不同固溶温度对双相不锈钢σ相析出及冲击韧性的影响

来源:广东省珠海市质量计量监督检测所作者:宾远红

采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、室温冲击等方法,研究了不同固溶温度下2205双相不锈钢σ相析出行为以及对冲击性能的影响,用于指导双相不锈钢的热加工工艺。结果表明:在750~900℃时,有σ相析出,析出位置集中在α/γ相界上。

随着固溶温度的升高,σ相析出尺寸变大,析出量呈先增多再减少,σ相析出的鼻尖温度范围在850~900℃之间。σ相析出使2205双相不锈钢冲击韧性急剧下降,随固溶温度的升高,冲击韧性持续降低,900℃时冲击韧性最差,仅有38J,因此双相不锈钢在热加工过程中应尽量避免在σ相析出温度范围内停留。

双相不锈钢是由两相比例接近的铁素体和奥氏体组成的,与传统奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比,双相不锈钢的强度更高,韧性更好,耐晶间腐蚀性能、应力腐蚀和耐腐蚀疲劳等性能也更优,且具有优良的耐氯离子腐蚀性能,广泛应用于石油化工、造纸、海洋工程装备、船舶制造行业等。然而,双相不锈钢对温度比较敏感,在热处理过程中会析出一些σ相和χ相等金属间的硬脆相。σ相是对双相不锈钢危害性最大的一种析出相,它硬而脆,显著降低了钢的塑性和韧性,又由于它富铬,因而在其周围往往出现贫铬区或由于它本身的溶解而使钢的耐腐蚀性能下降。船舶工业广泛采用双相不锈钢做结构钢,σ相的析出导致材料冲击韧性大幅下降,不能满足CCS规范要求,同时’相析出对材料的拉伸性能和硬度也有影响,因此有必要研究σ相析出的敏感温度区间,避免σ相析出对材料力学性能的影响。本文选用在船舶工业应用最广泛的2205双相不锈钢,研究在不同固溶温度下σ相的析出规律和对冲击性能的影响,对于船舰制造中的双相不锈钢的热加工工艺具有重要的指导意义。

1、试验材料与方法

1.1、试验材料

选用的试验材料为厚度为10mm的2205双相不锈钢板材,采用美国热电ARL3460火花直读光谱仪测定其化学成分,结果如表1。冲击试样采用10mm×10mm×55mm的标准样条,取样方向为纵向(平行于轧制方向),原材料的冲击吸收能量为201J。

表1 2205双相不锈钢化学成分(质量分数,%)

2205双相不锈钢化学成分

2205板材的原始显微组织如图1。原始材料的显微组织为典型的两相组织,其中深灰色的为铁素体组织,亮白色的为奥氏体组织,奥氏体组织均匀分布在铁素体基体上,奥氏体组织还保留着原始的轧制特征。两相分别所占的体积分数:铁素体为48.5%;奥氏体为51.5%。

2205双相不锈钢原始组织

图1 2205双相不锈钢原始组织

1.2、试验方法

将原始2205板材在温度为700,750,800,850,900,950和1000℃时进行固溶处理,保温时间为30min,然后入水快冷。抛光后的试样放入铁氰化钾溶液(铁氰化钾10g+氢氧化钾10g+水100mL)中煮沸2~4min。腐蚀后的铁素体呈黄色,奥氏体呈光亮色,σ相由褐色变成黑色。采用DMI5000M金相显微镜观察腐蚀后的试样。采用PTM2200-D1金属摆锤冲击试验机测定试样的室温冲击性能。采用quanta200环境扫描电镜观察冲击断口形貌,并采用背散射观测σ相,用能谱仪确定析出相的成分。

2、试验结果与分析

2.1、金相分析

2205双相不锈钢在700~950℃固溶温度下保温30min后的显微组织见图2。由图可知,700℃下固溶处理使原始晶粒组织得到细化,但是还具有一定程度的轧制特征。α/γ相界没有σ相析出,但是铁素体晶界中有少数黑色线状析出物存在。750℃时,在少数相界上开始出现了很少量的σ相析出,σ相主要以近似于点状的形态存在,同时铁素体晶界上的析出物仍然存在。800℃时,所有的α/γ相界上均出现了σ相的析出,大量的σ相较均匀的分散在α/γ相界上,同时,在铁素体晶界上也看到了少量σ相析出,σ相主要以条状+点状的形式存在,晶粒尺寸开始变大。850℃时,σ相的析出位置有所减少,σ相的晶粒尺寸进一步变大变粗,析出量进一步增多。900℃时,σ相的析出位置减少,但是析出的σ相的呈块状和条状,晶粒尺寸都较大。当温度升高到950℃时,没有σ相析出,组织又呈现两相组织。σ相的析出温度范围在700~950℃之间。同时,700℃时,原始的长条状的奥氏体晶粒已经被打断,奥氏体晶粒尺寸明显比原始组织要小很多,同时在铁素体基体上看到了一些细小的奥氏体晶粒,在大的奥氏体晶粒中也有细小的铁素体存在,随着温度升高,其奥氏体组织的晶粒组织逐渐得到细化,晶粒逐渐球化,轧制特征相比原始组织有一定程度的改善,850℃固溶处理轧制特征最不明显。

采用四川大学的α相面积含量测定专用软件,通过调节像素的上限和下限值,把σ相提取出来对其含量进行定量分析,分别选取5个视场,结果取平均值,结果如图3。由图可知,固溶处理温度为850℃时σ相析出量为6.9%,析出量最多,σ相析出的鼻尖温度范围在850~900℃之间。

3、结论

1)当2205双相不锈钢固溶处理温度在750~900℃时,有σ相析出,析出位置主要在α/γ相界上;

2)随固溶处理温度的升高,σ相析出位置减少,析出尺寸明显变大,σ相析出量呈先增多后减少的趋势,σ相析出的鼻尖温度范围在850~900℃之间;

3)σ相析出使2205双相不锈钢冲击韧性急剧下降,在有σ相析出的温度范围内,随固溶温度的升高,冲击韧性持续降低,900℃时冲击韧性最差,仅有38J,在双相不锈钢热加工过程中应尽量避免σ相的析出。