固溶處理對(duì)雙相不銹鋼組織性能的影響

霍連喆 邵奎祥 孫麗坤

(中國第一重型機(jī)械股份公司，天津300457)

目前，雙相不銹鋼在化學(xué)成分、性能以及設(shè)計(jì)、加工制造等方面都已經(jīng)進(jìn)入相當(dāng)成熟的階段，被公認(rèn)為21世紀(jì)的主流不銹鋼種[1]。與純鐵素體不銹鋼和純奧氏體不銹鋼不同，在雙相不銹鋼的加熱和冷卻過程中，除δ-鐵素體和γ-奧氏體兩相數(shù)量的變化外，還會(huì)產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，從而出現(xiàn)二次奧氏體γ2、碳化物、氮化物和金屬間化合物，例如 相、χ相、R相等，它們對(duì)雙相不銹鋼的性能具有重要的影響[2]。本文利用200MAT金相顯微鏡、Quanta400掃描電鏡及能譜儀對(duì)固溶處理前后δ-鐵素體，γ-奧氏體及σ相形貌、成分及拉伸斷口形態(tài)進(jìn)行了研究與分析。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

對(duì)一種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼鑄件進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為1 050℃。利用鉬絲切割機(jī)將鑄態(tài)及固溶處理后的試件加工成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。金相試樣浸蝕劑采用苦味酸+鹽酸+酒精溶液，利用ZEISS Axiovert 200MAT光學(xué)顯微鏡觀察浸蝕后試樣的金相組織。采用MTS Nano Indenter 納米壓痕試驗(yàn)機(jī)的原位掃描部件(原子力顯微鏡AFM)對(duì)浸蝕后的金相試樣進(jìn)行基體及析出相微觀形貌分析。利用FEI Quanta400掃描電鏡分析實(shí)驗(yàn)用鋼微觀組織形貌和斷口形貌，并利用EDAX GENESIS XM2能譜儀進(jìn)行成分分析。利用CSS44300電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織觀察及分析

實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼的鑄態(tài)組織及經(jīng)1 050℃固溶處理后試樣的金相組織如圖1所示。其中基體為顏色較淺的γ-奧氏體，δ-鐵素體顏色較深并呈網(wǎng)狀、條狀、塊狀分布于奧氏體基體上。由圖1(a)中可以看到，δ-鐵素體外圍具有一種以片狀、半網(wǎng)狀形式存在的特殊相，即σ相。σ相具有可變化的成分，近似于FeCrMo化合物的組成，這種相具有正方晶格(β-U)，晶胞內(nèi)有30個(gè)原子，晶格常數(shù)為a=8.800 ?，c=4.544 ?，σ相在室溫下是無磁的[3]。σ相是一種硬而脆的相，硬度大于68 HRC，并且顯著降低鋼的耐腐蝕性能和抗氧化性能[4]。

(b)1 050℃固溶處理圖1 金相組織Figure 1 Metallographic structure

(a)γ相與δ相

(b)σ相圖2 AFM圖像Figure 2 AFM picture

由圖1可以看到，經(jīng)過1 050℃固溶處理后，δ-鐵素體的形態(tài)比鑄態(tài)組織更加圓整，棱角被進(jìn)一步鈍化，σ相經(jīng)過固溶處理后已經(jīng)溶解，δ-鐵素體相對(duì)含量有所增加。

圖2(a)為用原位掃描的方式(AFM)得到的雙相不銹鋼的形貌像，該圖中用高低襯度區(qū)別出了超級(jí)雙相不銹鋼中的兩相，其中凸出的相為δ-鐵素體，凹下的為γ-奧氏體。圖2(b)為用原位掃描的方式(AFM)得到的雙相不銹鋼中σ相的形貌像，可以看出σ相主要以片狀和半網(wǎng)狀的形式存在。

2.2 拉伸性能與斷口分析

分別取實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼鑄態(tài)及固溶處理后的試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用鋼室溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，Z1、Z2、Z3代表鑄態(tài)，R1、R2、R3代表固溶處理后試樣。

由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)1 050℃固溶處理后塑性指標(biāo)較鑄態(tài)時(shí)有所升高，其中屈服強(qiáng)度與斷面收縮率升高較明顯。

圖3為實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼鑄態(tài)試樣拉伸斷口形貌。圖3(a)為宏觀斷口形貌，邊緣呈剪切狀，內(nèi)部為纖維狀，變形程度較不均勻。圖3(b)～圖3(d)為韌窩狀的微觀斷口形貌。由圖3可以看到，斷口上既有韌窩也有一種長條狀類韌窩形貌。

圖4(a)為實(shí)驗(yàn)用鋼鑄態(tài)金相試樣電鏡圖像，圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)分別為圖4(a)中1、2、3點(diǎn)的能譜分析圖，其元素成分分析結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)用鋼鑄態(tài)金相試樣成分分析結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

比較圖4(a)三個(gè)區(qū)域的能譜分析結(jié)果，1點(diǎn)區(qū)域即富σ相區(qū)，合金元素Cr、Mo百分含量最高，Si元素含量最低；2點(diǎn)區(qū)域即單相δ-鐵素體，也具有較高的Cr、Mo含量；3點(diǎn)區(qū)域即單相γ-奧氏體，合金元素含量較少。

圖3 鑄態(tài)試樣拉伸斷口形貌Figure 3 Morphology of tensile fracture of as cast specimen

圖4 實(shí)驗(yàn)用鋼鑄態(tài)金相試樣電鏡圖像及能譜分析Figure 4 Electron microscope and energy spectrum analysis for as cast metallographic specimen of tested steel

表3 實(shí)驗(yàn)用鋼鑄態(tài)試樣斷口成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 3 Fracture composition analysis of as cast specimen of tested steel(mass fraction,%)

編號(hào)CSiNbMoCrMnFeNi1230.040.040.030.971.241.050.160.050.040.140.230.3720.7428.4630.750.620.380.6371.5565.9163.015.783.694.12

圖5(a)為實(shí)驗(yàn)用鋼鑄態(tài)試樣斷口長條狀類韌窩形貌電鏡圖像及其能譜分析圖，圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)分別為圖5(a)中1、2、3點(diǎn)的能譜分析圖，其元素成分分析結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表2和表3可以看出，圖5(a)中1區(qū)域元素成分接近于圖4(a)中3點(diǎn)成分，圖5(a)中2、3區(qū)域元素成分接近于圖4(a)中2點(diǎn)成分?？梢钥吹剑@種長條狀類韌窩形貌附近區(qū)域元素成分接近于δ-鐵素體和γ-奧氏體成分。因此推斷這種長條狀類韌窩形貌是由于硬而脆的σ相塑性明顯低于δ-鐵素體和γ-奧氏體所形成。

圖6為實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)1 050℃固溶處理后試樣的拉伸斷口形貌。圖6(a)為宏觀斷口形貌，呈剪切狀。圖6(b)～圖6(d)為微觀斷口形貌，呈韌窩狀。從圖6可以看到，實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)1 050℃固溶處理后試樣斷口中已沒有長條狀類韌窩形貌。這是因?yàn)樵? 050℃固溶處理后，硬而脆的σ相已經(jīng)溶解于基體中，使試樣變形較均勻，拉伸性能相應(yīng)提高。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)用雙相不銹鋼的鑄態(tài)組織為γ-奧氏體基體，δ-鐵素體呈網(wǎng)狀、條狀、塊狀分布于奧氏體基體上，δ-鐵素體外圍具有一種以片狀、半網(wǎng)狀形式存在的特殊相，即σ相。

(2)實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼經(jīng)1 050℃固溶處理后塑性指標(biāo)較鑄態(tài)時(shí)有所升高，其中屈服強(qiáng)度與斷面收縮率升高較明顯。

(3)實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼鑄態(tài)試樣宏觀斷口形貌邊緣呈剪切狀，內(nèi)部為纖維狀，其微觀斷口形貌為韌窩狀，斷口上的長條狀類韌窩形貌是由于硬而脆的σ相塑性明顯低于δ-鐵素體和γ-奧氏體所形成。

(c) (d)圖5 長條狀類韌窩形貌電鏡圖像及其能譜分析圖Figure 5 Electron microscope and energy spectrum analysis diagram of long strip shaped tough fossa morphology

(c) (d)圖6 固溶處理后試樣拉伸斷口形貌Figure 6 Morphology of tensile fracture after solution treatment

(4)實(shí)驗(yàn)用雙相不銹鋼經(jīng)1 050℃固溶處理后試樣宏觀斷口形貌呈剪切狀，由于固溶處理后σ相溶解于基體中，長條狀類韌窩形貌消失，其微觀斷口形貌為韌窩狀。

[1] I. Mendia, A. P. Juez, J. J. Urcola, et al. Microstructural and Mechanical Behavior of a Duplex Stainless Steel under Hot Working Conditions. Metallurgical and Materials Transactions, 1997, 29A(10): 2975-2986.

[2] F. Iacoviello, J. Galland, M. Habashi. A Thermal Outgassing Method (t.o.m.) to Measure the Hydrogen Diffusion Coefficients in Austenitic, Austeno-ferritic and Ferritic-perlitic Steels. Corrosion Science, 1998, 40(8): 1281-1293.

[3] 童俊. 超級(jí)雙相不銹鋼的拉伸性能及熱變形行為研究[D]. 秦皇島:燕山大學(xué)工學(xué)碩士論文， 2007: 33-34.

[4] 陳德和. 不銹鋼的性能與組織[D]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 1977:60-61.