工程材料──双相不锈钢

LIU1018

工程材料──双相不锈钢

    近年来，对冷热轧不锈钢结构的设计要求更加严格。因为碳素钢在桥梁以及普通和极为恶劣的环境下的建筑中的使用寿命有限，尽管不锈钢成本更高，但由于其在火灾、地震灾害中的优越性能，可替代碳素结构钢作为建筑结构用材。
    概述
    双相不锈钢是不锈钢种之一，因组织中铁素体和奥氏体相大约各占一半而得名。这样的双相组织使得铁素体和奥氏体晶粒均显著细化。由于铁素体的存在，使得双相钢的强度是普通奥氏体钢的两倍，它很好地结合了奥氏体和铁素体不锈钢的优点。各相的百分比取决于化学成分和热处理制度，主要合金元素是铬和镍。兼具奥氏体不锈钢的高韧性、可焊接性以及铁素体不锈钢的高强度、耐腐蚀性和抗应力腐蚀性。镍含量只有普通奥氏体不锈钢的一半，因此价格较便宜，且受镍价格影响较小。由于铬含量高，抗氢致裂纹腐蚀及氯化物应力腐蚀性优良。同时，由于是双相混合组织，也减少了晶间腐蚀的可能性，在焊接凝固过程中不易出现裂纹。为了确保各合金元素的最佳配比，适当增加铬和钼的含量，与双相钢的优良性能相权衡，这些成本是很少的。
    双相不锈钢的得名是因为含有铁素体和奥氏体双相组织。双相钢显微组织如图1所示：奥氏体相（黄色）呈岛状分布于铁素体（蓝色）基体中。双相不锈钢加热熔融过程中，由液相转变为完全的铁素体组织。当冷却至室温后，约有一半的铁素体晶粒转变为奥氏体晶粒（如小岛形成），最后得到的组织中奥氏体和铁素体百分数各占50%。
    尽管双相不锈钢进行商业化开发很多年，由于其良好的热加工性、低韧性以及焊接和热处理后不易发生晶间腐蚀的性能，近年来得到了广泛的应用。然而，随着氩气氧气脱碳法（AOD）和其它不锈钢熔炼精炼工艺的发展，现在的问题是要从实际出发密切控制其化学成分及足以消除敏感性的最低含碳量。另外，固氮（奥氏体稳定元素）使进一步提高强度和耐腐蚀性成为可能，氮元素也能减少焊接过程中的消极影响。表1是常用双相和奥氏体不锈钢的化学成分。SAF2205因其优良的耐腐蚀性和高强度，是使用最广泛的双相不锈钢。由于高温脆性微量成分的析出，SAF2205一般使用温度不高于300℃；低温会发生韧脆性转变一般使用温度不低于-50℃。
   
                     表1 常用双相和奥氏体不锈钢的化学成分
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             USNP牌号       合金牌号           化学成分,Wt%         
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                                         C     Cr   Ni    Mo    N   PREN*
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     双相不锈钢   S32304     SAF2304   0.03   23    4.5    -   0.1   25
                  S31803     SAF2205   0.03   22    5.0   3.2 0.18   35
                  S32750     SAF2507   0.03   25    7.0   4.0  0.3   43
     奥氏体不锈钢 S30403     304L      0.03   18    8.0    -   0.1   20
                  S31603     316L      0.03   16   11.0   2.0  0.1   24
                  S31703     317L      0.03   18   11.0   3.0  0.1   30
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    PREN*:点蚀电位当量值=%Cr+3.3%MO+16%N
   
    双相不锈钢性能
    双相不锈钢具有以下理想性能：
    1) 强度
    双相不锈钢的强度是普通奥氏体和铁素体不锈钢的两倍，拉伸和屈服强度一般也更高，但是韧性较奥氏体不锈钢差一些。
    2) 韧性和塑性
    双相不锈钢韧性和塑性优于铁素体不锈钢，但不如奥氏体不锈钢。
    3) 切削性
    低速、常规喂料速度条件下，双相不锈钢加工硬化趋势最小，韧性优于304、316不锈钢，加工时会有长条切屑出现，最好使用断屑器进行处理。
    4) 成型性，焊接性和热加工性
    由于双相不锈钢的屈服强度高于300系列不锈钢，故初始成型压力也更高。低塑性使得成型困难，一般采用热加工成型方法。加工后通常热处理加热到950～1100℃快冷，采用完全退火处理可获得最佳性能。
    5) 耐腐蚀性
    耐腐蚀性主要取决于不锈钢的化学成分。铬用于抗氢致裂纹腐蚀。不锈钢中的铬、钼和氮含量尤为重要，双相不锈钢的含量范围和奥氏体不锈钢相当（如304或316到SAF2507—6%Mo不锈钢）
    6) 抗应力腐蚀裂纹性
    双相奥氏体不锈钢具有良好的抗应力腐蚀裂纹能力，这是由于存在铁素体的缘故。对于标准奥氏体不锈钢（如304、316），在某些环境中如氯化物腐蚀，空气潮湿，高温条件下，应力腐蚀裂纹是个问题。
    相关的成本因素
    在相应的耐腐蚀性条件下，双相不锈钢的镍钼含量较奥氏体不锈钢要低。由于合金含量更低，双相钢的成本较低，特别是合金附加费高的条件下。另外，与奥氏体不锈钢相比，由于屈服强度的提高使双相钢的厚度减少成为可能。这样的结合，既减少了成本也减轻了重量。对于任何降低材料成本而不降低性能的可行方法都是人们关注的问题。双相不锈钢较单相更能有效地节省成本，与其它在腐蚀性条件下使用的材料相比成本要低。与300系列不锈钢相比，双相不锈钢也更节省成本，方式有所不同，它的屈服强度是300系列不锈钢的两倍，即承受同等载荷的条件下可以使钢材厚度减薄。由于双相不锈钢更容易加工和焊接，其制造成本较其它材料更低。当焊接高镍合金时，推荐使用小的初封底焊缝和低的热量输入。而双相不锈钢一般都采用更高的热量输入和轻微摆动焊接。双相不锈钢中的铁素体含量使焊接时更易熔合，这就节省了焊接时间。
    双相不锈钢的切削行进速度与316高速工具不锈钢相当，较高镍不锈钢其切削加工时间更短。除非在极为恶劣的腐蚀性环境下，双相不锈钢的焊芯和焊接气体消耗也较少。
    双相不锈钢的变型不是很复杂。它的弯曲和轧制成型可以采用和3525kg/sq.cm屈服强度的材料相同的方法进行。传统的轧机和模具可以制成各种形状的部件，这就减少了购买特制轧机和模具的额外成本。为了防止碳元素的进入，对轧机和模具唯一的要求是硬度至少为34RHC。
    寿命周期成本
    寿命周期成本分析（LCC）是从经济有效的角度选择材料作为最终产品，还是使用部件的定量分析方法之一。传统意义上选择用材总偏向于选择便宜的价格，而现在这可能不是最经济的选择方法，因为考虑到由于安装、常规维护和周期替代品而出现的实际成本，材料的寿命可能比产品或部件要求的短。进一步考虑到工厂、加工厂的设备安装耗时（设备未按期安装费时），对每种选材的成本控制要考虑时间成本。许多工厂的这项时间消耗成本远超过其它成本，必须考虑到寿命周期成本预算中。一般条件下，总寿命周期成本（LCC）分为以下几个组成部分：
    LCC=购置成本+生产和安装成本+维护成本（定期）+更换成本（定期）+生产损耗成本（定期）+剩余（报废）价值
    要得到计算的实际结果必须了解各术语的含义。
    例如，使用电脑软件对长方形混合罐进行LCC分析。要求它的使用寿命是20年，同时要符合水处理厂的其它组件要求。
    该设计主要评估三种备选材料：
    ——带纤维玻璃内层的低碳钢
    ——304型奥氏体不锈钢
    ——2205型双相不锈钢
    由于在罐的角槽部件使用要求不是必须用2205型钢，这些部件可以用304型替代；这些部件一般不接触腐蚀性气氛，因此腐蚀问题不必考虑。
    经实践证明304和2205型不锈钢在不更换前可使用整20年，而低碳钢不更换前只能使用8年。另外，不锈钢的常规维护只需做简单的检查清洗即可，而低碳钢部件及其内衬的修补相当昂贵。
    LCC分析表明：304型不锈钢成本最低，然后是2205型不锈钢，而低碳钢部件成本由于维护及更换成本较高，当属最高。到了寿命周期末期，不锈钢不能使用时能回收再利用制造新不锈钢，也就是说，不锈钢的残余价值较低碳钢更高。
    选材依据
    不锈钢种的选择要考虑以下具体的应用特性：
    ●抗腐蚀性；
    ●抗氧化硫化性；
    ●室温及工作温度强度韧性；
    ●与加工制造技术相适应性；
    ●与清洁处理相适应性；
    ●工作稳定性；
    ●韧性；
    ●耐磨损，耐腐蚀性；
    ●表面光洁度或反射率；
    ●加工尺寸稳定性。
    不锈钢最重要的特性是耐腐蚀性。在精炼石化工业中含冷却水及其它介质的氯化物是很常见的腐蚀性物质。如果材料选择不合适，即便是活跃氯离子的浓度很低也能使材料很快时效。双相不锈钢可以在50～300℃温度范围内很多的腐蚀性环境中使用。其铬和钼含量较奥氏体不锈钢高。由于钼含量高，因此具有良好的耐氯化物腐蚀性及抗裂纹性。在高温条件下，环境中一点微小的变化似乎都能引起材料的剥落，碳化及硫化。
    双相不锈钢比常用奥氏体不锈钢强度更高。许多设计利用高强度可从经济上减少板带材的厚度。因为双相不锈钢的韧性较铁素体不锈钢更好。
    双相不锈钢主要优点：
    高强度，重量轻，可降低制造成本，可作为高强结构件；
    与标准不锈钢（304L/316L）相比，耐腐蚀性好，尤其是抗应力腐蚀裂纹的产生，因此使用寿命更长。
    双相不锈钢缺点：
    焊接不是很难，但是要保证双相平衡焊接时必须控制好热量输入及过程温度控制。否则，双相不锈钢的优点就得不到体现。还要控制好700～980℃温度时的停留时间，热影响区（HAZ）时间是控制金属中间相的关键因素。
    另外，轧制弯曲加工成型性不好，双相不锈钢的拉伸、屈服强度和加工硬化性使得加工时加工件回弹，甚至要重新加工。当然并不是总这样，但在厚度超过20mm的加工件中很常见。
    每种材料都有其优缺点，采用不同的方法可以克服相应的缺点。总之，双相不锈钢材料的优点使其在日益增长的材料种类中表现突出。
    应用范围
    不锈钢常用于化工环境中，这不仅是因为可以直接作为用材，消除少量的污染物，还因为不锈钢易清洁。由于其具有良好的机械加工性和耐腐蚀性，应用范围很广。
    双相不锈钢强度是传统奥氏体不锈钢的两倍，耐腐蚀性也更好。由于这些优点，近来考虑其作为输气（干湿性二氧化碳气体、酸性气体）输油管道用材应用于石油天然气工业。还可应用于化学、电力及其它行业，用来制造无缝钢管，一般是要用作热交换器，输送热盐水，以及输送含各种有机、无机化学物质的氯化物的冷却水。
    双相不锈钢经常用于石油精炼热交换器。最典型的是用于防止含输送蒸汽、冷却水或沉积物的氯化物而引起的应力腐蚀裂纹的产生和局部腐蚀的发生，具有良好的耐化合物腐蚀性，如硫化氢，硫酸，环烷酸，胺类及硫酸铵，还可用于因这些化合物引起腐蚀的环境中。
    双相不锈钢还应用于加工过程中发生腐蚀的情况，很多工厂在处理含氯化物的冷却水时候，其腐蚀性比实际加工过程中更严重。在这种情况下双相不锈钢完全可以发挥出优势。
    双相不锈钢的高温机械加工性能好，可以减轻重量。由于具有良好的腐蚀性能，双相不锈钢可以在裸露的外界环境中（如桥梁、浸海建筑等等）长期服役。由于双相不锈钢具有高强度，良好的塑性韧性，与碳钢铁素体不锈钢相比韧脆性转变更慢，因此具有良好的低温（-40℃）韧性。
    SAF2507/UNS S32750超级双相不锈钢具有高强度及优良的耐腐蚀性，特别用于脱盐厂的部件，海水冷处理厂的热交换器，海洋中导出管的驱动轴，造纸厂的容器罐及石化输送管等。总之，双相不锈钢材料将是优良的工程应用材料。

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长见识了，学到了很多双相钢的知识，多谢分享。

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唐山

了解了,学习了,谢谢分享