雙相不銹鋼在水泵材料屬于高檔材料，常見的工況是海水應(yīng)用，雙相鋼的作用也僅限知道它的耐腐蝕作用，但對于具體細(xì)化哪4個方面的耐腐蝕，大部分都說不清楚，更重要的是為了更好對雙相鋼加工和焊接，還需要了解它的力學(xué)性能、化學(xué)成分，合成元素的作用。
 
下面先了解下雙相鋼的化學(xué)成分和合成元素的作用。
 

1.雙相不銹鋼的化學(xué)成分

一般認(rèn)為，雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30％～70%時，可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼常常被認(rèn)為是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產(chǎn)中，為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常復(fù)雜的。為了獲得穩(wěn)定的有利于加工和制造的雙相組織，必須注意使每種元素有適當(dāng)?shù)暮俊?br /> 
 
 
除了相平衡以外，有關(guān)雙相不銹鋼及其化學(xué)組成的第二個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。σ相和χ相在高鉻、高鉬不銹鋼中形成，并優(yōu)先在鐵素體相內(nèi)析出。氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不銹鋼制造經(jīng)驗的增加，人們越來越認(rèn)識到控制較窄的成分范圍的重要性(公眾號:泵管家)。2205雙相不銹鋼（UNS S31803，表1）最初設(shè)定的成分范圍過寬，經(jīng)驗表明，為了得到最佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803的鉻、鉬和氮含量應(yīng)保持在含量范圍的中上限，由此引出了成分范圍較窄的改進(jìn)型2205雙相鋼UNS S32205（表H）。S32205的成分就是今天商品化的2205雙相不銹鋼的典型成分。在本文中，除非另有說明，通常2205指的就是S32205。



 

2.合金元素的作用

 以下簡單介紹幾個最重要的合金元素對雙相不銹鋼的力學(xué)性能、物理性能和腐蝕特性的影響。
 
鉻：
鋼中鉻含量必須不低于10.5％才能形成穩(wěn)定的含鉻鈍化膜，保護(hù)鋼不受大氣腐蝕。不銹鋼的耐腐蝕性能隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻可促使體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時，需要加入更多的鎳才能形成奧氏體或雙相（鐵素體－奧氏體）組織。較高的鉻量也能促進(jìn)金屬間相的形成。奧氏體不銹鋼鉻含量至少為16％，雙相不銹鋼鉻含量至少為20％。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力，鉻的這一作用很重要，它影響熱處理或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不銹鋼困難。
 
鉬：
鉬能提高不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕的能力。當(dāng)不銹鋼中鉻含量至少為18％時，鉬在氯離子環(huán)境中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素，同時也增大了不銹鋼形成金屬間相的傾向。因此，奧氏體不銹鋼的鉬含量通常小于約7.5％，雙相不銹鋼的鉬含量小于4％。
 
氮：
氮提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，它還能顯著地提高鋼的強度。事實上它是最有效的固溶強化元素和低成本合金元素。含氮雙相不銹鋼韌性的改善得益于其較高的奧氏體含量和較少的金屬間相。氮沒有阻止金屬間相的析出，但可推遲金屬間相的形成，使得有足夠的時間進(jìn)行雙相不銹鋼的加工和制造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不銹鋼中，以抵消它們形成σ相的傾向。
 
氮是強奧氏體形成元素，在奧氏體不銹鋼中能代替部分鎳。氮可降低層錯能并提高奧氏體的加工硬化率。
 
它還通過固溶強化提高了奧氏體的強度。雙相不銹鋼一般都添加氮并調(diào)整鎳含量以達(dá)到適當(dāng)?shù)南嗥胶?。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相互平衡才能獲得雙相組織。
 
鎳：
鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素，鎳促使不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)從體心立方結(jié)構(gòu)（鐵素體）轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)（奧氏體）。鐵素體不銹鋼含極少的鎳或不含鎳，雙相不銹鋼含鎳量為低至中等，如1.5%～7％，300系奧氏體不銹鋼至少含有6％的鎳（見圖1、2）。添加鎳延緩了奧氏體不銹鋼中有害金屬間相的形成，但是在雙相不銹鋼中鎳的延緩作用遠(yuǎn)不如氮有效。面心立方結(jié)構(gòu)使奧氏體不銹鋼具有極佳的韌性。雙相不銹鋼中有近一半是奧氏體組織，因此雙相鋼的韌性比鐵素體不銹鋼顯著提高。



 

3.雙相不銹鋼力學(xué)性能

 1）高強度：雙相不銹鋼力學(xué)性能優(yōu)異，標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼牌號的力學(xué)性能見表A。它們在固溶退火狀態(tài)下的室溫屈服強度是未添加氮的標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的兩倍多，這樣設(shè)計師在某些應(yīng)用中就可減小壁厚 。圖B比較了室溫到300℃ (570℉) 溫度區(qū)間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼屈服強度。由于鐵素體相有475℃ (885℉) 脆性的危險，所以雙相不銹鋼不應(yīng)長時間用于溫度高于壓力容器設(shè)計規(guī)范規(guī)定的條件 (見表2)。
 


 
 
 

 
鍛軋雙相不銹鋼的力學(xué)性能是高度各向異性的，即性能隨測試樣品的方向而變化。這種各向異性是由拉長了的晶粒和熱軋或冷軋產(chǎn)生的晶體織構(gòu)造成的 (見圖2)。盡管雙相不銹鋼的凝固組織通常是各向同性的，但它經(jīng)過軋制或鍛造及后續(xù)的退火，組織中存在兩相。最終產(chǎn)品兩相的形貌揭示出加工的方向性，雙相不銹鋼垂直于軋制方向的強度比沿軋制方向的強度高。沖擊試樣的缺口垂直于軋制方向時的沖擊韌性高于沿軋制方向時。試樣“縱向” (L－T) 夏比沖擊試樣測得的韌性高于其他方向的試驗結(jié)果。一個雙相不銹鋼板橫向試樣的沖擊功一般相當(dāng)于一個縱向試樣的1/2至2/3。
 
 
普拉德霍灣垂直支撐架上24英寸2205雙相不銹鋼保溫管道的安裝@ Arco Exploration and Production Tecnnology
 
 
2）良好的韌性和延展性：
 
盡管雙相不銹鋼強度高，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。
 

但是雙相不銹鋼的韌性和塑性通常比奧氏體不銹鋼差。奧氏體不銹鋼一般沒有塑性－脆性轉(zhuǎn)變，在低至深冷溫度的條件下仍保持優(yōu)異的韌性。表D給出了標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼在拉伸試驗中最小延伸率的比較。


 
盡管雙相不銹鋼的高屈服強度允許厚度減薄，但由于彎曲和楊氏模量的限制，在制造過程中也會帶來困難。由于雙相不銹鋼強度較高，其變形需要更大的外力，因此在彎曲操作中的回彈比奧氏體不銹鋼要大，兩種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼回彈的比較見圖C。雙相不銹鋼的延展性比奧氏體不銹鋼差，為避免斷裂需要增加彎曲半徑。
 
 

 
由于雙相不銹鋼較高的硬度和高加工硬化率，與標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼相比，它降低了機加工操作中工具的壽命或需要更多的機加工次數(shù)。在成型或彎曲操作之間可能需要退火，因為雙相不銹鋼的延展性差不多是奧氏體不銹鋼的一半。冷加工對2205雙相不銹鋼力學(xué)性能的影響見圖E。
 

 

4. 耐腐蝕性能

 在絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼應(yīng)用的環(huán)境中，雙相不銹鋼都顯示出很高的耐腐蝕性能，值得注意的是它們在某些情況下具有非常明顯的優(yōu)勢，這是由于它們含鉻量高，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。
 
雙相不銹鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量也使它們具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能(公眾號:泵管家)，其雙相結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境是一個優(yōu)勢。
 
如果雙相不銹鋼的顯微組織中含有至少30％的鐵素體，則其耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的性能遠(yuǎn)比奧氏體不銹鋼304或316好。但鐵素體對氫脆敏感，因此在氫有可能進(jìn)入金屬、導(dǎo)致氫脆的環(huán)境或應(yīng)用中，雙相不銹鋼不具備較高的耐蝕性。
 
 
1）耐酸腐蝕性能
 
為了說明雙相不銹鋼在強酸溶液中的耐腐蝕性能，圖G給出了在硫酸溶液中的腐蝕數(shù)據(jù)。介質(zhì)條件從低酸濃度的弱還原性環(huán)境到高濃度的氧化性環(huán)境及中等濃度熱溶液的強還原性環(huán)境。
 
2205和2507雙相不銹鋼在酸濃度最大約15％的溶液中，性能優(yōu)于許多高鎳奧氏體不銹鋼；在酸濃度至少為40％的范圍內(nèi)，雙相鋼優(yōu)于316或317不銹鋼。雙相不銹鋼在這種含氯化物的氧化性酸中也很有用。
 
雙相不銹鋼的含鎳量不足以耐受中等濃度硫酸溶液或鹽酸的強還原性腐蝕。在還原性環(huán)境有酸濃縮的濕/干界面，腐蝕尤其是鐵素體的腐蝕就會開始并快速進(jìn)展。
 
雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸裝置和強有機酸中優(yōu)良的候選材料。
 
 
 
 雙相不銹鋼海水泵
 
圖H顯示了在沸點溫度下，在50％醋酸和不同含量甲酸的混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕。盡管304和316不銹鋼可用于室溫和中等溫度下的強有機酸介質(zhì)，但2205和其他雙相不銹鋼在許多涉及高溫有機酸的工藝中占優(yōu)勢，而且由于它們耐點蝕和耐應(yīng)力腐蝕，也可用于鹵代烴工藝。
 
2）耐堿腐蝕性能
 
 
雙相不銹鋼的高含鉻量和鐵素體相的存在使其在堿性介質(zhì)中具有良好的性能。在中等溫度下，其腐蝕速度低于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的腐蝕速度。
 
 
膠州灣隧道用超級雙相不銹鋼潛水離心泵
 
3）耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能
 
為討論不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的性能，引入臨界點蝕溫度這一概念是有用的。對于某一個氯化物環(huán)境，每個牌號的不銹鋼都可用一個溫度來描述其特征，高于此溫度則點蝕開始產(chǎn)生，并且24小時之內(nèi)可發(fā)展到肉眼可見的程度。低于此溫度則不發(fā)生點蝕。這一溫度即所謂的臨界點蝕溫度（CPT）。它是對特定的不銹鋼牌號和特定環(huán)境的表征。由于點蝕的起始發(fā)生從統(tǒng)計學(xué)上看是隨機的，而且CPT對牌號或產(chǎn)品的微小變化敏感，因此，對于不同牌號的不銹鋼，其CPT通常以一個溫度范圍來表示。然而，采用ASTM G 1501標(biāo)準(zhǔn)介紹的研究方法，有可能通過電化學(xué)測量法來準(zhǔn)確和可靠地測定CPT。
 
縫隙腐蝕常常發(fā)生在接頭墊圈部位，沉積物的下面以及螺栓連接的縫隙處?？p隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度。臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）取決于不銹鋼試樣、氯化物環(huán)境和縫隙的特性（緊密度，長度等）。由于縫隙的幾何形狀以及實際中很難再現(xiàn)同樣縫隙的尺寸，CCT的測量數(shù)據(jù)要比CPT更分散。對于同樣的鋼種和腐蝕環(huán)境，CCT往往比CPT低15～20℃(27～36℉）。
 
雙相不銹鋼的高鉻、鉬和氮含量使其在含水環(huán)境中具有非常好的耐氯離子局部腐蝕的性能。根據(jù)合金含量的不同，某些雙相不銹鋼牌號已躋身于性能最好的不銹鋼之列。由于雙相不銹鋼的鉻含量相對較高，所以具有高耐腐蝕性而且非常經(jīng)濟。
 
 
 圖9給出了按照ASTM G 482（6% FeCl3）測定的固溶退火狀態(tài)下各種不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕性能的比較。材料焊接狀態(tài)下的臨界溫度要低一些。臨界點蝕或縫隙腐蝕溫度越高，則表明材料耐腐蝕起始發(fā)生的能力越高。2205不銹鋼的CPT和CCT都顯著高于316不銹鋼。這使2205鋼成為用途廣泛的材料，適用于因蒸發(fā)導(dǎo)致氯離子濃縮的環(huán)境，例如熱交換器的蒸汽空間或保溫層的下面。2205雙相鋼的CPT還表明它可用在堿水和脫氣鹽水中。它還成功地用于脫氣海水中，在這些應(yīng)用中，通過高流速的海水或用其他方法使鋼的表面沒有沉積物。在苛刻的海水應(yīng)用環(huán)境中，如薄壁熱交換器管，或表面有沉積物或有縫隙時，2205不銹鋼沒有足夠的耐縫隙腐蝕能力。然而，CCT高于2205的高合金化雙相不銹鋼如超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼，已經(jīng)用于許多既要求高強度又要求高耐氯離子腐蝕的苛刻海水條件。盡管超級雙相不銹鋼在較低溫度的海水中不發(fā)生腐蝕，但其在高溫下的應(yīng)用有一定的局限性。特超級雙相不銹鋼更好的耐腐蝕性將雙相不銹鋼的應(yīng)用擴展到強腐蝕性的氯離子環(huán)境如高溫?zé)釒У暮Ｋh(huán)境尤其是存在縫隙的場合。
 
 
因為CPT與材料和特定環(huán)境成函數(shù)關(guān)系，有可能對單一要素的影響進(jìn)行研究。利用按照ASTM G 48 A法確定的CPT，采用回歸分析法得出鋼的成分（每種元素作為一個獨立變量）和測定的CPT（相關(guān)變量）的關(guān)系。結(jié)果顯示只有鉻、鉬、鎢和氮對CPT有穩(wěn)定的影響。關(guān)系式如下：
CPT = 常數(shù) + Cr + 3.3 (Mo + 0.5 W) + 16 N.
式中4個合金元素乘以各自的回歸常數(shù)之和通常被稱為耐點蝕當(dāng)量值（PREN）。不同研究者給出的氮的系數(shù)不同，通常使用16，22和30[8]?？筛鶕?jù)PRE值給某一鋼類的牌號排序，但要注意避免對這一關(guān)系式的過分依賴。式中合金元素為“獨立變量”，但實際并不真正獨立，因為試驗的鋼是平衡成分。這種關(guān)系不是線性或交叉關(guān)系，例如鉻和鉬的協(xié)同作用被忽略。此關(guān)系式假定材料的加工呈理想狀態(tài)，沒有考慮金屬間相、非金屬相以及不當(dāng)?shù)臒崽幚韼淼挠绊懀瑹崽幚聿划?dāng)會對耐蝕性帶來不利影響。
 
 
4）耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能
 
雙相不銹鋼最早期的某些應(yīng)用是基于它們耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）的性能。與具有類似耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學(xué)加工工業(yè)的許多應(yīng)用是代替奧氏體不銹鋼，用于有很大的應(yīng)力腐蝕斷裂危險的場合。
 
然而，和許多材料一樣，雙相不銹鋼在特定條件下也易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。這種情況可能發(fā)生于高溫、含氯化物的環(huán)境或易于促使氫致開裂的介質(zhì)條件。雙相不銹鋼可能會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境條件如42％的沸騰氯化鎂溶液試驗，金屬處于高溫并暴露于加壓含水氯化物系統(tǒng)的液滴蒸發(fā)試驗（系統(tǒng)中的溫度可能高于常壓下的溫度）。
 
圖10給出了若干軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在苛刻的氯化物介質(zhì)中的相對耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能。得出這些數(shù)據(jù)的液滴蒸發(fā)試驗腐蝕條件很苛刻，因為試驗溫度為120℃(248℉)的高溫，并且氯化物溶液由于蒸發(fā)而濃縮。試驗中三種雙相不銹鋼UNS S32101、2205和2507最終在所受應(yīng)力達(dá)到其屈服強度的某一百分比時發(fā)生斷裂，但這一百分?jǐn)?shù)比316不銹鋼相應(yīng)的百分比值高得多。由于雙相鋼在常壓下的氯化物水溶液中能夠耐應(yīng)力腐蝕斷裂，例如耐保溫層下的腐蝕，所以在已知304和316不銹鋼會發(fā)生斷裂的氯化物介質(zhì)中，可以考慮使用雙相不銹鋼。
 
 
 
表4總結(jié)了在不同腐蝕程度的各類試驗介質(zhì)中，幾種不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂行為。表的上部所列介質(zhì)由于含有酸性鹽而條件苛刻，表的下部由于溫度高而條件苛刻。表中間的介質(zhì)條件不那么苛刻。鉬含量小于4%的標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼在所有這些條件下均發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂，而雙相不銹鋼能夠耐受上述中間范圍的中等試驗條件。
 


 
耐氫致應(yīng)力腐蝕受多種因素影響，不僅與鐵素體含量有關(guān)，而且與強度、溫度、充氫條件、外加應(yīng)力等有關(guān)。雙相不銹鋼盡管對氫致開裂敏感，但只要仔細(xì)評估和控制操作條件，在含氫介質(zhì)中仍可以利用其強度優(yōu)勢。這些應(yīng)用中最突出的是輸送弱酸氣體和鹽水混合物的高強度管道。圖11說明了2205雙相不銹鋼在含氯化鈉的酸性介質(zhì)中不發(fā)生腐蝕和易發(fā)生腐蝕的條件范圍。

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