奧氏體不銹鋼耐蝕性的研究進展

奧氏體不銹鋼耐蝕性的研究進展

1我國所研究的不銹鋼力學性能在羅氏不銹鋼的開發(fā)和后續(xù)方案的合理選擇中，一個問題總是包括一個問題。這就是為什么這種鋼的強度？在力學方面，一般鋼制造商、買方和用戶只關(guān)注三項指標，即屈服強度、阻力和伸長率。圖1給出了工業(yè)生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼的相關(guān)力學性能。由于這些數(shù)據(jù)經(jīng)常在產(chǎn)品目錄和參考書中見到,因此被認為是對相應(yīng)牌號鋼的準確描述。然而,即便是在完全再結(jié)晶狀態(tài)下,同一化學成分的鋼的力學性能也會有很大不同,如圖2～7所示。由于圖2所示合金采用了Ti穩(wěn)定化,故該鋼中不存在大量固溶態(tài)的碳或氮。因此,屈服強度線和抗拉強度線與縱坐標軸的交點R0(180MPa)和Ru(510MPa)分別對應(yīng)著無間隙原子時的屈服強度和抗拉強度。將其與另一種間隙原子含量很高的鋼(如圖3所示)相比較可以發(fā)現(xiàn),該鋼的屈服強度和抗拉強度要高很多,分別為530MPa和930MPa。至此可以得到一個非常清晰的結(jié)論:奧氏體不銹鋼的屈服強度、抗拉強度和延伸率在極大程度上取決于晶粒度和固溶間隙原子含量。因此,在合金開發(fā)過程中,想要獲得一種特定力學性能的材料,就需要仔細考慮這兩方面的綜合影響以及單一方面的影響。如果出于合金成本和耐蝕性考慮而設(shè)計或選擇某種不銹鋼,合金成分無法調(diào)整,此時仍然可以通過調(diào)整晶粒度來調(diào)整力學性能。下面將通過大量新近工業(yè)生產(chǎn)的奧氏體不銹鋼來說明這一點。由圖4可以明顯看出,隨著晶粒度的不同,1.3820鋼完全再結(jié)晶狀態(tài)下的屈服強度在400MPa和500MPa間變化,抗拉強度在800MPa和1000MPa間變化。隨著(C+N)含量的降低,屈服強度線和抗拉強度線的起始點(與強度軸的交點)和斜率顯著降低。圖5、圖6和圖7分別給出了兩種廣泛使用的低鎳奧氏體不銹鋼以及一種最近開發(fā)的新鋼種,其強度都遠低于高氮鋼(圖3、4)。從上面的比較可以看出,與(C+N)含量相比,鎳含量和鉻含量對力學性能的影響和晶界強化效果可以忽略不計。2間隙元素含量對固溶強化和晶界強化的影響除上述合金外,還研究了大量其他奧氏體不銹鋼的合金成分對固溶強化和晶界強化的影響,結(jié)果如圖8和圖9所示?？梢钥闯?盡管存在一定的離散度,但趨勢是明顯的,即間隙元素(C+N)的含量對固溶強化和晶界強化都有決定性的影響。固溶強化方面的結(jié)果如圖8所示。圖中圓點代表外推到晶粒無限大狀態(tài)下合金的屈服強度。其中空心點代表過去十年間測試的合金,實心點代表最新測試的工業(yè)生產(chǎn)的低鎳奧氏體不銹鋼。當面心立方合金外推到晶粒無限大的狀態(tài)時,圖8中的R0計算方程比較準確地定量描述了環(huán)境溫度下(C+N)含量對固溶強化的影響,盡管仍存在一定的離散度。同理可以得到與抗拉強度相關(guān)的Ru方程,如圖8所示。3晶粒尺寸的考慮圖2～7中直線的斜率代表了大量奧氏體不銹鋼的晶界強化效果。圖9對這些斜率值進行了總結(jié)歸納。可以看出,固溶的(C+N)含量決定了晶界強化的效果。因此,晶粒細小的高氮奧氏體不銹鋼在完全再結(jié)晶的情況下可以獲得極高的屈服強度。圖9的離散度有些偏大,這可能是由于不同的研究團隊計算晶粒尺寸的方法不同。目前筆者正在研究如何消除這些差異。盡管如此,圖9所示的趨勢仍就非常清晰和顯著,幾乎無需修正。圖8和圖9都表明鋼鐵生產(chǎn)商僅通過控制奧氏體不銹鋼中間隙元素(C+N)的含量和晶粒尺寸就可以在很大的強度范圍內(nèi)獲得滿意的材料。而這種強度范圍還遠沒有得到充分拓展,尤其是對于工業(yè)生產(chǎn)的高強度不銹鋼而言。從高強度需求角度考慮,高科技能否進一步發(fā)展可能取決于此。從低強度高塑性等角度考慮,例如在深沖應(yīng)用方面,低鎳奧氏體合金能否更廣泛應(yīng)用也可能取決于對晶粒尺寸的合理控制。4顯著的關(guān)系式很久以前人們就知道:(C+N)含量越高,韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高,因此含氮1.0%的奧氏體不銹鋼在環(huán)境溫度下就會很脆。這也就說明此類鋼中有益的(C+N)含量存在上限。最近的研究也證實了這一點,如圖10和圖11所示。從圖11可以明顯看出4項近期研究結(jié)果同樣滿足從圖10中數(shù)據(jù)歸納出的關(guān)系式(圖5～8)。因此,可以說圖10中的方程能夠很好地預(yù)測韌脆轉(zhuǎn)變溫度。這可能也意味著Cr、Mn、Ni等其他合金元素對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響微乎其微。然而,溫度和(C+N)含量較低時該方程不適用。從圖11中的三角形數(shù)據(jù)點(代表一種高鎳奧氏體不銹鋼)的位置就可以看出這一點。這種差異與很低溫度下鎳對塑性的積極作用是分不開的。但是,當(C+N)質(zhì)量分數(shù)在0.8%以上時,鎳將不會降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,也就不會提高塑性。5雙相鋼的臨界對接比選測量不銹鋼耐縫隙腐蝕能力的方法之一是測量材料在6%FeCl3水溶液下暴露24h時縫隙腐蝕發(fā)生的最低溫度。圖12總結(jié)了大量奧氏體不銹鋼的此類數(shù)據(jù),橫坐標是用MARC關(guān)系式表示的合金含量。圖12中各種奧氏體不銹鋼的實驗數(shù)據(jù)與圖中所示關(guān)系式十分吻合。另外,該式同樣也可以非常準確地預(yù)測雙相鋼的耐臨界縫隙腐蝕能力,如圖13所示。從圖13可以看出,雙相鋼的臨界縫隙腐蝕溫度完全符合圖12所示的奧氏體不銹鋼的關(guān)系式。這一結(jié)論在幾年前就公布了。2009年,兩種新雙相鋼2207和3207隆重問世,其臨界縫隙腐蝕溫度也完全符合筆者得到的關(guān)系式(圖13)。這有兩方面意義:一是說明這兩種雙相鋼的耐臨界縫隙腐蝕能力確實比其他雙相鋼更好;二是說明我們的關(guān)系式可以用來準確預(yù)測新開發(fā)不銹鋼的耐蝕性。6不銹鋼的相對耐蝕性主要在造林點蝕電位常常用來表征不銹鋼的耐蝕性。但是,不銹鋼在實際使用環(huán)境下的耐蝕性也是需要知道的。地球上最普遍的環(huán)境之一便是海洋大氣環(huán)境。為此,開展了一項長期實驗項目:測量多種不銹鋼在海洋大氣環(huán)境下的腐蝕失重。本文中的一些結(jié)果是實驗進行兩年后得到的。只要有了新鋼種,就會把它加入這項長期實驗項目中,因此希望能有更多的鋼鐵生產(chǎn)商和用戶提供樣品,納入該項非贏利的中立研究中來。今后每年都將公布不銹鋼相對耐蝕性的對比實驗結(jié)果,并使其更加準確可靠。圖14給出了筆者收集的大量有關(guān)鐵素體、奧氏體和雙相不銹鋼在海洋大氣環(huán)境下失重和海水中點蝕電位的數(shù)據(jù)。通過圖14中的線性標尺可以看到,對于耐蝕性最差的兩種含12%Cr的不銹鋼410和409來說,其點蝕電位和失重間存在一種讓人滿意的相關(guān)性,但我們沒有就此滿足。由于分散度較大,使得我們沒有把握能夠根據(jù)耐蝕性上的微小差異來評判兩種差異微小的鋼。但是,隨著時間的積累,每過一年海洋大氣環(huán)境下的腐蝕失重對比就會更加明顯,結(jié)果也就更加可信。同時,還委托其他實驗機構(gòu)進行點蝕電位的測定,以便將來能夠測量不銹鋼耐蝕性的細微差異,并保證結(jié)果的一致性和重現(xiàn)性。要識別這些細微差異,必須使用對數(shù)坐標(圖15),特別是未來幾年里測量失重率很低的高合金奧氏體和雙相不銹鋼的失重更是如此。從圖15的離散度可以看出,用MARC關(guān)系式來描述不同類型不銹鋼的耐蝕性是個不錯的選擇。但是我們承認單獨根據(jù)合金成分來預(yù)測商品不銹鋼的耐蝕性是遠遠不夠的,鋼中的雜質(zhì)、夾雜物和組織也會有不同程度的影響。因此,除了實驗室測試和利用關(guān)系式預(yù)測這兩種方法外,對比工業(yè)生產(chǎn)不銹鋼在海洋大