双相不锈钢知识

双相不锈钢相关参考资料前言双相不锈钢做为一种特殊的不锈钢材料，正在被日益广泛地应用于压力容器等相关的设备中。为使大家对这种特殊合金材料有一初步了解，特整理这份资料以供参考。由于水平有限，对一些问题理解的不透，可能有不确之处，望提出意见。资料的整理打印得到技术部、焊研所同仁的大力协助，在此表示感谢。编者2005．7．15初稿2006．3．20修定目录1．不锈钢概述1.1不锈的概念1.2不锈钢的分类及其用途1.3合金元素在不锈钢中的作用2.双相不锈钢概述2.1双相不锈钢的概念2.2双相不锈钢的特点2.3双相不锈钢的分类2.4常用双相不锈钢的化学成分2.5常用双相不锈钢的力学性能2.6常用双相不锈钢的其他性能3.双相不锈钢的焊接3.1双相不锈钢的焊接特点3.2焊接方法的选择3.3焊接材料的选用3.4焊接工艺要点3.5推荐的焊接工艺参数4.双相不锈钢的其他加工性能4.1热处理性能4.2冷热成型性能4.3胀管性能5.双相不锈钢的应用5.1保证双相不锈钢安全使用的条件和要求5.2双相不锈钢在各个领域中的应用1.不锈钢概述1.1不锈钢的概念1.1.1定义:凡在空气或各种气氛中，在水或各种酸、盐类的水溶液中具有化学稳定性而不致氧化、生锈或受到各种腐蚀的钢，均属于不锈钢。简而言之，主加元素铬含量高于12%，能使钢处于钝化状态又具有不锈特性的钢称之为不锈钢。1.1.2通常所说的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。1.1.2.1不锈钢：一般是指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢。1.1.2.2耐酸钢：是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。1.1.2.3不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的不锈性能。1.1.2.4不锈钢和耐酸钢的共同点：含Ｃr量都在12%以上。1.1.2.5按照习惯叫法，下文中将不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢。1.2不锈钢的分类及其用途1.2.1按主要化学成份分:铬不锈钢：如0Cr13,1Cr13,1Cr17,2Cr13等铬镍不锈钢：如0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti等。铬镍钼不锈钢：如0Cr17Ni12Mo2，00Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni12Mo2Ti等。铬锰氮不锈钢：如0Cr17Mn14Mo2N（A4钢）等。1.2.2按含碳量分:高碳型：C＞0.15%如2Cr13,3Cr13等。中碳型：0.08%＜C≤0.15%如1Cr13,1Cr18Ni9等。低碳型：0.03%＜C≤0.08%如0Cr13,0Cr18Ni9等。超低碳型：C≤0.03%如00Cr19Ni10,00Cr17Ni14Mo2等。1.2.2按金相组织分：可分为五类，见表1。表1组织类型钢号示例主要用途奥氏体不锈钢0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2，0Cr18Ni12Mo2Ti，00Cr17Ni14Mo2，0Cr17Mn14Mo2N在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性，应用昀为广泛铁素体不锈钢00Cr12，1Cr17，0Cr13Al主要应用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，如室内装饰、厨房设备、家用器具。主要用它的不锈钢性能。马氏体不锈钢0Cr13，1Cr13，2Cr13主要用于硬度、强度要求较高而耐腐蚀性要求不太高得场合，如量具、刀具、餐具等。主要用它的不锈和高强度。铁素体-奥氏体型不锈钢（双相不锈钢）0Cr26Ni5Mo2，00Cr18Ni5Mo3Si2韧性较好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀和抗点腐蚀能力强。在石化领域、海水处理设备中应用广泛。沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni7Al，0Cr17Ni4Cu4Nb在不锈钢中添加硬化元素，通过适当的热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性。通常用作耐磨、耐蚀的高强度结构件。如轴、齿轮、螺栓等。1.3合金元素在不锈钢中的作用1.3.1各元素对组织的影响和作用1.3.1.1奥氏体形成元素：C、Ni、Mn、N和Cu，其中C和N作用程度昀大。铁素体形成元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、Ta、V、W和Al。1.3.1.2各元素折合成镍当量和铬当量对组织的影响程度可用当量计算公式表示出来，见表2。（%）表2组织关系图Cr当量Ni当量Schaeffler图（塞弗勒图）=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb=Ni+30C+0.5MnDelong图（德隆图）=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb=Ni+30C+30N+0.5MnWRC图=Cr+Mo+0.7Nb=Ni+35C+20N+0.25Cu1.3.1.3各元素折合成镍当量和铬当量与组织之间的关系图。①Schaeffler图（图1）WEL焊材标本P500图11②Delong图（图2）WEL焊材标本P501图12③WRC-1992（FN）图（图3）WEL焊材标本P502图131.3.2各元素对其他性能的影响，见表3。表3合金元素影响和作用Cr1）是不锈钢中昀基本的合金元素。能提高合金的电极电位，且在钢表面形成致密的Cr2O3钝性保护膜,使钢进入钝化状态，二者共同作用提高了其抗腐蚀性能；2）是提高钢抗氧化性昀主要的元素，故也是提高钢高温强度的主要元素；3）可以稳定γ+δ双相组织，防止热裂纹产生，在18-8钢中，希望Cr/Ni=2.2~2.34）可以促使σ相的产生和长大。Ni1)提高钢的高温强度和抗晶间腐蚀能力；2)易与S、Si、Ti、Nb等形成低熔点化合物，促使热裂纹产生。Mo1）提高钢的高温强度，改善耐腐蚀性能；2）对防止热裂纹有良好的作用；3）在Ni-Cr-Mo合金中会促使产生σ相。Si1)在钢表面形成致密的SiO2氧化膜，提高了抗腐蚀性能；2)形成δ相，且会夺取S而有利于防止热裂纹。但在高Ni奥氏体钢中，Si会和Ni形成低熔点化合物，故Si的增加对热裂纹有害；3)可促使σ相的产生和长大。Ti和Nb1)是强烈碳化物形成元素,取代Cr而和C化合,降低晶间腐蚀的敏感性.因此在18-8Ti和18-8Nb钢中要求Ti≥5×C或Nb≥8×C~1.00%；2)细化晶粒。C1）与Cr形成碳化物，降低抗晶间腐蚀能力；2）在18-8钢中，C增加会加大热裂纹倾向，而在25-20纯奥氏体钢中增加C可以提高抗热裂纹能力；3）提高热强度。Mn形成MnS而减少热裂纹倾向。N1）细化晶粒；2）在18-8Ti和18-8Nb钢中，N会夺取Ti和Nb形成氮化物，从而降低抗晶间腐蚀能力，同时会减少δ相而增大热裂纹倾向。2.双相不锈钢概述2.1双相不锈钢的概念2.1.1定义：所谓双相不锈钢是指金相组织由铁素体和奥氏体两相组成的不锈钢。它在固溶组织中铁素体相和奥氏体相约各占一半，一般较少相的含量至少也要在30%以上，这类不锈钢称之为铁素体-奥氏体双相不锈钢。2.1.2一点说明：铁素体含量一般低于10%，在奥氏体相的基础上含一定量的铁素体相，金相组织为奥氏体-铁素体双相组织，这种不锈钢不属于双相不锈钢之列，一般仍称之为奥氏体不锈钢。它之所以含一定量的铁素体相主要是为了防止焊接热裂纹的产生。2.2双相不锈钢的性能特点双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的良好耐蚀性、优良的塑韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使之兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。2.2.1组织特点：铁素体相和奥氏体相约各占50%。2.2.2力学性能特点：综合力学性能好，不但有较高的屈服强度和疲劳强度，同时具有良好的韧性。其屈服强度σ0.2可达400～550Mpa，是普通18-8型奥氏体不锈钢（σ0.2≥205MPa）的两倍，这样可以节约材料，降低设备制造成本。2.2.2.1具有较高屈服强度的机理①晶粒较细：两相的共同存在阻止了双相不锈钢的晶粒长大。以同样加工方式，同尺寸钢材的双相不锈钢晶粒只有奥氏体不锈钢晶粒的一半，而细晶粒钢由于晶界增多，在晶界能够锁定位错，使之移动困难，从而使钢强化。具体晶粒度对强度的影响可用Petch-Hall关系式表述：σ0.2=σ0+K/D式中：σ0,K为常数D为晶粒直径②合金元素的作用:Cr、Mo、N等元素具有固溶强化作用。③相比例的影响：大量铁素体相的存在使双相不锈钢具有较高的强度，且随着铁素体量的增加，其屈服强度也提高。见图4。《双相不锈钢》一书P77图4-132.2.2.2具有良好韧性的原因：主要是奥氏体相的存在。双相不锈钢中铁素体相占有较大的比例，因此高铬铁素体不锈钢所固有的σ相脆性、475℃脆性和高温晶粒长大脆性也会在双相钢中有所反映。但由于奥氏体相的存在，使其脆化倾向较铁素体不锈钢要小，从而使双相不锈钢仍具有良好的韧性：＜１＞奥氏体相能抑制铁素体相中已产生的裂纹继续扩展；＜２＞碳、氮等元素在奥氏体相中溶解度高，在从高温冷却过程中，不易析出碳化物、氮化物，从而使晶界脆化倾向减小；＜３＞奥氏体相的存在有利于阻止高温加热（如淬火）时铁素体晶粒的长大，由于晶粒较细，故韧性好。2.2.3耐蚀性能特点双相不锈钢对晶间腐蚀不敏感，有较好的耐点蚀性能，具有优良的耐应力腐蚀性能，特别是在介质环境比较恶劣（如Cl-含量较高）的条件下，其抗点蚀、缝隙腐蚀及腐蚀疲劳性能、磨损腐蚀性能明显优于普通的Cr-Ni和Cr-Ni-Mo奥氏体不锈钢。2.2.3.1对晶间腐蚀不敏感的机理:在双相不锈钢中的铁素体含Cr量较奥氏体中高的多，而且铬的扩散速度也比在奥氏体中快，虽然在相界和晶界中析出Cr23C6时消耗了铁素体中的部分铬，但很容易得到补偿，不易形成贫铬区，因此双相不锈钢比含同样碳量的奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能要好。双相钢的焊接接头能轻易地通过ASTMA262中的E法（相当于国标GB4334.5H2SO4-CuSO4-Cu法）晶间腐蚀试验。2.2.3.2具有良好的耐点蚀性能点蚀是不锈钢昀有害的腐蚀形态之一，蚀孔往往又是应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳裂纹的起始部位。1点蚀的机理钢表面的钝化膜由于钢中存在的缺陷、夹杂和溶质等的不均一性，使钝化膜在这些地方较为薄弱，在特定的腐蚀性溶液中该处就容易被破坏，此处便成为活化的阳极，周围部分成为阴极，形成电化学反应腐蚀作用。由于二者的面积比非常小，至使阳极处电流密度很大，造成阳极处金属离子溶解加速，逐渐成许多直径小于1mm的小孔和蚀坑，这就是点蚀。2点蚀的影响因素①材料因素１)合金元素的影响（a）Cr：是形成钝化膜的主要元素，它不但可以保持钝化膜的稳定，并能提高钝化膜破坏后的修复能力，使钢的再钝化能力增强。当钢中Cr含量在25%以上时，点蚀速度明显下降。但Cr含量太高时（如达到30%）反而对抗点蚀不利。且增大钢的脆化倾向。所以一般双相不锈钢Cr含量控制在25%以下。(b)Mo：是显著提高双相不锈钢耐点蚀性能的重要元素。它可以提高钝化膜的稳定性。但当钢中Mo含量超过3.5%时，会使钢的脆化倾向大大增加。除非再辅以其他元素如氮的配合，来维持较好的相平衡，才会即对抗点蚀有利，又不致使脆性增加。(c)Ni：主要作用是控制组织，使奥氏体相和铁素体相各占50%左右才会使钢得到昀佳的耐点蚀性能。(d)N：它显著影响Cr、Mo在两相中的分配，使Cr、Mo元素从铁素体相向奥氏体转移，从而改善了奥氏体相的抗点蚀能力，从而提高钢的抗点蚀能力。2）组织的影响：(a)相比例的影响：点蚀仅产生在铁素体晶内的奥氏体相上。两相比例对点蚀性能的影响主要与相中的合金元素的变化有关。要保持适当的相比例；且加入N元素使奥氏体相中的Cr、Mo含量增多就能改善和提高抗点蚀能力。(b)金属间相的影响：金属间相中以σ相对双相钢的点蚀性能影响昀大。少量的σ即可恶化钢的抗点蚀能力。3）夹杂物的影响：非金属夹杂物造成钢的不均一性。因此对点蚀有重大影响，特别是MnS的影响昀大。采用精炼技术来脱硫，使钢达到超低硫钢，可以提高钢的抗点蚀性能。②环境因素：溶解氧量、温度、PH值以及Cl-等破坏钝化膜的离子等都对抗点蚀性能有影响。其中以Cl-影响昀甚，也就是说在氯化物环境中易发生点蚀。3抗点蚀性能的评定方法：①化学成分评估法：在氯化物环境中影响点蚀的主要合金元素是Cr、Mo和N。这些元素与抗点蚀能力可以通过下述关系式来描述：PRE（PREN）