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  2. 雙相不銹鋼材料的技術(shù)要求和質(zhì)量控制
    2023-11-27 13:52:17 作者:阿斯米 來源:阿斯米 分享至:

     

     

     

     技術(shù)要求和質(zhì)量控制

     

        關(guān)于雙相不銹鋼加工制造的技術(shù)要求和質(zhì)量控制,一個關(guān)鍵的實(shí)際問題是焊接后性能的保持。雙相不銹鋼原始供貨態(tài)的成分和工藝必須確保焊接后(采用合格的焊接工藝)仍具有良好的性能。

    1

    標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求

    1.1
    化學(xué)成分

        ASTM或EN標(biāo)準(zhǔn)是選擇第二代雙相不銹鋼的一個恰當(dāng)?shù)拈_始點(diǎn)。雙相不銹鋼中添加氮是有利的,既可以避免熱影響區(qū)(HAZ)出現(xiàn)過多的鐵素體,又可以使材料具有更好的冶金學(xué)穩(wěn)定性。雙相不銹鋼含氮量的上限就是氮在鋼水中的溶解度,從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氮含量范圍的最大值可以反映出來,但是所列出的最小氮含量不一定反映出獲得最佳焊接特性所需要的氮含量。例如2205雙相不銹鋼最初的標(biāo)準(zhǔn)成分是S31803。

        S31803的氮含量在其允許范圍0.08%~0.20%的下限時,2205熱處理和焊接后的性能并不穩(wěn)定一致。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示, 對于2205雙相不銹鋼的焊接加工而言,“氮含量最小為0.14%” 是必要的。由于經(jīng)常要規(guī)定這一條件,為了方便需要焊接的終端用戶,便將2205的S32205版本引入到雙相不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中。超級雙相不銹鋼也有較高的氮含量范圍,這反映出人們對氮含量重要性的認(rèn)識。

        有一些終端用戶的雙相不銹鋼技術(shù)要求是基于 “PREN” 關(guān)系式。盡管PREN值對于比較某一鋼類中不同牌號的耐腐蝕性是有效的,但為了滿足特定的PREN值而改變成分不一定會獲得合適的冶金學(xué)平衡。PREN值有助于從一系列牌號中選擇其中一個,如果單從成分變化來看某個牌號的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量,似乎鉻和鉬可被氮所替代,但從冶金學(xué)的角度看,鉻和鉬促進(jìn)鐵素體相和金屬間相的形成,而氮促進(jìn)奧氏體相,阻止金屬間相的形成。

        因此,最好根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所列的標(biāo)準(zhǔn)牌號來選擇雙相不銹鋼的成分,有可能每個牌號的氮含量都規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限。不論材料的成分如何規(guī)定,它都應(yīng)當(dāng)與焊接工藝評定所用的材料相同,這樣,針對所預(yù)期的加工制造結(jié)果,評定才是有意義的。

     

    海上化學(xué)品船2205雙相不銹鋼貨艙內(nèi)部 @Outokumpu

    1.2
    固溶退火和淬火

        除了化學(xué)成分,軋材的實(shí)際退火條件對于焊接也是重要的。奧氏體不銹鋼退火的目的是使金屬再結(jié)晶,并且溶解碳化物。“L”牌號的低碳不銹鋼可以采用水淬或相對較慢的空氣冷卻,因?yàn)橹匦滦纬捎泻μ蓟镄枰臅r間很長。但對于雙相不銹鋼而言,即使有理想的氮含量,在臨界溫度范圍內(nèi)停留幾分鐘也會對其耐腐蝕性能和韌性有不利影響。當(dāng)軋材在軋鋼廠慢速冷卻時,材料通過700~980℃(1300~1800℉)溫度范圍已花費(fèi)一定的時間,不再容許在此溫度范圍再進(jìn)一步地受熱如焊接,所以留給焊工焊接出熱影響區(qū)(HAZ)無金屬間相的焊縫的時間較少。

        盡管ASTM等標(biāo)準(zhǔn)允許某些雙相不銹鋼 “水淬或通過其他方法快速冷卻”,但焊接的最佳冶金學(xué)條件是通過最快速地從退火溫度淬火得到的。然而,這忽視了水淬導(dǎo)致的變形和殘余應(yīng)力的增加。對于薄板生產(chǎn),空氣冷卻在現(xiàn)代化卷板生產(chǎn)線中效率高;但對于厚板及較厚斷面的產(chǎn)品,水淬可以獲得對焊接而言最佳的冶金學(xué)條件。在淬火前讓板材或組件冷卻到700~980C(1300~1800℉)會導(dǎo)致金屬間相的形成。

        另一個保證最佳初始狀態(tài)的方法是要求對軋材進(jìn)行檢驗(yàn),確保其不存在有害的金屬間相。ASTM A 923和ASTM A 1084運(yùn)用金相檢查、沖擊試驗(yàn)或腐蝕試驗(yàn)來證明金屬間相未達(dá)到有害的程度。這一試驗(yàn)僅考慮是否已出現(xiàn)了有害析出相,沒有考慮有害相的數(shù)量和程度。采用這種試驗(yàn),可證明軋制工藝能保證在軋制過程中不形成有害的金屬間相。此試驗(yàn)類似于ASTM A 262 或 EN ISO 3651-2試驗(yàn)檢驗(yàn)奧氏體不銹鋼是否存在碳化鉻析出導(dǎo)致的敏化。ASTM A 923標(biāo)準(zhǔn)僅包括2205、2507、255和S32520,ASTM A 1084 標(biāo)準(zhǔn)包括了經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼S32101和S32304。很多加工制造商采用這些試驗(yàn)和類似試驗(yàn)以及其他驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),作為加工設(shè)備部件焊接工藝評定的一部分。

    ASTM A 923    檢測奧氏體/鐵素體雙相不銹鋼中有害金屬間相的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法

    ASTM A1084   檢測經(jīng)濟(jì)型奧氏體/鐵素體雙相不銹鋼中有害相的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法

    ASTM A 262    檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的標(biāo)準(zhǔn)方法。

    EN ISO3651-2 測定不銹鋼的耐晶間腐蝕性能-第2部分:鐵素體,奧氏體和鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼-含硫酸介質(zhì)中的腐蝕試驗(yàn)

    2

    特殊試驗(yàn)要求

    2.1
    拉伸和硬度試驗(yàn)

     

     

        相對奧氏體不銹鋼而言,雙相不銹鋼具有很高的強(qiáng)度,但是偶爾仍有最終用戶技術(shù)要求規(guī)定了強(qiáng)度或硬度的最大值。強(qiáng)度或硬度引入最大值可能是借鑒了馬氏體不銹鋼的經(jīng)驗(yàn),而馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度和硬度來自于未經(jīng)回火處理的馬氏體。但是雙相不銹鋼在冷卻過程中不形成馬氏體,雙相不銹鋼的高強(qiáng)度和高硬度緣于其高的氮含量、本身的雙相結(jié)構(gòu)、成型或矯直操作中可能發(fā)生的加工硬化。

        硬度試驗(yàn)是證明加工中沒有過度冷加工的有效手段;但當(dāng)硬度試驗(yàn)用于這一目的時,很重要的一點(diǎn)是測量位置應(yīng)當(dāng)介于表面和斷面的中心之間,而不是在發(fā)生局部硬化和表面硬化的表面上。

     

     

    2.2
    彎曲試驗(yàn)

     

     

        彎曲試驗(yàn)可以證明軋材沒有軋制裂紋,但對于大型材、小工件或某些幾何形狀的軋材可能是困難的。彎曲試驗(yàn)并不是雙相不銹鋼質(zhì)量的一個保守指標(biāo),因?yàn)閺澢c(diǎn)可能與不合格的部位不一致。由于彎曲的方向性,某些情況如中心線的金屬間相不可能被檢測出來。

        彎曲試驗(yàn)通常作為奧氏體不銹鋼焊接工藝評定的一部分,因?yàn)楹缚p有發(fā)生熱裂的危險,特別是對于奧氏體含量高的嚴(yán)重受限的焊縫組織。由于雙相不銹鋼沒有熱裂紋傾向,所以用彎曲試驗(yàn)來檢測焊縫質(zhì)量的意義不大。如果試驗(yàn)位置正好與受影響的區(qū)域相吻合,則彎曲試驗(yàn)可能會粗略地檢測出過多的鐵素體,但彎曲試驗(yàn)不能檢測出對耐腐蝕性和韌性有害的少量金屬間相的存在。

    2507不銹鋼降膜蒸發(fā)器  © Gary Carinci TMR Stainless

     

     

    2.3
    沖擊試驗(yàn)和金屬間相的金相檢查

     

     

         用沖擊試驗(yàn)來規(guī)定材料和評定工藝有兩種方式:。

         在已知條件下試驗(yàn),檢測不合格的材料,例如過多的鐵素體或金屬間相的存在;

         證明對于預(yù)期的使用環(huán)境,加工制成品的性能足以滿足要求。

        對于沖擊試驗(yàn)的第一種使用方法,ASTM A 923給出了雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),ASTM A 1084給出了經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。ASTM A 923方法B指出,在-40℉/℃標(biāo)準(zhǔn)的縱向夏比沖擊試驗(yàn)(Charpy)中,如果結(jié)果小于54J(40ft-Ib),表明退火軋材不合格。為了保證滿意的熱處理和淬火,作為一種生產(chǎn)控制手段,軋材的每一個批次都應(yīng)當(dāng)按照A 923 方法B進(jìn)行試驗(yàn)(或方法C,腐蝕試驗(yàn))。而ASTM A 923允許采用金相檢查(方法A)作為一種以接受而不是判廢為目的的篩分試驗(yàn)。因?yàn)榉椒ˋ的操作要求高水平的金相技術(shù)來完成,用戶比較謹(jǐn)慎的做法是除了金相檢查,還可要求采用方法B夏比沖擊試驗(yàn)。

        ASTM A 923方法A的一個好處是可以確認(rèn)中心線金屬間相,如ASTM A 923的圖7所示。根據(jù)方法A的篩選法,中心線金屬間相將造成材料不合格,而這卻不一定導(dǎo)致在A 923方法B沖擊試驗(yàn)中材料被判廢。因?yàn)檫@種中心線金屬間相可能造成中厚板在成型、熱剪或焊接過程中分層,所以除了方法B或C以外,用戶還應(yīng)當(dāng)要求進(jìn)行方法A的檢驗(yàn),任何顯示有中心線金屬間相的材料都應(yīng)該被判廢。盡管ASTM A 923已聲明方法A不用于材料的判廢,但允許終端用戶提出更嚴(yán)格的要求。材料如果呈現(xiàn)出ASTM A 923的圖7所示的接近厚度中部的中心線金屬間相,則應(yīng)當(dāng)被判廢。

        沖擊試驗(yàn)的第二個方法即在比預(yù)期的使用溫度更低的溫度下評價母材、熔合區(qū)和熱影響區(qū),這可能是一種謹(jǐn)慎和具成本效益的方法。對于焊縫的評價,試驗(yàn)溫度和合格標(biāo)準(zhǔn)必須針對具體的焊接類型并與使用條件結(jié)合。韌性將不會像固溶退火的雙相不銹鋼軋材那樣高。焊縫金屬較低的韌性不一定表明存在金屬間相,而常常是由于氧含量增高造成的,特別是采用焊劑保護(hù)焊接工藝。

        ASME已發(fā)布了新的適用于斷面厚度大于9.5毫米(0.375英寸)的雙相不銹鋼的技術(shù)要求。這些要求需要在金屬最低設(shè)計溫度(MDMT)或以下采用夏比沖擊試驗(yàn),并以橫向膨脹作驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來證明初始母材和產(chǎn)品焊縫的韌性足以滿足預(yù)期的使用環(huán)境。ASME檢驗(yàn)與ASTM A 923試驗(yàn)的不同之處在于ASME 檢驗(yàn)要求夏比沖擊試驗(yàn)包含三個試樣,并且要求報告最小值和平均值。ASME要求對每一批母材和填充材料進(jìn)行母材、焊縫和HAZ(共9個試樣)的試驗(yàn)。

        為了節(jié)約同時得到謹(jǐn)慎的結(jié)果, 可以采用兩個試驗(yàn)溫度(ASTM A 923 的-40℃/F 或ASME標(biāo)準(zhǔn)中的金屬最低設(shè)計溫度 MDMT)中較低的一個,通過測量三個試樣的沖擊功和橫向膨脹來衡量其韌性。

    大橋橋面雙相不銹鋼鋼筋的安裝 © Hardesty& Hanover, LLP

     

     

    2.4
    用金相或磁性法測定相平衡

     

     

        雙相不銹鋼軋材的奧氏體-鐵素體相平衡在不同爐號或批號之間的變化很小,這是因?yàn)樯a(chǎn)中化學(xué)成分被控制在很窄的范圍,而且退火操作有明確規(guī)定。一般2205雙相鋼含有40%~50%的鐵素體,因此,測定退火軋材的相平衡意義不大。

        但是,測定鐵素體含量對于評定焊接工藝是適合的,這樣做可以防止熱影響區(qū)出現(xiàn)過多的鐵素體。雙相不銹鋼相平衡的準(zhǔn)確測定通常要求采用金相檢查和數(shù)點(diǎn)法,如ASTM E 562(手動)或 E1245(自動)方法。由于雙相不銹鋼是鐵磁性的,奧氏體和鐵素體的間距特別細(xì),如果沒有同樣的幾何形狀和相平衡的金相測量結(jié)果作參考標(biāo)準(zhǔn),則磁性檢測法的可靠性是有限的。AWS A4.2和EN ISO 8249描述了校準(zhǔn)磁性測量儀來測量雙相不銹鋼焊縫處鐵素體并以鐵素體數(shù)FN報告結(jié)果的方法步驟。焊縫相平衡的合格范圍比母金屬要寬得多。當(dāng)鐵素體含量在25%~75%時,如果ASTM A 923試驗(yàn)證明,焊縫及熱影響區(qū)的韌性和耐腐蝕性合格的話,那么雙相不銹鋼可獲得理想的性能。磁性測量得出鐵素體數(shù)在30~90之間被認(rèn)為是合格的。

        對已經(jīng)在加工中心或經(jīng)銷商手中的材料提出測定相平衡的要求,比對正在工廠進(jìn)行生產(chǎn)的材料提出同樣的要求代價更高。獲取試樣并進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)也會影響及時交貨。

        因?yàn)榻饘匍g相是非磁性的,所以磁性試驗(yàn)不能用來檢測 s相和 c相。但是,如果雙相不銹鋼顯示出較低的鐵素體磁性讀數(shù),可能是鐵素體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g相。雙相不銹鋼在熱處理或冷卻過程中,如果其在金屬間相析出溫度區(qū)間停留時間過長,可能會顯示出低鐵素體含量的結(jié)果。

    正在安裝特超級雙相不銹鋼螺栓,保護(hù)瑞典的古沉船瓦薩戰(zhàn)艦

    © Anneli Karlsson 瑞典國家海事博物館

     

     

    2.5
    腐蝕試驗(yàn)

     

     

        按照ASTM A 923/A 1084 方法C對固溶處理的軋制材料進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)是檢測有害狀態(tài)最具成本效益的方法之一。金屬間相及氮化鉻的存在、過量鐵素體,都可表現(xiàn)為耐點(diǎn)蝕性能的降低,因而可被檢測出來。這些相造成臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)比正常退火的材料低15℃或更多。測定一個試樣的實(shí)際CPT 成本較高,因?yàn)樗枰凑誂STM G 48進(jìn)行多次試驗(yàn)或按ASTM G 150對單個試樣試驗(yàn)。而在比雙相不銹鋼通常的CPT低10~15℃的溫度下,采用ASTM A923方法C進(jìn)行單一腐蝕試驗(yàn)將檢測出有害相的存在。當(dāng)采用腐蝕試驗(yàn)來檢驗(yàn)有害相的存在時,任何正面或側(cè)面及邊緣的點(diǎn)蝕都應(yīng)當(dāng)被當(dāng)作拒收的依據(jù)。盡管在實(shí)際設(shè)備里邊緣可能不接觸介質(zhì),但試驗(yàn)的目的是檢測金屬間相,而它們較可能出現(xiàn)在中心線上,當(dāng)把邊緣的腐蝕考慮進(jìn)去時就對中心線進(jìn)行了評估。

        在ASTM A 923頒布之前,腐蝕試驗(yàn)通常是參考“改進(jìn) ASTM G48 試驗(yàn)”,但G48是一個實(shí)驗(yàn)室的研究方法而不是材料驗(yàn)收方法。如果要求做G48試驗(yàn),但沒有確定是哪種G48 操作方法并指出其他它試驗(yàn)條件包括表面制備、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)持續(xù)時間、是否包括邊緣的腐蝕及合格標(biāo)準(zhǔn)的定義等,那么這種要求是不全面的。

    表5 根據(jù)ASTM A 1084C 和 ASTM A 923C,不同雙相不銹鋼牌號的腐蝕試驗(yàn)溫度。合格的最大腐蝕率為10mg/dm天。

    ASTM A 923是一項(xiàng)驗(yàn)收試驗(yàn),目的是用一種經(jīng)濟(jì)有效而相對快速的方法證明軋制材料不存在有害的金屬間相。ASTM A 923 方法C以腐蝕率作為驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。

         這樣來檢測點(diǎn)蝕似乎令人驚訝,但采用這個方法是基于以下兩個原因:

         1.通過重量損失來考察合格與否,就不用判斷金屬表面是否有蝕坑這種麻煩且可能帶主觀色彩的問題。達(dá)到拒收標(biāo)準(zhǔn)的重量損失足夠大,很容易進(jìn)行測量,但它又足夠小,在24小時的試驗(yàn)里就可以容易地檢測出與金屬間相有關(guān)的點(diǎn)蝕類型。

         2.采用腐蝕率這一標(biāo)準(zhǔn),只要能確定總表面積,則幾乎任何尺寸和形狀的樣品都能進(jìn)行試驗(yàn)。

         腐蝕試驗(yàn)是比較謹(jǐn)慎保守的方法,且對試樣的幾何形狀和位置不敏感。相比之下,夏比試驗(yàn)易受方向和缺口位置的影響,腐蝕試驗(yàn)適合作為焊接工藝評定的一部分,而且,還可作為一種經(jīng)濟(jì)有效的質(zhì)量控制試驗(yàn)方法用于產(chǎn)品生產(chǎn)中焊縫樣品的檢驗(yàn)。但必須考慮到退火軋材與焊接接頭在耐腐蝕性能方面的差異,即便是一個焊接得當(dāng)?shù)暮缚p,由于焊接工藝、保護(hù)氣體和所焊接的雙相不銹鋼牌號的不同,其臨界點(diǎn)蝕溫度CPT也可能比母金屬低5~15℃。

     

     

    2.6
    焊接生產(chǎn)和檢驗(yàn)

     

     

        雙相不銹鋼可能發(fā)生的問題對焊工來說并不是顯而易見的,也無法用無損檢測方法檢測出來。焊工必須認(rèn)識到焊縫的總體質(zhì)量取決于是否嚴(yán)格地遵循焊接工藝規(guī)程,并通過其在使用中的韌性和耐腐蝕性來衡量。偏離規(guī)定的工藝規(guī)程不一定會在車間被檢測出來,但對材料安全、經(jīng)濟(jì)的使用而言,每一次偏離都是一種風(fēng)險。

    西班牙梅諾卡Cala Galdana 橋采用雙相不銹鋼2205建造@ PEDELTA

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