊條3156002504802205非焊接態(tài)3156002805352205焊接態(tài)3156002504802507無縫管315600250480255 合金焊接態(tài)或非焊接態(tài)315600表 3雙相不銹鋼中析出反應(yīng)和其他特征反應(yīng)的典型溫度2205超級雙相鋼凝固溫度范圍14451385263025251450139026402535在空氣中加熱起皮溫度1000183010001830相形成溫度70097513001800700975130018

25、00碳化物析出溫度45080084014704508008401470475885脆化溫度3505256509803505256509805耐蝕性能雙相不銹鋼在絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼應(yīng)用的場合都顯示出高的耐蝕性能，值得注意的是它們在某些情況下具有非常明顯的優(yōu)勢，這是由于它們含鉻量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足夠量的鉬和鎳，能耐中等還原性酸介質(zhì)的腐蝕。雙相不銹鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量也使它們具有很好的耐氯化物孔蝕和縫隙腐蝕性能，其雙相結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的場合是一個優(yōu)勢，如果雙相不銹鋼的顯微組織中含有至少 25或 30的鐵素體，則其耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的性能遠(yuǎn)比 304 或

26、316不銹鋼強(qiáng)。但鐵素體易發(fā)生氫脆，因此雙相不銹鋼在氫有可能進(jìn)入金屬的環(huán)境或應(yīng)用中耐蝕性不高。51 耐酸腐蝕性能為了說明雙相不銹鋼在強(qiáng)酸溶液中的耐腐蝕性，圖 5給出了硫酸溶液的腐蝕數(shù)據(jù)。介質(zhì)條件從低酸濃度的氧化性環(huán)境到高濃度的弱還原性環(huán)境及強(qiáng)還原性中等濃度范圍的熱溶液不等。2205 和 2507 雙相不銹鋼在酸濃度最大約15的溶液中，性能優(yōu)于許多高鎳奧氏體不銹鋼，在酸濃度至少為 40的范圍內(nèi)，雙相鋼優(yōu)于 316 或 317 不銹鋼。雙相不銹鋼在含氯化物或氧化性組分的硫酸溶液中也很有用。雙相不銹鋼的含鎳量不足以耐受中等濃度硫酸溶液或鹽酸的強(qiáng)還原性腐蝕，如果存在酸濃縮的可能如在水管或飛濺區(qū)，則腐蝕

27、尤其是鐵素體的腐蝕就會開始并快速進(jìn)展。雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸和強(qiáng)有機(jī)酸裝置優(yōu)良的候選材料，見圖 6 沸點(diǎn)溫度下，50醋酸和不同含量甲酸混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕。盡管 304 和 316 不銹鋼可用于室溫和中等溫度下的強(qiáng)有機(jī)酸介質(zhì)，但 2205 和其它雙相不銹鋼在許多涉12及高溫有機(jī)酸介質(zhì)的工藝中占優(yōu)勢，而且由于它們耐孔蝕和耐應(yīng)力腐蝕，也可用于鹵代烴（含鹵族元素的碳?xì)浠衔铮┕に嚱橘|(zhì)中。52 耐堿腐蝕性能雙相不銹鋼的高含鉻量和鐵素體相的存在使其在堿性介質(zhì)中具有良好的性能。在中等溫度下，其腐蝕速度低于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的腐蝕速度。53 耐孔蝕和耐縫隙腐蝕性能討論不

28、銹鋼的孔蝕和縫隙腐蝕的耐蝕性，引入腐蝕臨界溫度這一概念是有用的。在特殊的氯化物環(huán)境中，每一種不銹鋼都可用一溫度來描述其特征，高于此溫度孔蝕開始出現(xiàn)，并且 24 小時之內(nèi)可發(fā)展成肉眼可見的大??；低于此溫度則在無限長的時間內(nèi)不會產(chǎn)生孔蝕。這一溫度即所謂的臨界孔蝕溫度（CPT）。由于孔蝕源的起點(diǎn)從統(tǒng)計學(xué)上看是無序的，又由于即使同一牌號內(nèi)的或是產(chǎn)品內(nèi)的微小變化都會使 CPT 改變，因此，對于不同牌號的 CPT 通常以一個溫度范圍來表示。現(xiàn)在在 ASTM G 150 標(biāo)準(zhǔn)中采用電位測量法可以準(zhǔn)確和可靠地測量出 CPT?？p隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度，稱為臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）。CCT 與不銹鋼不同試

29、樣、氯化物環(huán)境和縫隙的形狀（縫隙寬度，深度等）有關(guān)。由于縫隙的幾何形狀以及實(shí)際中很難再現(xiàn)同樣縫隙的尺寸，CCT 的測量數(shù)據(jù)要比 CPT 更分散。通常對于同樣的鋼和在同樣的腐蝕環(huán)境中 CCT 往往比 CPT 低 1520。雙相不銹鋼中的高鉻、鉬和氮使其在水的環(huán)境中具有非常好的耐氯化物局部腐蝕性能。在這方面，即使是極低合金化的雙相不銹鋼牌號也優(yōu)于 316 型鋼，一些牌號甚至躋身于高性能不銹鋼的行列，如圖 7 所示。材料焊接態(tài)的臨界溫度要低一些。較高的臨界孔蝕和縫隙腐蝕溫度表明該鋼對這種類型腐蝕的成核具有較大的抗力。2205 鋼的 CPT 和 CCT 都高于 316 型鋼。這使 2205 鋼成為有多

30、方面用途的材料，例如用在氯化物的蒸發(fā)濃縮的環(huán)境，像在熱交換器的蒸汽空間或絕緣材料的下面。2205 鋼的 CPT 還表明它可用在堿水和脫氣鹽水中。它還成功地用于海水中，通過高流速的海水或用其他方法來表明鋼表面沒有沉積物。在苛刻的海水使用條件下，如薄壁熱交換器管，或表面有沉積物或有縫隙，2205 鋼在海水中則沒有足夠的耐縫隙腐蝕能力。13然而，比 2205 鋼具有更高 CCT 高合金化的雙相不銹鋼，如超級雙相不銹鋼，已經(jīng)在許多苛刻的海水條件下使用，它既需要鋼的強(qiáng)度又要有耐氯化物的能力。因?yàn)?CPT 是材料和特殊環(huán)境的函數(shù)，有可能進(jìn)行單獨(dú)組元作用的研究。采用回歸分析法得出鋼的成分與 CPT（用 AS

31、TM G 48A 法測定）的關(guān)系式。結(jié)果顯示只有鉻、鉬和氮對 CPT 有影響。關(guān)系式如下：CPT常數(shù)（Cr33Mo16N）式中三個元素乘以各自的回歸常數(shù)之和即通常稱之為孔蝕抗力當(dāng)量值（PRE）。根據(jù) PRE 的大小可以給本系列的鋼種進(jìn)行排隊(duì)。但也不要對這關(guān)系式過分依賴，式中合金元素是按自變量來處理的，實(shí)際上并非完全如此，像元素的協(xié)同作用，如鉻和鉬，就被忽略。另外，此關(guān)系式只是針對理想狀態(tài)的材料，沒有涉及金屬間相，非金屬相或不恰當(dāng)?shù)臒崽幚韺δ臀g性有不利的影響。1454 耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能雙相不銹鋼最早期的某些應(yīng)用是基于它們耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）的性能。與具有類似耐氯化物孔蝕和縫隙腐蝕性能

32、的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學(xué)加工工業(yè)的許多應(yīng)用都是在有很大的應(yīng)力腐蝕斷裂危險的場合，代替奧氏體不銹鋼的使用。然而，和其它所有材料一樣，雙相不銹鋼在特定條件下也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，這種情況可能發(fā)生于高溫、含氯化物的環(huán)境或存在促使氫致斷裂的介質(zhì)條件。雙相不銹鋼可能會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境條件如 42的沸騰氯化鎂溶液試驗(yàn)，金屬處在高溫下的液滴蒸發(fā)試驗(yàn)及加壓狀態(tài)下溫度高于常壓下溫度的加壓含水氯化物系統(tǒng)。圖 8 給出了若干軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在苛刻的氯化物介質(zhì)中的相對耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性得出這些數(shù)據(jù)的液滴蒸發(fā)試驗(yàn)腐蝕條件很苛刻，因?yàn)樵?/p>

33、驗(yàn)進(jìn)行的溫度是 120C（248F）的高溫，并且氯化物溶液由于蒸發(fā)而濃縮。試驗(yàn)中兩種雙相不銹鋼 2205 和2507 最終在所受應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度的某一百分比時發(fā)生斷裂，但這一百分?jǐn)?shù)比 316 不銹鋼相應(yīng)的百分比值高得多。由于雙相鋼在常壓下能夠耐氯化物水溶液的應(yīng)力腐蝕斷裂，例如耐隔層下腐蝕，所以在已知 304 和 316 不銹鋼會發(fā)生斷裂的氯化物介質(zhì)中，可以考慮使用雙相不銹鋼。表 4 總結(jié)了在不同腐蝕程度的各類試驗(yàn)介質(zhì)中，幾種不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂行為。表左右兩側(cè)介質(zhì)分別由于含有酸性鹽和溫度高，介質(zhì)條件苛刻。表中間的介質(zhì)條件不那么苛刻。鉬含量小于 4%的標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼在所有這些條件下均發(fā)

34、生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂，而雙相不銹鋼能夠耐受上述中間范圍的溫和介質(zhì)條件。耐氫誘生應(yīng)力腐蝕是一個綜合的功能，不僅與鐵素體含量有關(guān)，而且與強(qiáng)度、充氫條件、溫度、外加應(yīng)力等有關(guān)。雙相不銹鋼盡管對氫斷裂敏感，但只要仔細(xì)估計和控制操作條件，在含氫介質(zhì)中仍可以利用其強(qiáng)度優(yōu)勢。這些應(yīng)用中最著名的是輸送鹽水和略帶酸性氣體的混合物高強(qiáng)度管道。圖 9 說明了 2205 雙相不銹鋼在含氯化鈉的酸性介質(zhì)中對腐蝕免疫和敏感的范圍。圖 8 給出了若干軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在苛刻的氯化物介質(zhì)中的相對耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能。156 最終用戶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量控制雙相不銹鋼制造的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量控制方面一個關(guān)鍵的實(shí)際問題

35、是焊接后能保留其性能。雙相不銹鋼原始供貨態(tài)的成分和工藝必須保證在限定的焊接工藝之后它仍具有良好的性能。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求化學(xué)成分選擇第二代雙相不銹鋼的一個適當(dāng)?shù)囊罁?jù)便是 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)。雙相不銹鋼中添加氮是有利的，既可以避免熱影響區(qū)出現(xiàn)過多的鐵素體，又可以延緩相的形成。雙相不銹鋼含氮量的上限就是氮在熔融金屬中的溶解度，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氮含量范圍的最大值可以反映出來，但是所列出的最小氮含量不一定反映出最佳焊接所需的氮含量。例如 2205 雙相不銹鋼起初的標(biāo)準(zhǔn) S 31803，當(dāng)?shù)吭谄湓试S范圍0.080.2%的下限部分時，2205 對熱處理和焊接的響應(yīng)不一致，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示, 對于 2205 雙相不銹鋼的

36、焊接加工而言，氮含量最小為 0.14%是必要的。由于經(jīng)常要規(guī)定這一條件，為了方便需要焊接的最終用戶，將 2205 的 S 32205 版本引入了雙相不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)。超級雙相不銹鋼也有較高的氮含量，反映出人們對氮含量最重要性的認(rèn)識。有一些最終用戶所依據(jù)的雙相不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)是基于 PRE 值之間的關(guān)系。盡管 PRE 值在按成分平衡的不同鋼種的耐腐蝕性來排列次序時可能是有效的，但為了滿足特定的 PRE 值而改變成分不一定會獲得到適當(dāng)?shù)囊苯饘W(xué)平衡，PRE 值有助于從列隊(duì)的鋼種中選擇其中的一個，但要改變這一鋼種的成分可以假定部分鉻和鉬被氮所替代，從 PRE 值看沒有什么變化，而從冶金學(xué)的角度看，鉻和鉬促進(jìn)鐵素體

37、相和金屬間相的形成，而氮促進(jìn)奧氏體相的形成，并且抑制金屬間相的形成，鉻、鉬減少，氮增加實(shí)際都達(dá)不到相的平衡。因此，雙相不銹鋼成分的選擇最好根據(jù)規(guī)范中所列的標(biāo)準(zhǔn)鋼種來進(jìn)行，有可能每一鋼種都限制了氮溶解度范圍的上限。不論材料的成分如何規(guī)定，它都應(yīng)當(dāng)與焊接工藝評定所用的材料相同，這樣這些評定對于制造才是有意義的。固溶處理和淬火除了化學(xué)成分， 軋鋼廠產(chǎn)品的實(shí)際熱處理?xiàng)l件對于焊接也是重要的。奧氏體不銹鋼固溶的目的是使金屬再結(jié)晶，讓碳溶入熔體中?！癓”級的低碳不銹鋼可以進(jìn)行水淬或相對較慢的空氣冷卻，因?yàn)橹匦滦纬捎泻Φ奶蓟镄枰臅r間很長。但對于雙相不銹鋼而言，即使有理想的含氮量，停留在臨界溫度范圍內(nèi)幾分鐘

38、也對其耐腐蝕性和韌性不利。當(dāng)軋鋼廠的產(chǎn)品慢速冷卻時，即使采用快速空氣冷卻，材料通過 700980溫度范圍所需的時間也不適合進(jìn)一步的熱接如焊接，所以允許焊工進(jìn)行這種熱影響區(qū)不存在金屬間相的焊接時間更短。盡管 ASTM 等標(biāo)準(zhǔn)允許某些雙相不銹鋼水淬或通過其它方法迅速冷卻，但焊接的最佳冶金學(xué)條件是通過從固溶溫度最快速地淬火得到的?？諝饫鋮s對于現(xiàn)代薄板卷的生產(chǎn)效率高。但對厚板，水淬可以得到焊接的最佳冶金學(xué)條件。在淬火前使板材或組件冷卻到 700980C（13001800F）會導(dǎo)致金屬間相的形成。16另一個保證最佳起始條件的方法是要求對軋鋼廠的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其不存在有害的金屬間相。ASTM A923

39、 運(yùn)用金相檢查、沖擊試驗(yàn)或腐蝕試驗(yàn)證明不存在達(dá)到有害水平的金屬間相。這一試驗(yàn)假定軋制產(chǎn)品是快速冷卻的并且不考慮沉淀的早期階段，僅考慮是否已出現(xiàn)了有害的沉淀。此試驗(yàn)類似于用 ASTM A262 試驗(yàn)檢驗(yàn)奧氏體不銹鋼是否存在碳化鉻導(dǎo)致的敏化。A923 標(biāo)準(zhǔn)僅包括可鍛造2205（S31803 和 S32205）軋制產(chǎn)品，但將來其它雙相不銹鋼也可能被納入。盡管 A923 清楚地表明這一試驗(yàn)不適用于沒有后繼固溶處理的焊縫，但很多制造商仍然采用這些試驗(yàn)以及類似的試驗(yàn)，把它們作為焊接工藝評定的一部分，只不過試驗(yàn)溫度有所降低、韌性減小或其它條件有變化。62特殊實(shí)驗(yàn)要求拉力和硬度實(shí)驗(yàn)相對奧氏體不銹鋼而言，雙相不

40、銹鋼具有高強(qiáng)度，但是偶爾有最終用戶的規(guī)范規(guī)定了強(qiáng)度和硬度的最大值。強(qiáng)度或硬度引入最大值可能是借鑒了馬氏體不銹鋼的經(jīng)驗(yàn)，而馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度和硬度來自于未經(jīng)回火處理的馬氏體。但是雙相不銹鋼不形成馬氏體，雙相不銹鋼的高強(qiáng)度和高硬度緣于其高的氮含量、雙相結(jié)構(gòu)本身、成形和矯直操作中可能發(fā)生的加工硬化。硬度試驗(yàn)是證明制造中沒有過度冷加工的有效手段，但當(dāng)硬度試驗(yàn)用于這一目的時，很重要的一點(diǎn)是測量位置應(yīng)當(dāng)介于表面和斷面的中心之間，而不是在發(fā)生局部硬化和表面硬化的表上。彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)可以證明軋鋼廠的產(chǎn)品沒有軋制裂紋，但對于大型材、小軋件和某些幾何形狀的軋材可能是困難的。彎曲試驗(yàn)不是雙相不銹鋼質(zhì)量的一個保守

41、指標(biāo)，因?yàn)閺澢c(diǎn)可能與不合格的情況所在的位置不一致，某些情況如沿軸線的金屬間相由于彎曲的方向性未必能被檢測出來。彎曲試驗(yàn)一般作為奧氏體不銹鋼焊接工藝評定的一部分，因?yàn)樗泻缚p熱裂的危險，特別是對于全奧氏體化的焊縫組織。由于雙相不銹鋼存在鐵素體以及較高的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹性，大大降低了用彎曲試驗(yàn)來檢測焊縫缺陷的作用。如果試驗(yàn)位置正好與受影響的區(qū)域相吻合，則彎曲試驗(yàn)可以粗略地檢測出過多的鐵素體，但彎曲試驗(yàn)未必能檢測出對耐腐蝕性和韌性有害的少量金屬間相的存在。沖擊試驗(yàn)和金屬間相的金相檢查用沖擊試驗(yàn)來規(guī)定材料和評定工藝有兩種方式：在已知條件下試驗(yàn)，檢測不合格的材料，例如過多的鐵素體和金屬間相的存在；

42、證明某種制造所具有的特性充分滿足預(yù)計的使用要求。對于第一種用途，ASTM A923 給出了 2205 雙相鋼的試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)的縱向夏比（Charpy）40F/C 下沖擊17試驗(yàn)韌性小于 54J，表明軋鋼廠固溶產(chǎn)品不合格。為了保證滿意的熱處理和淬火，作為一種生產(chǎn)控制手段，應(yīng)當(dāng)對軋鋼廠產(chǎn)品的每一個爐批都要求做A 923 方法 B 試驗(yàn)（或方法 C 腐蝕試驗(yàn)）。而 A 923 允許采用金相檢查（方法 A）作為一種以接受而不是判廢為目的的篩分試驗(yàn)。因?yàn)榉椒?A 的操作要求高水平的金相技術(shù)，所以最終用戶要求進(jìn)行縱向夏比沖擊試驗(yàn)而不是金相檢查是慎重的，聲明這一要求的方法是要求報告沖擊功。A 923 方法的

43、一個好處是可以確認(rèn)軸線金屬間相，如 A 923 圖 4 所示。根據(jù)方法 A 的篩選法，軸線金屬間相將造成材料不合格，但 A 923 方法 B 沖擊試驗(yàn)的結(jié)果不一定是材料被判廢。由于這種軸線金屬間相可能導(dǎo)致成形、熱剪或焊接過程中板材的分層，所以除了方法 B 或 C 以外，用戶還應(yīng)當(dāng)要求進(jìn)行方法 A 的檢驗(yàn)，并拒絕任何顯示有軸線金屬間相的材料。盡管 A 923 已聲明方法 A 不用于材料的判廢，但用戶可提出更嚴(yán)格的要求。材料如果呈現(xiàn)出 A 923 圖 4 所示的接近厚度中部的軸線金屬間相，則應(yīng)當(dāng)被判廢。沖擊試驗(yàn)的第二個用途即在比預(yù)期的使用條件更苛刻的條件下評價基體金屬（母材）、熔合區(qū)和熱影響區(qū)，這

44、可能是一種謹(jǐn)慎和具成本效益的方法。對于焊接的評價，根據(jù)焊接類型的不同，有規(guī)定的試驗(yàn)溫度和合格的標(biāo)準(zhǔn)，并且它們與使用條件有必然的聯(lián)系，韌性將不會象固溶處理的雙相不銹鋼軋制產(chǎn)品那樣高。焊縫金屬較低的韌性不一定表明存在金屬間相，而常常是由于氧含量增高造成的，特別是采用了焊劑保護(hù)焊接工藝。ASME 已發(fā)布了適用于斷面厚度大于 9.5 毫米（0.375 英寸）的雙相不銹鋼的新的技術(shù)要求，這些要求是在金屬最低設(shè)計溫度（MDMT）下采用夏比沖擊試驗(yàn)，并以側(cè)膨脹作驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來證明初始母材和產(chǎn)品焊縫的韌性足以滿足未來的設(shè)備使用要求。ASME 檢驗(yàn)與 A 923 試驗(yàn)的不同之處在于 ASME 檢驗(yàn)要求夏比沖擊試驗(yàn)包

45、含三個試樣（常用的測量韌性適用方法），并且要求報告最小值和平均值。為了節(jié)約同時得到謹(jǐn)慎的結(jié)果, 可以采用兩個試驗(yàn)溫度中（ASTM A 923 的40C/F）或 ASME 標(biāo)準(zhǔn)中的金屬最低設(shè)計溫度較低的一個，通過測量三個試樣的沖擊功和側(cè)膨脹來衡量其韌性。用金相或磁性測量法測定相平衡雙相不銹鋼軋制產(chǎn)品的奧氏體鐵素體相平衡爐號與爐號或批號與批號之間變化很小，這是因?yàn)樵谒鼈兊纳a(chǎn)中，化學(xué)成分范圍控制得很窄，而且有規(guī)定明確的固溶操作。一般 2205 雙相鋼含有 4050的鐵素體，由于這個原因，固溶軋制產(chǎn)品相平衡測定，其價值有限。然而，測定鐵素體相對于焊接工藝評定是適合的，這樣做可以防止熱影響區(qū)出現(xiàn)過多的

46、鐵素體。雙相不銹鋼相平衡的準(zhǔn)確測定通常要求金相檢查和數(shù)點(diǎn)，如 ASTM E 562（手動）和 E 1245（自動）方法。由于雙相不銹鋼是鐵磁性的，奧氏體和鐵素體的間距特別細(xì)，如果沒有同樣的幾何形狀和相平衡的金相測量結(jié)果作參考標(biāo)準(zhǔn)，則磁性檢測法的可靠性是有限的。AWS A4.2-91 和 ISO8249 描述了校準(zhǔn)磁性測量儀，測量雙相不銹鋼焊縫處鐵素體并以鐵素體序數(shù) FN 報告結(jié)果的操作步驟。焊縫處可接受的相平衡范圍比基體金屬要寬得多。如果象 A 923 試驗(yàn)所顯示的那樣，焊縫及熱影響區(qū)的韌性和耐腐蝕性合格的話，那么鐵素體范圍在 2575時，即可提供雙相不銹鋼所需的特性。磁性測量得出鐵素體序數(shù)在

47、 3090 之間是合格的。要求對已經(jīng)放在加工服務(wù)中心或經(jīng)銷商倉庫中的材料進(jìn)行相平衡的測定，比對剛從軋鋼廠生產(chǎn)出來的材料提出同樣的要求要花費(fèi)更多的費(fèi)用，獲取試樣并進(jìn)行分別的試驗(yàn)也可能影響及時供貨。因?yàn)榻饘匍g相是非磁性的，所以磁性試驗(yàn)不能用來檢測相和相。腐蝕試驗(yàn)按照 A 923 標(biāo)準(zhǔn)對固溶處理的軋制產(chǎn)品進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)是18最具成本效益的檢測有害狀態(tài)的方法之一。金屬間相的析出以及過量鐵素體相中可能存在的氮化鉻，都可表現(xiàn)為耐孔蝕性能的喪失而被檢測出來。這些有害相造成臨界孔蝕溫度比正常固溶的材料所預(yù)計的溫度下降了 15C 或更多。測定試樣的實(shí)際臨界孔蝕溫度花費(fèi)較高，因?yàn)樗枰啻卧囼?yàn)。然而，在比雙相不銹鋼通常的臨界溫度低 1015C 的溫度下進(jìn)行單次腐蝕試驗(yàn)將揭示有害相的存在。當(dāng)采用腐蝕試驗(yàn)來檢測有害相的法是以腐蝕速率作為驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測孔蝕時，這似乎使人驚訝，然而采用這個方法是基于以下兩個原因：通過重量損失來考察合格與否，就排除了確定金屬表面的蝕孔這樣麻煩并可能帶主觀色彩的問題。拒收所規(guī)定的重量損失足夠大，可以容易地進(jìn)行測量，而在一項(xiàng) 24 小時的試驗(yàn)里，它又足夠小，可以容易地檢測出與金屬間相存在有關(guān)的孔蝕種類。如果采用腐蝕速率，只要總的表面積能確定，則幾乎任何樣品尺寸和形狀都能進(jìn)行試驗(yàn)。與夏比試驗(yàn)相比，腐蝕試驗(yàn)是保守的，而且對試樣的幾何形狀和位置不敏感，而前者對方向和缺