中榕达带你全面了解双相不锈钢 福建省中榕达实业有限公司
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    [2018-09-18]

    双相不锈钢的应用日益广泛,为了帮助用户更好地认识、选择、加工和应用这类不锈钢,本文将介绍了双相不锈钢的各种特性,并围绕双相不锈钢应用的难点之一加工和焊接,给出加工和焊接双相不锈钢的基本原则和实用信息。 

     力学性能
    高强度:
    双相不锈钢力学性能优异,标准双相不锈钢牌号的力学性能见表A。它们在固溶退火状态下的室温屈服强度是未添加氮的标准奥氏体不锈钢的两倍多,这样设计师在某些应用中就可减小壁厚 。图B比较了室温到300℃ (570℉) 温度区间几种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢屈服强度。由于铁素体相有475℃ (885℉) 脆性的危险,所以双相不锈钢不应长时间用于温度高于压力容器设计规范规定的条件 (见表2)。

    表A  ASTM 和EN 双相不锈钢板低力学性能限值



    图B 双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢在室温到300℃温度范围典型屈服强度的对比

    锻轧双相不锈钢的力学性能是高度各向异性的,即性能随测试样品的方向而变化。这种各向异性是由拉长了的晶粒和热轧或冷轧产生的晶体织构造成的 (见图2)。尽管双相不锈钢的凝固组织通常是各向同性的,但它经过轧制或锻造及后续的退火,组织中存在两相。终产品两相的形貌揭示出加工的方向性,双相不锈钢垂直于轧制方向的强度比沿轧制方向的强度高。冲击试样的缺口垂直于轧制方向时的冲击韧性高于沿轧制方向时。试样“纵向” (L-T) 夏比冲击试样测得的韧性高于其他方向的试验结果。一个双相不锈钢板横向试样的冲击功一般相当于一个纵向试样的1/2至2/3。

    普拉德霍湾垂直支撑架上24英寸2205双相不锈钢保温管道的安装@ Arco Exploration and Production Tecnnology

    良好的韧性和延展性

    尽管双相不锈钢强度高,但它们表现出良好的塑性和韧性。双相不锈钢的韧性和延展性明显优于铁素体不锈钢和碳钢,即使在很低的温度如-40℃/F下仍保持良好的韧性。但还达不到奥氏体不锈钢的优异程度。


    ASTM 和EN标准规定的双相不锈钢低力学性能限值

          但是双相不锈钢的韧性和塑性通常比奥氏体不锈钢差。奥氏体不锈钢一般没有塑性-脆性转变,在低至深冷温度的条件下仍保持优异的韧性。表D给出了标准奥氏体不锈钢和双相不锈钢在拉伸试验中小延伸率的比较。

    表D  根据ASTM A 240和EN 10088-2的要求,双相不锈钢与奥氏体不锈钢延展性的比较


    尽管双相不锈钢的高屈服强度允许厚度减薄,但由于弯曲和杨氏模量的限制,在制造过程中也会带来困难。由于双相不锈钢强度较高,其变形需要更大的外力,因此在弯曲操作中的回弹比奥氏体不锈钢要大,两种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢回弹的比较见图C。双相不锈钢的延展性比奥氏体不锈钢差,为避免断裂需要增加弯曲半径。

    图C 2毫米(0.08英寸)厚的双相不锈钢板与316L奥氏体不锈钢板回弹的比较 
    (来源:Outokumpu)

    由于双相不锈钢较高的硬度和高加工硬化率,与标准奥氏体不锈钢相比,它降低了机加工操作中工具的寿命或需要更多的机加工次数。在成型或弯曲操作之间可能需要退火,因为双相不锈钢的延展性差不多是奥氏体不锈钢的一半。冷加工对2205双相不锈钢力学性能的影响见图E。

    图E 冷加工对2205双相不锈钢力学性能的影响 (来源:宝钢)


     耐腐蚀性能
    在绝大多数标准奥氏体不锈钢应用的环境中,双相不锈钢都显示出很高的耐腐蚀性能,值得注意的是它们在某些情况下具有非常明显的优势,这是由于它们含铬量高,在氧化性酸中很有利,并且含有足够量的钼和镍,能耐中等还原性酸介质的腐蚀。

    双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量也使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能(公众号:泵管家),其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的环境是一个优势。

    如果双相不锈钢的显微组织中含有至少30%的铁素体,则其耐氯化物应力腐蚀断裂的性能远比奥氏体不锈钢304或316好。但铁素体对氢脆敏感,因此在氢有可能进入金属、导致氢脆的环境或应用中,双相不锈钢不具备较高的耐蚀性。


    瑞典Sodra Cell Mönsteras纸浆厂的2205硫酸盐纸浆连续蒸煮器和浸渍塔(来源:Kvaerner Pulping)


  • 1耐酸腐蚀性能

  • 为了说明双相不锈钢在强酸溶液中的耐腐蚀性能,图G给出了在硫酸溶液中的腐蚀数据。介质条件从低酸浓度的弱还原性环境到高浓度的氧化性环境及中等浓度热溶液的强还原性环境。

    2205和2507双相不锈钢在酸浓度大约15%的溶液中,性能优于许多高镍奥氏体不锈钢;在酸浓度至少为40%的范围内,双相钢优于316或317不锈钢。双相不锈钢在这种含氯化物的氧化性酸中也很有用。

    双相不锈钢的含镍量不足以耐受中等浓度硫酸溶液或盐酸的强还原性腐蚀。在还原性环境有酸浓缩的湿/干界面,腐蚀尤其是铁素体的腐蚀就会开始并快速进展。

    双相不锈钢耐氧化性腐蚀的性能使它们成为硝酸装置和强有机酸中优良的候选材料。


    图G 在不含氧的硫酸中的腐蚀,0.1毫米/年(0.004英寸/年)等腐蚀曲线,采用试剂纯度的硫酸。(来源:生产商材质单,254SMO是Outokumpu的商标)

     双相不锈钢海水泵 

    图H显示了在沸点温度下,在50%醋酸和不同含量甲酸的混和溶液中双相不锈钢和奥氏体不锈钢的腐蚀。尽管304和316不锈钢可用于室温和中等温度下的强有机酸介质,但2205和其他双相不锈钢在许多涉及高温有机酸的工艺中占优势,而且由于它们耐点蚀和耐应力腐蚀,也可用于卤代烃工艺。


    图H:双相不锈钢和奥氏体不锈钢在50%醋酸和不同含量甲酸的沸腾混合溶液中的腐蚀(来源:Sandvik)


  • 2耐碱腐蚀性能

  • 双相不锈钢的高含铬量和铁素体相的存在使其在碱性介质中具有良好的性能。在中等温度下,其腐蚀速度低于标准奥氏体不锈钢的腐蚀速度。

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  • 3耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能

  •         为讨论不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的性能,引入临界点蚀温度这一概念是有用的。对于某一个氯化物环境,每个牌号的不锈钢都可用一个温度来描述其特征,高于此温度则点蚀开始产生,并且24小时之内可发展到肉眼可见的程度。低于此温度则不发生点蚀。这一温度即所谓的临界点蚀温度(CPT)。它是对特定的不锈钢牌号和特定环境的表征。由于点蚀的起始发生从统计学上看是随机的,而且CPT对牌号或产品的微小变化敏感,因此,对于不同牌号的不锈钢,其CPT通常以一个温度范围来表示。然而,采用ASTM G 1501标准介绍的研究方法,有可能通过电化学测量法来准确和可靠地测定CPT。

           缝隙腐蚀常常发生在接头垫圈部位,沉积物的下面以及螺栓连接的缝隙处。缝隙腐蚀也有一个类似的临界温度。临界缝隙腐蚀温度(CCT)取决于不锈钢试样、氯化物环境和缝隙的特性(紧密度,长度等)。由于缝隙的几何形状以及实际中很难再现同样缝隙的尺寸,CCT的测量数据要比CPT更分散。对于同样的钢种和腐蚀环境,CCT往往比CPT低15~20℃(27~36℉)。

            双相不锈钢的高铬、钼和氮含量使其在含水环境中具有非常好的耐氯离子局部腐蚀的性能。根据合金含量的不同,某些双相不锈钢牌号已跻身于性能好的不锈钢之列。由于双相不锈钢的铬含量相对较高,所以具有高耐腐蚀性而且非常经济。


            图9给出了按照ASTM G 482(6% FeCl3)测定的固溶退火状态下各种不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀性能的比较。材料焊接状态下的临界温度要低一些。临界点蚀或缝隙腐蚀温度越高,则表明材料耐腐蚀起始发生的能力越高。2205不锈钢的CPT和CCT都显著高于316不锈钢。这使2205钢成为用途广泛的材料,适用于因蒸发导致氯离子浓缩的环境,例如热交换器的蒸汽空间或保温层的下面。2205双相钢的CPT还表明它可用在碱水和脱气盐水中。它还成功地用于脱气海水中,在这些应用中,通过高流速的海水或用其他方法使钢的表面没有沉积物。在苛刻的海水应用环境中,如薄壁热交换器管,或表面有沉积物或有缝隙时,2205不锈钢没有足够的耐缝隙腐蚀能力。然而,CCT高于2205的高合金化双相不锈钢如超级双相不锈钢和特超级双相不锈钢,已经用于许多既要求高强度又要求高耐氯离子腐蚀的苛刻海水条件。尽管超级双相不锈钢在较低温度的海水中不发生腐蚀,但其在高温下的应用有一定的局限性。特超级双相不锈钢更好的耐腐蚀性将双相不锈钢的应用扩展到强腐蚀性的氯离子环境如高温热带的海水环境尤其是存在缝隙的场合。


    图9:非焊接态奥氏体不锈钢(左)和固溶退火的双相不锈钢(右)的临界点蚀和缝隙腐蚀温度(按照ASTM G48 在6%的三氯化铁溶液中测量)

    因为CPT与材料和特定环境成函数关系,有可能对单一要素的影响进行研究。利用按照ASTM G 48 A法确定的CPT,采用回归分析法得出钢的成分(每种元素作为一个独立变量)和测定的CPT(相关变量)的关系。结果显示只有铬、钼、钨和氮对CPT有稳定的影响。关系式如下:
    CPT = 常数 + Cr + 3.3 (Mo + 0.5 W) + 16 N.
    式中4个合金元素乘以各自的回归常数之和通常被称为耐点蚀当量值(PREN)。不同研究者给出的氮的系数不同,通常使用16,22和30[8]。可根据PRE值给某一钢类的牌号排序,但要注意避免对这一关系式的过分依赖。式中合金元素为“独立变量”,但实际并不真正独立,因为试验的钢是平衡成分。这种关系不是线性或交叉关系,例如铬和钼的协同作用被忽略。此关系式假定材料的加工呈理想状态,没有考虑金属间相、非金属相以及不当的热处理带来的影响,热处理不当会对耐蚀性带来不利影响。


  • 4耐应力腐蚀断裂性能

  •        双相不锈钢早期的某些应用是基于它们耐氯化物应力腐蚀断裂(SCC)的性能。与具有类似耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能的奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢表现出明显优越的耐应力腐蚀断裂性能。双相不锈钢在化学加工工业的许多应用是代替奥氏体不锈钢,用于有很大的应力腐蚀断裂危险的场合。

           然而,和许多材料一样,双相不锈钢在特定条件下也易于发生应力腐蚀断裂。这种情况可能发生于高温、含氯化物的环境或易于促使氢致开裂的介质条件。双相不锈钢可能会发生应力腐蚀断裂的环境条件如42%的沸腾氯化镁溶液试验,金属处于高温并暴露于加压含水氯化物系统的液滴蒸发试验(系统中的温度可能高于常压下的温度)。

           图10给出了若干轧制退火的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在苛刻的氯化物介质中的相对耐氯化物应力腐蚀断裂性能。得出这些数据的液滴蒸发试验腐蚀条件很苛刻,因为试验温度为120℃(248℉)的高温,并且氯化物溶液由于蒸发而浓缩。试验中三种双相不锈钢UNS S32101、2205和2507终在所受应力达到其屈服强度的某一百分比时发生断裂,但这一百分数比316不锈钢相应的百分比值高得多。由于双相钢在常压下的氯化物水溶液中能够耐应力腐蚀断裂,例如耐保温层下的腐蚀,所以在已知304和316不锈钢会发生断裂的氯化物介质中,可以考虑使用双相不锈钢。


    图10:轧制退火的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在120°C (248°F)氯化钠溶液液滴蒸发试验中的耐应力腐蚀断裂性能(造成断裂的应力以屈服强度的百分数表示)
    来源:Outokumpu

    表4总结了在不同腐蚀程度的各类试验介质中,几种不锈钢的氯化物应力腐蚀断裂行为。表的上部所列介质由于含有酸性盐而条件苛刻,表的下部由于温度高而条件苛刻。表中间的介质条件不那么苛刻。钼含量小于4%的标准奥氏体不锈钢在所有这些条件下均发生氯化物应力腐蚀断裂,而双相不锈钢能够耐受上述中间范围的中等试验条件。


    表4:未焊接双相不锈钢和奥氏体不锈钢在实验室加速试验中耐应力腐蚀断裂性能比较 (来源:各种文献资料)

           耐氢致应力腐蚀受多种因素影响,不仅与铁素体含量有关,而且与强度、温度、充氢条件、外加应力等有关。双相不锈钢尽管对氢致开裂敏感,但只要仔细评估和控制操作条件,在含氢介质中仍可以利用其强度优势。这些应用中突出的是输送弱酸气体和盐水混合物的高强度管道。图11说明了2205双相不锈钢在含氯化钠的酸性介质中不发生腐蚀和易发生腐蚀的条件范围。


    图11:2205双相不锈钢在20%NaCl – H2S介质中腐蚀的电化学预测和实验结果


    双相不锈钢的化学成分

           一般认为,双相不锈钢中铁素体相与奥氏体相的比例为30%~70%时,可以获得良好的性能。但双相不锈钢常常被认为是铁素体和奥氏体大致各占一半,在目前的商品化生产中,为了获得佳的韧性和加工特性,倾向于奥氏体的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是铬、钼、氮和镍之间的相互作用是非常复杂的。为了获得稳定的有利于加工和制造的双相组织,必须注意使每种元素有适当的含量。

             除了相平衡以外,有关双相不锈钢及其化学组成的第二个主要问题是温度升高时有害金属间相的形成。σ相和χ相在高铬、高钼不锈钢中形成,并优先在铁素体相内析出。氮的添加大大延迟了这些相的形成。因此在固溶体中保持足够量的氮非常重要。随着双相不锈钢制造经验的增加,人们越来越认识到控制较窄的成分范围的重要性(公众号:泵管家)。2205双相不锈钢(UNS S31803,表1)初设定的成分范围过宽,经验表明,为了得到佳的耐腐蚀性能及避免金属间相的形成,S31803的铬、钼和氮含量应保持在含量范围的中上限,由此引出了成分范围较窄的改进型2205双相钢UNS S32205(表H)。S32205的成分就是今天商品化的2205双相不锈钢的典型成分。在本文中,除非另有说明,通常2205指的就是S32205。

    表H  锻轧和铸造双相不锈钢的化学成分*(重量%)



    合金元素的作用


    以下简单介绍几个重要的合金元素对双相不锈钢的力学性能、物理性能和腐蚀特性的影响。

    铬:
    钢中铬含量必须不低于10.5%才能形成稳定的含铬钝化膜,保护钢不受大气腐蚀。不锈钢的耐腐蚀性能随铬含量的增加而增加。铬是铁素体形成元素,钢中加铬可促使体心立方结构的铁素体形成。钢中铬含量较高时,需要加入更多的镍才能形成奥氏体或双相(铁素体-奥氏体)组织。较高的铬量也能促进金属间相的形成。奥氏体不锈钢铬含量至少为16%,双相不锈钢铬含量至少为20%。铬还能增加钢在高温下的抗氧化能力,铬的这一作用很重要,它影响热处理或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。双相不锈钢的酸洗和去除回火色要比奥氏体不锈钢困难。

    钼:
    钼能提高不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的能力。当不锈钢中铬含量至少为18%时,钼在氯离子环境中耐点蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍。钼是铁素体形成元素,同时也增大了不锈钢形成金属间相的倾向。因此,奥氏体不锈钢的钼含量通常小于约7.5%,双相不锈钢的钼含量小于4%。

    氮:
    氮提高奥氏体和双相不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力,它还能显著地提高钢的强度。事实上它是有效的固溶强化元素和低成本合金元素。含氮双相不锈钢韧性的改善得益于其较高的奥氏体含量和较少的金属间相。氮没有阻止金属间相的析出,但可推迟金属间相的形成,使得有足够的时间进行双相不锈钢的加工和制造。氮被添加到铬和钼含量高的高耐蚀性奥氏体和双相不锈钢中,以抵消它们形成σ相的倾向。

    氮是强奥氏体形成元素,在奥氏体不锈钢中能代替部分镍。氮可降低层错能并提高奥氏体的加工硬化率。

    它还通过固溶强化提高了奥氏体的强度。双相不锈钢一般都添加氮并调整镍含量以达到适当的相平衡。铁素体形成元素铬和钼与奥氏体形成元素镍和氮相互平衡才能获得双相组织。

    镍:
    镍是稳定奥氏体的元素,镍促使不锈钢的晶体结构从体心立方结构(铁素体)转化为面心立方结构(奥氏体)。铁素体不锈钢含极少的镍或不含镍,双相不锈钢含镍量为低至中等,如1.5%~7%,300系奥氏体不锈钢至少含有6%的镍(见图1、2)。添加镍延缓了奥氏体不锈钢中有害金属间相的形成,但是在双相不锈钢中镍的延缓作用远不如氮有效。面心立方结构使奥氏体不锈钢具有极佳的韧性。双相不锈钢中有近一半是奥氏体组织,因此双相钢的韧性比铁素体不锈钢显著提高。 

    

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