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雙相不銹鋼特性概述及發(fā)展歷史

雙相不銹鋼的應(yīng)用日益廣泛,為了幫助用戶更好地認(rèn)識(shí)、選擇、加工和應(yīng)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(yīng)用的難點(diǎn)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(shí)用信息。

內(nèi)容包括:雙相不銹鋼的歷史、化學(xué)成分、冶金學(xué)、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、物理性能、技術(shù)條件、質(zhì)量控制、切割、成形、焊接、應(yīng)用等。因內(nèi)容較多,將分若干次發(fā)布,歡迎關(guān)注!

          雙相不銹鋼特性概述

雙相不銹鋼因?yàn)槠浣鹣囡@微組織由鐵素體和奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成,所以被稱為 “雙相”。下圖中,黃顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被藍(lán)色的鐵素體相海洋所包圍。當(dāng)雙相不銹鋼熔化后,它從液態(tài)凝固時(shí)首先凝固成完全的鐵素體結(jié)構(gòu),隨著材料冷卻到室溫,大約有一半的鐵素體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體晶粒(“島嶼”)。其結(jié)果是,顯微組織中大約50%為奧氏體相,50%為鐵素體相。


雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相顯微組織

雙相結(jié)構(gòu)使得這類不銹鋼集許多優(yōu)異特性于一身


高強(qiáng)度:


雙相不銹鋼的強(qiáng)度大約是常規(guī)奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強(qiáng)度的2倍。因此設(shè)計(jì)師在某些應(yīng)用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區(qū)間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度。


良好的韌性和延展性:


盡管雙相不銹鋼強(qiáng)度高,但它們表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優(yōu)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(dá)不到奧氏體不銹鋼的優(yōu)異程度。


ASTM 和EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙相不銹鋼最低力學(xué)性能限值


優(yōu)異的耐腐蝕性


不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其化學(xué)成分。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中,雙相不銹鋼都顯示出較高的耐蝕性能,這是由于它們鉻含量高,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(zhì)的腐蝕。


對(duì)于耐氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力而言,不銹鋼的鉻、鉬和氮含量是最重要的。雙相不銹鋼相對(duì)較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能。雙相不銹鋼有一系列不同的耐腐蝕性能,既有相當(dāng)于316不銹鋼耐蝕性的牌號(hào),如經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼2101?,也有相當(dāng)于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號(hào),如SAF 2507?。


雙相不銹鋼具有非常好的耐應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能,這個(gè)特性是從鐵素體這一方“繼承”來的。所有雙相不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的能力均明顯優(yōu)于300系奧氏體不銹鋼。而標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體不銹鋼牌號(hào)如304和316,在有氯離子、潮濕空氣和溫度升高的條件下,可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此,在有較大應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的化工行業(yè)許多應(yīng)用,常常采用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼的使用。


物理性能


介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間,但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。


成本優(yōu)勢(shì)


與具有相同耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼牌號(hào)相比,雙相不銹鋼中鎳、鉬含量較低。因?yàn)楹辖鹪睾康?,雙相不銹鋼在價(jià)格上可能有優(yōu)勢(shì),尤其是在合金附加費(fèi)較高時(shí)。此外,由于雙相不銹鋼較高的屈服強(qiáng)度,其斷面尺寸常??蓽p薄。與采用奧氏體不銹鋼的方案相比,采用雙相不銹鋼可顯著地降低成本,減輕重量。


瑞典斯德哥爾摩的雙相不銹鋼橋 ?Outokumpu

         雙相不銹鋼的發(fā)展歷史

雙相不銹鋼已有80多年的歷史。早期的牌號(hào)是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產(chǎn)出第一批鍛軋雙相不銹鋼并用于亞硫酸鹽造紙工業(yè),開發(fā)這些牌號(hào)是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產(chǎn)出雙相不銹鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國(guó)獲得專利。二戰(zhàn)后,AISI 329型不銹鋼成為公認(rèn)的鋼種并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是第一代專為提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)性能而研制的雙相不銹鋼牌號(hào)之一。后來,鍛軋和鑄造雙相不銹鋼牌號(hào)均用于各種加工工業(yè)的應(yīng)用,包括容器、熱交換器和泵。

第一代雙相不銹鋼有良好的性能表現(xiàn),但在焊接狀態(tài)下有局限性。焊縫的熱影響區(qū)(HAZ)由于鐵素體過多而韌性低,并且耐腐蝕性能明顯低于母材。這些局限性使第一代雙相不銹鋼的應(yīng)用,僅限于非焊接狀態(tài)下的一些特定應(yīng)用。1968年不銹鋼精煉工藝,即氬氧脫碳(AOD)的發(fā)明,使一系列新不銹鋼鋼種的產(chǎn)生成為可能。AOD所帶來的諸多進(jìn)步之一便是合金元素氮的刻意添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態(tài)下HAZ的韌性和耐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩(wěn)定性的提高,氮還降低了有害金屬間相的形成速率。

含氮的雙相不銹鋼被稱為第二代雙相不銹鋼。這一新的商品化進(jìn)展始于70年代后期,正好與北海海上油氣田的開發(fā)及市場(chǎng)對(duì)具有優(yōu)異耐氯離子腐蝕性能、良好的制造加工性和高強(qiáng)度的不銹鋼需求相吻合。2205成為第二代雙相不銹鋼的主要牌號(hào)并廣泛用于海上石油平臺(tái)集氣管線和處理設(shè)施。由于這種鋼的強(qiáng)度高,因此壁厚可減薄,可以減輕平臺(tái)的重量,使這種不銹鋼的應(yīng)用有很大的吸引力。


雙相不銹鋼可按照耐腐蝕性能排序,耐腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不銹鋼一直在不斷發(fā)展,現(xiàn)代雙相不銹鋼可分為5類:

1. 不添加鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼如2304;

2. 標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼如2205,是主要的鋼種,占雙相不銹鋼用量的80%以上;

3. 25Cr雙相不銹鋼如合金255,PREN*(耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù))值小于40; 

4. 超級(jí)雙相不銹鋼(PREN值40~45), 含25%~26%Cr,與含25%Cr雙相不銹鋼如2507相比,鉬和氮的含量增加;

5. 特超級(jí)雙相不銹鋼,PREN值超過45的高合金化雙相不銹鋼


* PREN = %Cr+3.3(%Mo+0.5%W) +16%N


表1 給出了鍛軋雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分,為便于比較,第一代雙相不銹鋼和常用奧氏體不銹鋼也包括在其中。


表1  鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學(xué)成分*(重量%)

* 最大值,除非指明范圍或說明是最小值。- 標(biāo)準(zhǔn)中未指明。** 這一種鋼最初沒有添加氮,被認(rèn)為是未加氮的第一代雙相不銹鋼。

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