1 奧氏體-鐵素體相平衡

Fe-Cr-Ni合金三元相圖是雙相不銹鋼冶金行為的指路圖。從鐵含量為68％處的三元截面圖（圖3）可看出：這些合金以鐵素體(a)相凝固，然后隨著溫度的下降，部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體 (g)（取決于合金成分）。當(dāng)從固溶退火溫度水淬時(shí)，在室溫下可獲得大約50%鐵素體和50%奧氏體的金相組織。增加氮含量可提高鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度，并改善雙相不銹鋼尤其是熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

雙相不銹鋼軋制產(chǎn)品或加工后的產(chǎn)品中鐵素體和奧氏體的相對(duì)數(shù)量取決于其化學(xué)成分和熱加工歷史。如相圖所顯示，成分上微小的變化可能對(duì)兩相的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)有較大影響。某單一合金元素會(huì)促進(jìn)鐵素體或奧氏體的形成。金相組織中鐵素體/奧氏體的相平衡可通過(guò)如下的多變量線性回歸來(lái)預(yù)測(cè)：

Creq = %Cr + 1.73 %Si + 0.88 %Mo

Nieq = %Ni + 24.55 %C + 21.75 %N + 0.4 %Cu

% 鐵素體 = -20.93 + 4.01 Creq – 5.6 Nieq + 0.016 T

T（攝氏溫度）是退火溫度，1050-1150°C，元素含量為重量百分?jǐn)?shù)（wt%）

通過(guò)調(diào)整鉻、鉬、鎳和氮的含量，并控制好加熱操作，可獲得所希望的相平衡即鐵素體相比例為45-50%，其余為奧氏體相。

對(duì)于雙相不銹鋼的軋制生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，在適當(dāng)?shù)墓倘芡嘶饻囟冗M(jìn)行固溶退火處理，隨后立刻進(jìn)行水淬，可得到最佳結(jié)果。重要的是，使材料從離開(kāi)加熱爐到水淬之間的時(shí)間盡可能地短，這樣便最大程度地減少了熱量損失，而在水淬至室溫之前，熱量損失可能導(dǎo)致有害相的析出。

 對(duì)于雙相不銹鋼的焊接來(lái)說(shuō)，必須針對(duì)每一種牌號(hào)和焊接配置給出最佳的熱輸入，以便冷卻速度能夠足夠快從而避免有害相的析出，但又不是太快以至于熔合線附近保留了過(guò)量的鐵素體。在實(shí)踐中，當(dāng)焊接斷面尺寸差異較大的部件或采用低熱輸入焊接厚斷面時(shí)，可能出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，厚斷面上的薄焊縫淬火過(guò)快，沒(méi)有留出充足的時(shí)間使足量的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，結(jié)果導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)鐵素體過(guò)量。

由于氮可提高從鐵素體開(kāi)始形成奧氏體的溫度，見(jiàn)圖3，它也加快了鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速度。因此，如果不銹鋼中含氮，即使在相對(duì)快速的冷卻速度下，奧氏體數(shù)量也幾乎能達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的水平。對(duì)第二代雙相不銹鋼而言，這一效應(yīng)可減少焊縫熱影響區(qū)鐵素體過(guò)量的可能性。

2 析出相

有害相在臨界溫度下若干分鐘便可形成，見(jiàn)圖4的2205和2507雙相不銹鋼等溫析出圖。析出相會(huì)顯著降低不銹鋼的耐腐蝕性和韌性，因此，在析出溫度范圍累積停留的時(shí)間如成形操作、尤其是退火后的焊接和冷卻時(shí)間必須盡可能地縮短。現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出耐腐蝕性能最大化并可延遲有害相析出的現(xiàn)代雙相不銹鋼牌號(hào)，它們使加工制造得以順利完成。可是一旦形成有害相，只能通過(guò)完全的固溶退火及隨后的水淬來(lái)去除。

圖4  2205雙相不銹鋼等溫析出曲線，1050℃退火 （分別給出了2304和2507雙相鋼σ相和氮化物析出曲線作為對(duì)比）

σ相（圖5）和其它金屬間相如χ相

如果在700℃-1000℃的溫度范圍冷卻速度過(guò)慢，則σ相和和其它金屬間相如χ相會(huì)在低于奧氏體形成溫度的溫度下從鐵素體相中析出。為避免鋼廠軋制產(chǎn)品中出現(xiàn)σ相，可控制退火溫度，確保鋼從退火溫度盡快地水淬冷卻，以避開(kāi)σ相的形成區(qū)間（圖6）。

圖5 在850℃下時(shí)效處理40分鐘的2205雙相鋼樣品的金相組織顯示出在奧氏體/鐵素體境界σ相的析出（箭頭）。顯微照片中鐵素體相(F)比奧氏體相(A)顏色深。

圖6 從固溶退火溫度冷卻應(yīng)該足夠快（曲線A）以避免σ相的形成區(qū)間

雙相不銹鋼固溶退火之后必須立即水淬 © Bosch-Gotthard-Hutte

鋼中鉬和鉻含量越高，形成σ相的傾向越大，因此比2205牌號(hào)更高級(jí)的較高合金化牌號(hào)受影響最大。合金元素含量越高，金屬間相的析出越快，如圖4所示，2507牌號(hào)的析出曲線在2205的左側(cè)（時(shí)間更短）。經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼2304不太容易形成金屬間相，而更容易發(fā)生氮化物的析出。

σ相的存在降低了雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能，原因是周圍區(qū)域發(fā)生了鉻和鉬的貧化，導(dǎo)致析出物旁邊區(qū)域耐腐蝕性能的降低。當(dāng)發(fā)生金屬間相析出時(shí)，材料的韌性和延展性也大幅降低。

氮化鉻的析出

對(duì)于某些牌號(hào)，在臨界溫度停留僅1-2分鐘即發(fā)生氮化鉻的析出，它可以由于在600℃-900℃溫度區(qū)間冷卻過(guò)慢而發(fā)生在晶界或相界。在大多數(shù)雙相不銹鋼中，氮化物的形成不是很常見(jiàn)，但在某些經(jīng)濟(jì)型雙相鋼中可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榕c較高合金化的雙相不銹鋼牌號(hào)相比，經(jīng)濟(jì)型牌號(hào)的氮含量相對(duì)較高，氮的溶解度較低。同避免σ相的方法類似，軋鋼廠采用固溶退火后水淬的方法可避免氮化鉻的形成。

氮化鉻也會(huì)在焊接部件的焊縫金屬和熱影響區(qū)析出，由于熔合線附近十分快速的冷卻而帶來(lái)的高鐵素體含量會(huì)導(dǎo)致氮的過(guò)飽和。氮在鐵素體中的溶解度很低且隨溫度降低而進(jìn)一步降低。所以如果氮沒(méi)有留在鐵素體中，它可在冷卻中以氮化鉻析出。較慢的冷卻速率會(huì)造成氮化物的析出與奧氏體再形成之間的競(jìng)爭(zhēng)。較多的奧氏體可以溶解較多的氮，減少氮在鐵素體晶粒中的過(guò)飽和及氮化鉻的量。通過(guò)采用較高熱輸入（較慢冷卻速率），或在焊縫金屬中添加奧氏體形成元素鎳，或在保護(hù)氣體中加氮，可提高奧氏體含量，從而減少氮化鉻在焊縫的析出。

如果形成較大量的氮化鉻，會(huì)對(duì)耐腐蝕性能和韌性有不利的影響。

α'相

α'相在低于525℃的鐵素體相中形成，其形成所需要的時(shí)間比前面討論的其它相所需時(shí)間長(zhǎng)得多。α'相的形成開(kāi)始會(huì)造成硬度的增大，后面會(huì)造成韌性的損失（圖4）。

當(dāng)鐵素體不銹鋼長(zhǎng)時(shí)間暴露在475℃左右的溫度后，其中的α'相會(huì)造成常溫韌性的喪失，這就是所謂的475℃脆性。幸運(yùn)的是，由于雙相不銹鋼含有50%的奧氏體，這種硬化和脆化的效果不像它在全鐵素體鋼中那樣有害。它對(duì)雙相不銹鋼有影響，在高鉬牌號(hào)中影響最顯著，在經(jīng)濟(jì)型牌號(hào)中影響小得多。

由于發(fā)生脆化需要較長(zhǎng)的時(shí)間，所以在加工制造時(shí)α'相脆性極少成為問(wèn)題。有一個(gè)例外即雙相不銹鋼與碳鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消除處理，必須仔細(xì)評(píng)估。必須避免在α'相形成溫度300℃-525℃范圍（或700℃-950℃，2205金屬間相的形成溫度范圍）的任何熱處理操作。如果被要求進(jìn)行應(yīng)力消除處理，則最好咨詢復(fù)合板生產(chǎn)廠家的意見(jiàn)。

雙相不銹鋼使用溫度的上限受到α'相形成的制約。壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范已確立了最大許用設(shè)計(jì)應(yīng)力下的使用溫度上限值。德國(guó)TüV規(guī)范區(qū)別對(duì)待了焊接和非焊接結(jié)構(gòu)件，它的溫度上限值比ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范更保守。壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各種雙相不銹鋼規(guī)定的溫度限值見(jiàn)表2。第二代雙相不銹鋼碳含量都很低，因此，通常無(wú)需考慮碳化物的有害影響。表3綜合了許多重要的析出反應(yīng)和雙相不銹鋼的溫度限值。

表2 壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各種雙相不銹鋼最大許用應(yīng)力下的溫度限值

表3 雙相不銹鋼析出反應(yīng)和其它特征性反應(yīng)的典型溫度