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技術知識

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雙相不銹鋼材質性能特點

日期:2021-1-9 10:05:58

雙相不銹鋼的應用日益廣泛,為了幫助用戶更好地認識、選擇、加工和應用這類不銹鋼,本文將介紹了雙相不銹鋼的各種特性,并圍繞雙相不銹鋼應用的難點之一加工和焊接,給出加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實用信息。

力學性能

高強度:

雙相不銹鋼力學性能優異,標準雙相不銹鋼牌號的力學性能見表A。它們在固溶退火狀態下的室溫屈服強度是未添加氮的標準奧氏體不銹鋼的兩倍多,這樣設計師在某些應用中就可減小壁厚 。圖B比較了室溫到300℃ (570℉) 溫度區間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼屈服強度。由于鐵素體相有475℃ (885℉) 脆性的危險,所以雙相不銹鋼不應長時間用于溫度高于壓力容器設計規范規定的條件 (見表2)。

表A  ASTM 和EN 雙相不銹鋼板最低力學性能限值

圖B 雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼在室溫到300℃溫度范圍典型屈服強度的對比

鍛軋雙相不銹鋼的力學性能是高度各向異性的,即性能隨測試樣品的方向而變化。這種各向異性是由拉長了的晶粒和熱軋或冷軋產生的晶體織構造成的 (見圖2)。盡管雙相不銹鋼的凝固組織通常是各向同性的,但它經過軋制或鍛造及后續的退火,組織中存在兩相。最終產品兩相的形貌揭示出加工的方向性,雙相不銹鋼垂直于軋制方向的強度比沿軋制方向的強度高。沖擊試樣的缺口垂直于軋制方向時的沖擊韌性高于沿軋制方向時。試樣“縱向” (L-T) 夏比沖擊試樣測得的韌性高于其他方向的試驗結果。一個雙相不銹鋼板橫向試樣的沖擊功一般相當于一個縱向試樣的1/2至2/3。

普拉德霍灣垂直支撐架上24英寸2205雙相不銹鋼保溫管道的安裝@ Arco Exploration and Production Tecnnology

良好的韌性和延展性:

盡管雙相不銹鋼強度高,但它們表現出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優于鐵素體不銹鋼和碳鋼,即使在很低的溫度如-40℃/F下仍保持良好的韌性。但還達不到奧氏體不銹鋼的優異程度。

ASTM 和EN標準規定的雙相不銹鋼最低力學性能限值

    但是雙相不銹鋼的韌性和塑性通常比奧氏體不銹鋼差。奧氏體不銹鋼一般沒有塑性-脆性轉變,在低至深冷溫度的條件下仍保持優異的韌性。表D給出了標準奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼在拉伸試驗中最小延伸率的比較。

表D  根據ASTM A 240和EN 10088-2的要求,雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼延展性的比較

盡管雙相不銹鋼的高屈服強度允許厚度減薄,但由于彎曲和楊氏模量的限制,在制造過程中也會帶來困難。由于雙相不銹鋼強度較高,其變形需要更大的外力,因此在彎曲操作中的回彈比奧氏體不銹鋼要大,兩種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼回彈的比較見圖C。雙相不銹鋼的延展性比奧氏體不銹鋼差,為避免斷裂需要增加彎曲半徑。

圖C 2毫米(0.08英寸)厚的雙相不銹鋼板與316L奧氏體不銹鋼板回彈的比較

由于雙相不銹鋼較高的硬度和高加工硬化率,與標準奧氏體不銹鋼相比,它降低了機加工操作中工具的壽命或需要更多的機加工次數。在成型或彎曲操作之間可能需要退火,因為雙相不銹鋼的延展性差不多是奧氏體不銹鋼的一半。冷加工對2205雙相不銹鋼力學性能的影響見圖E。

圖E 冷加工對2205雙相不銹鋼力學性能的影響

耐腐蝕性能

在絕大多數標準奧氏體不銹鋼應用的環境中,雙相不銹鋼都顯示出很高的耐腐蝕性能,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點蝕和縫隙腐蝕性能(公眾號:泵管家),其雙相結構在可能發生氯化物應力腐蝕斷裂的環境是一個優勢。

如果雙相不銹鋼的顯微組織中含有至少30%的鐵素體,則其耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能遠比奧氏體不銹鋼304或316好。但鐵素體對氫脆敏感,因此在氫有可能進入金屬、導致氫脆的環境或應用中,雙相不銹鋼不具備較高的耐蝕性。

1耐酸腐蝕性能

為了說明雙相不銹鋼在強酸溶液中的耐腐蝕性能,圖G給出了在硫酸溶液中的腐蝕數據。介質條件從低酸濃度的弱還原性環境到高濃度的氧化性環境及中等濃度熱溶液的強還原性環境。

2205和2507雙相不銹鋼在酸濃度最大約15%的溶液中,性能優于許多高鎳奧氏體不銹鋼;在酸濃度至少為40%的范圍內,雙相鋼優于316或317不銹鋼。雙相不銹鋼在這種含氯化物的氧化性酸中也很有用。

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還原性腐蝕。在還原性環境有酸濃縮的濕/干界面,腐蝕尤其是鐵素體的腐蝕就會開始并快速進展。

雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸裝置和強有機酸中優良的候選材料。

圖G 在不含氧的硫酸中的腐蝕,0.1毫米/年(0.004英寸/年)等腐蝕曲線,采用試劑純度的硫酸。(來源:生產商材質單,254SMO是Outokumpu的商標)

雙相不銹鋼海水泵

圖H顯示了在沸點溫度下,在50%醋酸和不同含量甲酸的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有機酸介質,但2205和其他雙相不銹鋼在許多涉及高溫有機酸的工藝中占優勢,而且由于它們耐點蝕和耐應力腐蝕,也可用于鹵代烴工藝。

圖H:雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在50%醋酸和不同含量甲酸的沸騰混合溶液中的腐蝕(來源:Sandvik)

2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中具有良好的性能。在中等溫度下,其腐蝕速度低于標準奧氏體不銹鋼的腐蝕速度。

膠州灣隧道用超級雙相不銹鋼潛水離心泵

3耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能

  為討論不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的性能,引入臨界點蝕溫度這一概念是有用的。對于某一個氯化物環境,每個牌號的不銹鋼都可用一個溫度來描述其特征,高于此溫度則點蝕開始產生,并且24小時之內可發展到肉眼可見的程度。低于此溫度則不發生點蝕。這一溫度即所謂的臨界點蝕溫度(CPT)。它是對特定的不銹鋼牌號和特定環境的表征。由于點蝕的起始發生從統計學上看是隨機的,而且CPT對牌號或產品的微小變化敏感,因此,對于不同牌號的不銹鋼,其CPT通常以一個溫度范圍來表示。然而,采用ASTM G 1501標準介紹的研究方法,有可能通過電化學測量法來準確和可靠地測定CPT。

     縫隙腐蝕常常發生在接頭墊圈部位,沉積物的下面以及螺栓連接的縫隙處??p隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度。臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)取決于不銹鋼試樣、氯化物環境和縫隙的特性(緊密度,長度等)。由于縫隙的幾何形狀以及實際中很難再現同樣縫隙的尺寸,CCT的測量數據要比CPT更分散。對于同樣的鋼種和腐蝕環境,CCT往往比CPT低15~20℃(27~36℉)。

      雙相不銹鋼的高鉻、鉬和氮含量使其在含水環境中具有非常好的耐氯離子局部腐蝕的性能。根據合金含量的不同,某些雙相不銹鋼牌號已躋身于性能最好的不銹鋼之列。由于雙相不銹鋼的鉻含量相對較高,所以具有高耐腐蝕性而且非常經濟。

      圖9給出了按照ASTM G 482(6% FeCl3)測定的固溶退火狀態下各種不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕性能的比較。材料焊接狀態下的臨界溫度要低一些。臨界點蝕或縫隙腐蝕溫度越高,則表明材料耐腐蝕起始發生的能力越高。2205不銹鋼的CPT和CCT都顯著高于316不銹鋼。這使2205鋼成為用途廣泛的材料,適用于因蒸發導致氯離子濃縮的環境,例如熱交換器的蒸汽空間或保溫層的下面。2205雙相鋼的CPT還表明它可用在堿水和脫氣鹽水中。它還成功地用于脫氣海水中,在這些應用中,通過高流速的海水或用其他方法使鋼的表面沒有沉積物。在苛刻的海水應用環境中,如薄壁熱交換器管,或表面有沉積物或有縫隙時,2205不銹鋼沒有足夠的耐縫隙腐蝕能力。然而,CCT高于2205的高合金化雙相不銹鋼如超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼,已經用于許多既要求高強度又要求高耐氯離子腐蝕的苛刻海水條件。盡管超級雙相不銹鋼在較低溫度的海水中不發生腐蝕,但其在高溫下的應用有一定的局限性。特超級雙相不銹鋼更好的耐腐蝕性將雙相不銹鋼的應用擴展到強腐蝕性的氯離子環境如高溫熱帶的海水環境尤其是存在縫隙的場合。

圖9:非焊接態奧氏體不銹鋼(左)和固溶退火的雙相不銹鋼(右)的臨界點蝕和縫隙腐蝕溫度(按照ASTM G48 在6%的三氯化鐵溶液中測量)

因為CPT與材料和特定環境成函數關系,有可能對單一要素的影響進行研究。利用按照ASTM G 48 A法確定的CPT,采用回歸分析法得出鋼的成分(每種元素作為一個獨立變量)和測定的CPT(相關變量)的關系。結果顯示只有鉻、鉬、鎢和氮對CPT有穩定的影響。關系式如下:

CPT = 常數 + Cr + 3.3 (Mo + 0.5 W) + 16 N.

式中4個合金元素乘以各自的回歸常數之和通常被稱為耐點蝕當量值(PREN)。不同研究者給出的氮的系數不同,通常使用16,22和30[8]??筛鶕RE值給某一鋼類的牌號排序,但要注意避免對這一關系式的過分依賴。式中合金元素為“獨立變量”,但實際并不真正獨立,因為試驗的鋼是平衡成分。這種關系不是線性或交叉關系,例如鉻和鉬的協同作用被忽略。此關系式假定材料的加工呈理想狀態,沒有考慮金屬間相、非金屬相以及不當的熱處理帶來的影響,熱處理不當會對耐蝕性帶來不利影響。

4耐應力腐蝕斷裂性能

     雙相不銹鋼最早期的某些應用是基于它們耐氯化物應力腐蝕斷裂(SCC)的性能。與具有類似耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能的奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼表現出明顯優越的耐應力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學加工工業的許多應用是代替奧氏體不銹鋼,用于有很大的應力腐蝕斷裂危險的場合。

     然而,和許多材料一樣,雙相不銹鋼在特定條件下也易于發生應力腐蝕斷裂。這種情況可能發生于高溫、含氯化物的環境或易于促使氫致開裂的介質條件。雙相不銹鋼可能會發生應力腐蝕斷裂的環境條件如42%的沸騰氯化鎂溶液試驗,金屬處于高溫并暴露于加壓含水氯化物系統的液滴蒸發試驗(系統中的溫度可能高于常壓下的溫度)。

     圖10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中的相對耐氯化物應力腐蝕斷裂性能。得出這些數據的液滴蒸發試驗腐蝕條件很苛刻,因為試驗溫度為120℃(248℉)的高溫,并且氯化物溶液由于蒸發而濃縮。試驗中三種雙相不銹鋼UNS S32101、2205和2507最終在所受應力達到其屈服強度的某一百分比時發生斷裂,但這一百分數比316不銹鋼相應的百分比值高得多。由于雙相鋼在常壓下的氯化物水溶液中能夠耐應力腐蝕斷裂,例如耐保溫層下的腐蝕,所以在已知304和316不銹鋼會發生斷裂的氯化物介質中,可以考慮使用雙相不銹鋼。

圖10:軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在120°C (248°F)氯化鈉溶液液滴蒸發試驗中的耐應力腐蝕斷裂性能(造成斷裂的應力以屈服強度的百分數表示)

表4總結了在不同腐蝕程度的各類試驗介質中,幾種不銹鋼的氯化物應力腐蝕斷裂行為。表的上部所列介質由于含有酸性鹽而條件苛刻,表的下部由于溫度高而條件苛刻。表中間的介質條件不那么苛刻。鉬含量小于4%的標準奧氏體不銹鋼在所有這些條件下均發生氯化物應力腐蝕斷裂,而雙相不銹鋼能夠耐受上述中間范圍的中等試驗條件。

表4:未焊接雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在實驗室加速試驗中耐應力腐蝕斷裂性能比較 (來源:各種文獻資料)

     耐氫致應力腐蝕受多種因素影響,不僅與鐵素體含量有關,而且與強度、溫度、充氫條件、外加應力等有關。雙相不銹鋼盡管對氫致開裂敏感,但只要仔細評估和控制操作條件,在含氫介質中仍可以利用其強度優勢。這些應用中最突出的是輸送弱酸氣體和鹽水混合物的高強度管道。圖11說明了2205雙相不銹鋼在含氯化鈉的酸性介質中不發生腐蝕和易發生腐蝕的條件范圍。

圖11:2205雙相不銹鋼在20%NaCl – H2S介質中腐蝕的電化學預測和實驗結果

雙相不銹鋼的化學成分

     一般認為,雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30%~70%時,可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼常常被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半,在目前的商品化生產中,為了獲得最佳的韌性和加工特性,傾向于奧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雜的。為了獲得穩定的有利于加工和制造的雙相組織,必須注意使每種元素有適當的含量。

       除了相平衡以外,有關雙相不銹鋼及其化學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。σ相和χ相在高鉻、高鉬不銹鋼中形成,并優先在鐵素體相內析出。氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不銹鋼制造經驗的增加,人們越來越認識到控制較窄的成分范圍的重要性(公眾號:泵管家)。2205雙相不銹鋼(UNS S31803,表1)最初設定的成分范圍過寬,經驗表明,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、鉬和氮含量應保持在含量范圍的中上限,由此引出了成分范圍較窄的改進型2205雙相鋼UNS S32205(表H)。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。

表H  鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學成分*(重量%)

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性能、物理性能和腐蝕特性的影響。

鉻:

鋼中鉻含量必須不低于10.5%才能形成穩定的含鉻鈍化膜,保護鋼不受大氣腐蝕。不銹鋼的耐腐蝕性能隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素,鋼中加鉻可促使體心立方結構的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時,需要加入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金屬間相的形成。奧氏體不銹鋼鉻含量至少為16%,雙相不銹鋼鉻含量至少為20%。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。

鉬:

鉬能提高不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕的能力。當不銹鋼中鉻含量至少為18%時,鉬在氯離子環境中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素,同時也增大了不銹鋼形成金屬間相的傾向。因此,奧氏體不銹鋼的鉬含量通常小于約7.5%,雙相不銹鋼的鉬含量小于4%。

氮:

氮提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力,它還能顯著地提高鋼的強度。事實上它是最有效的固溶強化元素和低成本合金元素。含氮雙相不銹鋼韌性的改善得益于其較高的奧氏體含量和較少的金屬間相。氮沒有阻止金屬間相的析出,但可推遲金屬間相的形成,使得有足夠的時間進行雙相不銹鋼的加工和制造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不銹鋼中,以抵消它們形成σ相的傾向。

氮是強奧氏體形成元素,在奧氏體不銹鋼中能代替部分鎳。氮可降低層錯能并提高奧氏體的加工硬化率。

它還通過固溶強化提高了奧氏體的強度。雙相不銹鋼一般都添加氮并調整鎳含量以達到適當的相平衡。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相互平衡才能獲得雙相組織。

鎳:

鎳是穩定奧氏體的元素,鎳促使不銹鋼的晶體結構從體心立方結構(鐵素體)轉化為面心立方結構(奧氏體)。鐵素體不銹鋼含極少的鎳或不含鎳,雙相不銹鋼含鎳量為低至中等,如1.5%~7%,300系奧氏體不銹鋼至少含有6%的鎳(見圖1、2)。添加鎳延緩了奧氏體不銹鋼中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不如氮有效。面心立方結構使奧氏體不銹鋼具有極佳的韌性。雙相不銹鋼中有近一半是奧氏體組織,因此雙相鋼的韌性比鐵素體不銹鋼顯著提高。

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