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固溶处理对2205双相不锈钢组织和冲击韧性的影响

摘要:采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、淬火变形膨胀仪、冲击试验机等方法,研究了2205双相不锈钢热轧板在1000~1100 ℃固溶处理的组织特征和冲击韧性变化。结果表明,保温时间对2205不锈钢加热温度下的膨胀量影响不明显。在1000~1100℃温度区间,组织由奥氏体和铁素体两相组成,随固溶温度升高,铁素体含量逐渐增加。-40℃~20℃冲击试验结果表明,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个温度下的冲击功都大于100J,SEM冲击断口形貌呈现出明显的韧性断裂特征。     双相不锈钢具有奥氏体和铁素体两相组织。由于其双相组织的特点而具有较高的强度、较好的焊接性能和良好的抗腐蚀性能,在桥梁结构、桶槽、容器、火车结构、钻井平台及热水器等领域具有很好的应用价值。2205(022Cr23Ni5Mo3N)属于第2代双相不锈钢,是目前应用最为广泛的双相不锈钢之一,适用于制造氯化物和硫化氢介质下使用的设备,也适用于储运有机酸和稀释的硫酸溶液的设备,同时在石油天然气开采、船舶制备、桥梁结构、桶槽、容器及火车结构等领域具有很好的应用价值。

 

热轧态2205金相组织中一般存在σ相和其它金属间相, 因此钢的韧性、耐蚀性以及焊接性能差。目前热轧态2205双相不锈钢卷板要经过固溶处理才能交付使用,因此准确制定合理的固溶处理工艺参数对2205不锈钢整个板材的质量有着相当重要的意义。为此,本文拟从热处理对其组织转变和冲击韧性变化方面入手并对相关机理进行了讨论,以探索获得合理热处理工艺的途径。

 

 

      1、试验材料及方法      

 

实验用材料为6.0mm厚的2205不锈钢热轧板材,其主要化学成分如表1 所示。利用DIL805A 型淬火变形膨胀仪,对2205 双相不锈钢在加热、冷却过程中膨胀系数进行测定。试样为外径Ф4mm、内径Ф2mm、长10mm的空心圆柱体。试样以4℃/min的加热速度,从室温升到1200℃,保温5min后,分别降低到1000℃、1050℃和1100℃,继续保温18min,再以4℃/min的速度降至室温。

 

表1 2205双相不锈钢化学成分(wt%)

 

沿2205双相不锈钢热轧板材轧制方向取金相试样和冲击试样坯料,在箱式电阻炉中进行固溶处理。分别在1000、1050和1100 ℃ 温度下进行固溶处理,保温时间设定为20 min,冷却方式为水冷。

 

热轧板材和经固溶处理后的试样加工成标准冲击试样,试样尺寸为5.0mm×10mm×55mm , 试样上压制V 型缺口,测试温度介于-40~20℃。每组取3个试样,求冲击功的平均值。冲击试验完毕后,采用JEOL JSM-5600LV型扫描电镜(SEM) 进行冲击断口形貌观察。

 

将不同状态的2205不锈钢金相试样打磨、抛光、腐蚀(偏重亚硫酸钾和稀盐酸的水溶液)后,在LEICA DMI 3000M金相显微镜上观察金相组织,并用显微镜自带的金相分析软件测量铁素体含量。

 

 

 

      2、试验结果及分析         2.1

保温时间对2205不锈钢加热温度下膨胀量的影响

不同加热制度下,保温时间对2205不锈钢膨胀量的影响见图1所示。从图中可以看出,从室温上升到1200℃的过程中,膨胀量随温度的升高线性增长,主要原因为:随着温度升高,γ相转变为α相,由于γ相的比容比α相小,膨胀量增大,保温5min后膨胀量变化曲线基本趋于水平,说明组织转变基本结束。急冷到设定的各个温度后,膨胀量随着温度的骤降而线性减少,随后在保温过程中,膨胀量曲线基本平直。从膨胀量的变化体现出组织转变仅对加热温度比较敏感,而保温时间对其影响并不明显。由此下文主要对不同的固溶温度展开试验,保温时间设定为20min。

 

图1 保温时间对2205不锈钢加热温度下膨胀量的影响

 

 

2.2

固溶温度对2205不锈钢金相组织的影响

图2为2205双相不锈钢在不同固溶温度下,保温20min,水淬处理后的显微组织。图2(a)为固溶处理前热轧板的显微组织, 从图2(a)中可以看出2205不锈钢热轧态组织为不规则的两相交织分布的带状组织,黑色基体为铁素体,白色纤维状奥氏体相分布在铁素体基体上。经过1000℃固溶处理后,金相组织中α、γ双相还是交织分布的带状组织;经过1050℃固溶处理后,奥氏体晶粒由长条状转变为竹节状。随着固溶处理温度的继续升高,竹节状的奥氏体晶粒发生再结晶,组织为比较规则的两相相间分布的均匀组织,如图2(d)所示。1100℃固溶处理后,奥氏体和铁素体组织发生了明显的长大,奥氏体的长宽比明显减少,铁素体含量明显升高。

图2 不同固溶温度下2205双相不锈钢的显微组织(20分钟)

(a) 热轧 (b) 1000℃ (c)1050℃ (d) 1100℃

 

双相不锈钢的性能与铁素体和奥氏体的平衡比例有着密切的关系,其两相比例在很大程度上又取决于钢的化学成分和固溶温度。当钢的化学成分一定时,固溶温度对相比例起关键作用。图3为不同固溶处理温度下2205不锈钢试样中对应的铁素体含量,从图中我们可以看出,随着温度升高,铁素体含量逐渐增加, 奥氏体含量逐渐减少。2205热轧态组织中铁素体含量最低为38.4%,1100℃固溶处理后铁素体含量最高为49.7%。因此,1100℃固溶处理后奥氏体和铁素体两相比例约为1:1时,这种比例的双相不锈钢具有优良的综合性能。

 

图3 不同固溶温度对铁素体含量的影响

  2.3

固溶处理对冲击韧性的影响

对于双相不锈钢,因组织中含有铁素体组织,存在脆性转变问题,对材料的韧性应提出要求。冲击试验测试温度介于-40~20℃时,2205双相不锈钢固溶处理前和经过不同温度固溶处理后试样冲击功如图4所示。从图中可以看出,在相同的固溶处理温度下,随着冲击试验测试温度升高,试样的冲击功依次增大。在相同的冲击试验测试温度下,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个温度下的低温冲击功都大于100J,热轧态试样的冲击功都小于15 J。分析主要原因为,热轧态的2205金相组织由铁素体、奥氏体和σ相组成,σ相主要在奥氏体和铁素体的晶界析出,并且它本身是一种硬脆相,当试样受到外加冲击载荷作用时,σ相开裂造成晶界脆化,从而使冲击功降低。1000~1100℃固溶处理后,σ相溶解,2205不锈钢的冲击功明显提高。1100℃固溶处理后奥氏体和铁素体两相比例约为1:1,试样具有优良的力学性能,4个温度下的低温冲击功都大于100J。

图4 不同固溶温度对2205不锈钢冲击功的影响

 

图5为2205双相不锈钢固溶处理前和经过不同温度固溶处理后-40℃冲击试样断口的宏观形貌。从图中可以看出,未经固溶处理试样的断口断面没有塑性收缩的形状,整个断口面没有任何纤维区,为明显的脆性断口,如图5(a) 所示。固溶处理后试样的断口断面有一部分塑性收缩区, 且固溶温度越高,断口断面塑性收缩区域面积越大,如图5 (b)、(c)、(d) 所示。因此,2205双相不锈钢不锈钢固溶处理后韧性要明显好于热轧态。

 

图5 固溶处理前后2205不锈钢冲击断口宏观形貌

( a) 热轧态 ( b) 1000℃ ( c) 1050℃ ( d) 1100℃

 

图6为2205不锈钢固溶前和经过不同温度固溶处理后-40℃冲击试样断口的SEM 照片。从图中可以看出, 不经过固溶处理,断口形貌中存在裂纹,为明显的脆性断裂,这和热轧态试样冲击功测试结果一致。经过1000℃固溶处理后,断口形貌呈现出韧性和脆性复合断裂特征;1050℃固溶处理后,断口形貌出现韧窝和细小的微孔;1100℃固溶处理后,相比1050℃固溶处理,韧窝多且深,呈现出明显的韧性断裂特征,表现出很好的韧性,跟试验结果完成吻合。

 

图6 固溶处理前后2205不锈钢冲击断口的SEM 照片

(a) 热轧态 (b)1000℃ (c)1050℃ (d)1100℃

          3、结论         1)膨胀量的变化体现出组织转变仅对加热温度比较敏感,而保温时间对其影响并不明显。

2)在1000~1100℃温度区间,组织由奥氏体和铁素体两相组成,随固溶温度升高,铁素体含量逐渐增加。2205热轧态组织中铁素体含量最低,为38.4%,1100℃固溶处理后铁素体含量最高,为49.7%。

3)在相同的固溶处理温度下,随着冲击试验测试温度升高,试样的冲击功依次增大。在相同的冲击试验测试温度下,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个测试温度下的低温冲击功都大于100J, SEM冲击断口形貌呈现出明显的韧性断裂特征。

 

(刊登于不锈钢分会《不锈》杂志第70期,作者:酒钢宏兴陈兴润、潘吉祥)

摘要:采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、淬火变形膨胀仪、冲击试验机等方法,研究了2205双相不锈钢热轧板在1000~1100 ℃固溶处理的组织特征和冲击韧性变化。结果表明,保温时间对2205不锈钢加热温度下的膨胀量影响不明显。在1000~1100℃温度区间,组织由奥氏体和铁素体两相组成,随固溶温度升高,铁素体含量逐渐增加。-40℃~20℃冲击试验结果表明,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个温度下的冲击功都大于100J,SEM冲击断口形貌呈现出明显的韧性断裂特征。 双相不锈钢具有奥氏体和铁素体两相组织。由于其双相组织的特点而具有较高的强度、较好的焊接性能和良好的抗腐蚀性能,在桥梁结构、桶槽、容器、火车结构、钻井平台及热水器等领域具有很好的应用价值。2205(022Cr23Ni5Mo3N)属于第2代双相不锈钢,是目前应用最为广泛的双相不锈钢之一,适用于制造氯化物和硫化氢介质下使用的设备,也适用于储运有机酸和稀释的硫酸溶液的设备,同时在石油天然气开采、船舶制备、桥梁结构、桶槽、容器及火车结构等领域具有很好的应用价值。

热轧态2205金相组织中一般存在σ相和其它金属间相, 因此钢的韧性、耐蚀性以及焊接性能差。目前热轧态2205双相不锈钢卷板要经过固溶处理才能交付使用,因此准确制定合理的固溶处理工艺参数对2205不锈钢整个板材的质量有着相当重要的意义。为此,本文拟从热处理对其组织转变和冲击韧性变化方面入手并对相关机理进行了讨论,以探索获得合理热处理工艺的途径。

1、试验材料及方法

实验用材料为6.0mm厚的2205不锈钢热轧板材,其主要化学成分如表1 所示。利用DIL805A 型淬火变形膨胀仪,对2205 双相不锈钢在加热、冷却过程中膨胀系数进行测定。试样为外径Ф4mm、内径Ф2mm、长10mm的空心圆柱体。试样以4℃/min的加热速度,从室温升到1200℃,保温5min后,分别降低到1000℃、1050℃和1100℃,继续保温18min,再以4℃/min的速度降至室温。

表1 2205双相不锈钢化学成分(wt%)

沿2205双相不锈钢热轧板材轧制方向取金相试样和冲击试样坯料,在箱式电阻炉中进行固溶处理。分别在1000、1050和1100 ℃ 温度下进行固溶处理,保温时间设定为20 min,冷却方式为水冷。

热轧板材和经固溶处理后的试样加工成标准冲击试样,试样尺寸为5.0mm×10mm×55mm , 试样上压制V 型缺口,测试温度介于-40~20℃。每组取3个试样,求冲击功的平均值。冲击试验完毕后,采用JEOL JSM-5600LV型扫描电镜(SEM) 进行冲击断口形貌观察。

将不同状态的2205不锈钢金相试样打磨、抛光、腐蚀(偏重亚硫酸钾和稀盐酸的水溶液)后,在LEICA DMI 3000M金相显微镜上观察金相组织,并用显微镜自带的金相分析软件测量铁素体含量。

2、试验结果及分析 2.1

保温时间对2205不锈钢加热温度下膨胀量的影响

不同加热制度下,保温时间对2205不锈钢膨胀量的影响见图1所示。从图中可以看出,从室温上升到1200℃的过程中,膨胀量随温度的升高线性增长,主要原因为:随着温度升高,γ相转变为α相,由于γ相的比容比α相小,膨胀量增大,保温5min后膨胀量变化曲线基本趋于水平,说明组织转变基本结束。急冷到设定的各个温度后,膨胀量随着温度的骤降而线性减少,随后在保温过程中,膨胀量曲线基本平直。从膨胀量的变化体现出组织转变仅对加热温度比较敏感,而保温时间对其影响并不明显。由此下文主要对不同的固溶温度展开试验,保温时间设定为20min。

图1 保温时间对2205不锈钢加热温度下膨胀量的影响

2.2

固溶温度对2205不锈钢金相组织的影响

图2为2205双相不锈钢在不同固溶温度下,保温20min,水淬处理后的显微组织。图2(a)为固溶处理前热轧板的显微组织, 从图2(a)中可以看出2205不锈钢热轧态组织为不规则的两相交织分布的带状组织,黑色基体为铁素体,白色纤维状奥氏体相分布在铁素体基体上。经过1000℃固溶处理后,金相组织中α、γ双相还是交织分布的带状组织;经过1050℃固溶处理后,奥氏体晶粒由长条状转变为竹节状。随着固溶处理温度的继续升高,竹节状的奥氏体晶粒发生再结晶,组织为比较规则的两相相间分布的均匀组织,如图2(d)所示。1100℃固溶处理后,奥氏体和铁素体组织发生了明显的长大,奥氏体的长宽比明显减少,铁素体含量明显升高。

图2 不同固溶温度下2205双相不锈钢的显微组织(20分钟)

(a) 热轧 (b) 1000℃ (c)1050℃ (d) 1100℃

双相不锈钢的性能与铁素体和奥氏体的平衡比例有着密切的关系,其两相比例在很大程度上又取决于钢的化学成分和固溶温度。当钢的化学成分一定时,固溶温度对相比例起关键作用。图3为不同固溶处理温度下2205不锈钢试样中对应的铁素体含量,从图中我们可以看出,随着温度升高,铁素体含量逐渐增加, 奥氏体含量逐渐减少。2205热轧态组织中铁素体含量最低为38.4%,1100℃固溶处理后铁素体含量最高为49.7%。因此,1100℃固溶处理后奥氏体和铁素体两相比例约为1:1时,这种比例的双相不锈钢具有优良的综合性能。

图3 不同固溶温度对铁素体含量的影响

2.3

固溶处理对冲击韧性的影响

对于双相不锈钢,因组织中含有铁素体组织,存在脆性转变问题,对材料的韧性应提出要求。冲击试验测试温度介于-40~20℃时,2205双相不锈钢固溶处理前和经过不同温度固溶处理后试样冲击功如图4所示。从图中可以看出,在相同的固溶处理温度下,随着冲击试验测试温度升高,试样的冲击功依次增大。在相同的冲击试验测试温度下,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个温度下的低温冲击功都大于100J,热轧态试样的冲击功都小于15 J。分析主要原因为,热轧态的2205金相组织由铁素体、奥氏体和σ相组成,σ相主要在奥氏体和铁素体的晶界析出,并且它本身是一种硬脆相,当试样受到外加冲击载荷作用时,σ相开裂造成晶界脆化,从而使冲击功降低。1000~1100℃固溶处理后,σ相溶解,2205不锈钢的冲击功明显提高。1100℃固溶处理后奥氏体和铁素体两相比例约为1:1,试样具有优良的力学性能,4个温度下的低温冲击功都大于100J。

图4 不同固溶温度对2205不锈钢冲击功的影响

图5为2205双相不锈钢固溶处理前和经过不同温度固溶处理后-40℃冲击试样断口的宏观形貌。从图中可以看出,未经固溶处理试样的断口断面没有塑性收缩的形状,整个断口面没有任何纤维区,为明显的脆性断口,如图5(a) 所示。固溶处理后试样的断口断面有一部分塑性收缩区, 且固溶温度越高,断口断面塑性收缩区域面积越大,如图5 (b)、(c)、(d) 所示。因此,2205双相不锈钢不锈钢固溶处理后韧性要明显好于热轧态。

图5 固溶处理前后2205不锈钢冲击断口宏观形貌

( a) 热轧态 ( b) 1000℃ ( c) 1050℃ ( d) 1100℃

图6为2205不锈钢固溶前和经过不同温度固溶处理后-40℃冲击试样断口的SEM 照片。从图中可以看出, 不经过固溶处理,断口形貌中存在裂纹,为明显的脆性断裂,这和热轧态试样冲击功测试结果一致。经过1000℃固溶处理后,断口形貌呈现出韧性和脆性复合断裂特征;1050℃固溶处理后,断口形貌出现韧窝和细小的微孔;1100℃固溶处理后,相比1050℃固溶处理,韧窝多且深,呈现出明显的韧性断裂特征,表现出很好的韧性,跟试验结果完成吻合。

图6 固溶处理前后2205不锈钢冲击断口的SEM 照片

(a) 热轧态 (b)1000℃ (c)1050℃ (d)1100℃

3、结论 1)膨胀量的变化体现出组织转变仅对加热温度比较敏感,而保温时间对其影响并不明显。

2)在1000~1100℃温度区间,组织由奥氏体和铁素体两相组成,随固溶温度升高,铁素体含量逐渐增加。2205热轧态组织中铁素体含量最低,为38.4%,1100℃固溶处理后铁素体含量最高,为49.7%。

3)在相同的固溶处理温度下,随着冲击试验测试温度升高,试样的冲击功依次增大。在相同的冲击试验测试温度下,随固溶温度升高,冲击韧性逐渐提高,固溶温度为1100℃时4个测试温度下的低温冲击功都大于100J, SEM冲击断口形貌呈现出明显的韧性断裂特征。

(刊登于不锈钢分会《不锈》杂志第70期,作者:酒钢宏兴陈兴润、潘吉祥)

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