双相不锈钢的制造实用指南(三)

6  最终用户标准规范和质量控制

双相不锈钢制造的标准规范和质量控制方面一个关键的实际问题是焊接后能保留其性能。双相不锈钢原始供货态的成分和工艺必须保证在限定的焊接工艺之后它仍具有良好的性能。

6．1  标准试验要求

①化学成分

选择第二代双相不锈钢的一个适当的依据便是ASTM标准。双相不锈钢中添加氮是有利的，既可以避免热影响区出现过多的铁素体，又可以延缓σ相的形成。双相不锈钢含氮量的上限就是氮在熔融金属中的溶解度，从标准规定的含氮量范围的最大值可以反映出来，但是所列出的最小含氮量不一定反映出最佳焊接所需的含氮量。例如2205双相不锈钢起初的标准S 31803，当含氮量在其允许范围0．08％-0．2％的下限部分时，2205对热处理和焊接的响应不一致，实际经验显示，对于2205双相不锈钢的焊接加工而言，含氮量最小为0．14％是必要的。由于经常要规定这一条件，为了方便需要焊接的最终用户，将2205的S 32205版本引入了双相不锈钢标准。超级双相不锈钢也有较高的含氮量，反映出人们对含氮量重要性的认识。

有一些最终用户所依据的双相不锈钢标准是基于PRE值之间的关系。尽管PRE值在按成分平衡的不同钢种的耐腐蚀性来排列次序时可能是有效的，但为了满足特定的 PRE值而改变成分不一定会获得适当的冶金学平衡。PRE值有助于从列队的钢种中选择其中的一个，但要改变这一钢种的成分可以假定部分铬和钼被氮所替代，从PRE值看没有什么变化，而从冶金学的的角度看，铬和钼促进铁素体相和金属间相的形成，而氮促进奥氏体相的形成，并且抑制金属间的相的形成，铬、钼减少，氮增加实际都达不到相的平衡。

因此，双相不锈钢成分的选择最好根据规范中所列的标准钢种来进行，有可能每一钢种都限制了氮溶解度范围的上限。不论材料的成分如何规定，它都应当与焊接工艺评定所用的材料相同，这样这些评定对于制造才是有意义的。

②固溶处理和淬火

除了化学成分，轧钢厂产品的实际热处理条件对于焊接也是重要的。奥氏体不锈钢固溶的目的是使金属再结晶，让碳溶入熔体中。“L”级的低碳不锈钢可以进行水淬或相对较慢的空气冷却，因为重新形成有害的碳化物需要的时间很长。但对于双相不锈钢而言，即使有理想的含氮量，停留在临界温度范围内几分钟也对其耐腐蚀性和韧性不利。当轧钢厂的产品慢速冷却时，即使采用快速空气冷却，材料通过700―980℃温度范围所需的时间也不适合进一步的加热如焊接，所以允许焊工进行这种热影响区不存在金属间相的焊接时间更短。

尽管ASTM等标准允许某些双相不锈钢水淬或通过其他方法迅速冷却，但焊接的最佳冶金学条件是通过从固溶温度最快速地淬火得到的。空气冷却对于现代薄板卷的生产效率高。但对厚板，水淬可以得到焊接的最佳冶金学条件。在淬火前使板材或组件冷却到700―980℃(1300～1800°F)会导致金属间相的形成。

另一个保证最佳起始条件的方法是要求对轧钢厂的产品进行检验。确保其不存在有害的金属间相。ASTM A 923运用金相检查、冲击试验或腐蚀试验证明不存在达到有害水平的金属间相。这一试验假定轧制产品是快速冷却的并且不考虑沉淀的早期阶段，仅考虑是否已出现了有害的沉淀。此试验类似于用ASTMA 262试验检验奥氏体不锈钢是否存在碳化铬导致的敏化。A 923标准仅包括可锻轧2205(S 31803和S 32205)轧制产品，但将来其他双相不锈钢也可能被纳入。尽管A923清楚地表明这一试验不适用于没有后继固溶处理的焊缝，但很多制造商仍然采用这些试验以及类似的试验，把它们作为焊接工艺评定的一部分，只不过试验温度有所降低、韧性减小或其他条件有变化。

6．2  特殊试验要求

①拉力和硬度试验

相对奥氏体不锈钢而言，双相不锈钢具有高强度，但是偶尔有最终用户的规范规定了强度和硬度的最大值。强度或硬度引入最大值可能是借鉴了马氏体不锈钢的经验，而马氏体不锈钢的高强度和硬度来自于未经回火处理的马氏体。但是双相不锈钢不形成马氏体，双相不锈钢的高强度和高硬度缘于其高的含氮量、双相结构本身、成形和矫直操作中可能发生的加工硬化。

硬度试验是证明制造中没有过度冷加工的有效手段，但当硬度试验用于这一目的时，很重要的一点是测量位置应当介于表面和断面的中心之间，而不是在发生局部硬化和表面硬化的表面上。

②弯曲试验

弯曲试验可以证明轧钢厂的产品没有轧制裂纹，但对于大型材、小轧件和某些几何形状的轧材可能是困难的。弯曲试验不是双相不锈钢质量的一个保守指标，因为弯曲点可能与不合格的情况所在的位置不一致，某些情况如沿轴线的金属间相由于弯曲的方向性未必能被检测出来。弯曲试验一般作为奥氏体不锈钢焊接工艺评定的一部分，因为它有焊缝热裂的危险，特别是对于全奥氏体的焊缝组织。由于双相不锈钢存在铁素体以及较高的导热性和较低的热膨胀性，大大降低了用弯曲试验来检测焊缝缺陷的作用。如果试验位置正好与受影响的区域相吻合，则弯曲试验可以粗略地检测出过多的铁素体，但弯曲试验未必能检测出对耐腐蚀性和韧性有害的少量金属间相的存在。

③冲击试验和金属间相的金相检查用冲击试验来规定材料和评定工艺有两种方式：

●在已知条件下试验，检测不合格的材 料，例如过多的铁素体和金属间相的存在；

●证明某种制造所具有的特性充分满足预计的使用要求。

对于第一种用途，ASTMA 923给出了 2205双相钢的试验方法。标准的纵向夏比 (Charpy)―40°F／C下冲击试验韧性小于 54J，表明轧钢厂固溶产品不合格。为了保证满意的热处理和淬火，作为一种生产控制手段，应当对轧钢厂产品的每一个炉批都要求做A 923方法B试验(或方法C腐蚀试验)。而A 923允许采用金相检查(方法A)作为一种以接受而不是判废为目的的筛选试验。因为方法A的操作要求高水平的金相技术，所以最终用户要求进行纵向夏比冲击试验而不是金相检查是慎重的，声明这一要求的方法是要求报告冲击功。

A 923方法的一个好处是可以确认轴线金属间相，如A 923图4所示。根据方法A的筛选法，轴线金属间相将使材料不合格，但 A923方法B冲击试验的结果不一定是材料被判废。由于这种轴线金属间相可能导致成形、热剪或焊接过程中板材的分层，所以除了方法B或C以外，用户还应当要求进行方法 A的检验，并拒绝任何显示有轴线金属间相的材料。尽管A 923已声明方法A不用于材料的判废，但用户可提出更严格的要求。材料如果呈现出A923图4所示的接近厚度中部的轴线金属间相，则应当被判废。

冲击试验的第二个用途即在比预期的使用条件更苛刻的条件下评价基体金属(母材)、熔合区和热影响区，这可能是一种谨慎和具成本效益的方法。对于焊接的评价，根据焊接类型不同，有规定的试验温度和合格的标准，并IEIE们与使用条件有必然的联系，韧性将不会像固溶处理的双相不锈钢轧制产品那样高。焊缝金属较低的韧性不一定表明存在金属间相，而常常是由于氧含量增高造成的，特别是采用了焊剂保护焊接工艺。

ASME已发布了适用于断面厚度大于 9．5毫米(0．375英寸)的双相不锈钢的新的技术要求，这些要求是在金属最低设计温度 (MDMT)下采用夏比冲击试验，并以侧膨胀作验收标准来证明初始母材和产品焊缝的韧性足以满足未来的设备使用要求。ASME检验与A 923试验的不同之处在于ASME检验要求夏比冲击试验包含三个试样(常用的测量韧性适用方法)，并且要求报告最小值和平均值。

为了节约同时得到谨慎的结果。可以采用两个试验温度中(ASTMA923的―40℃／ F)或ASME标准中的金属最低设计温度)较低的一个，通过测量三个试样的冲击功和侧膨胀来衡量其韧性。

④用金相或磁性测量法测定相平衡

双相不锈钢轧制产品的奥氏体一铁索体相平衡炉号与炉号或批号与批号之间变化很小，这是因为在它们的生产中，化学成分范围控制得很窄，而且有规定明确的固溶操作。一般2205双相钢含有40％一50％的铁素体，由于这个原因，固溶轧制产品相干衡测定其价值有限。

然而，测定铁素体相对于焊接工艺评定是适合的，这样做可以防止热影响区出现过多的铁素体。双相不锈钢相平衡的准确测定通常要求金相检查和数点，如ASTME 562 (手动)和E 1245(自动)方法。由于双相不锈钢是铁磁性的，奥氏体和铁素体的间距特别细，如果没有同样的几何形状和相平衡的金相测量结果作参考标准，则磁性检测法的可靠性是有限的。AWSA 4．2―91和ISO 8249描述了校准磁性测量仪，测量双相不锈钢焊缝处铁素体并以铁素体序数FN报告结果的操作步骤。焊缝处可接受的相平衡范围比基体金属要宽得多。如果像A923试验所显示的那样，焊缝及热影响区的韧性和耐腐蚀性合格的话，那么铁素体范围在25％一 75％时。即可提供双相不锈钢所需的特性。磁性测量得出铁素体序数在30―90之间是合格的。

要求对已经放在服务中心或经销商仓库中的材料进行相干衡的测定，比对从轧钢厂生产出来的材料提出同；洋的要求要花费更多的费用，获取试样并进行分别的试验也可能影响及时供货。

因为金属间相是非磁性，所以磁性试验不能用来检测σ相和χ相。

⑤腐蚀试验

按照A 923标准对固溶处理的轧制产品进行腐蚀试验是最具成本效益的检测有害状态的方法之一。金属间相的析出以及过量铁素体相中可能存在的氮化铬，都可表现为耐孔蚀性能的丧失而被检测出来。这些有害相造成临界孔蚀温度比正常固溶的材料所预计的温度下降了15℃或更多。测定试样的实际临界孔蚀温度花费较高，因为它需要多次试验。然而，在比双相不锈钢通常的临界温度低10―15℃的温度下进行单次腐蚀试验将揭示有害相的存在。当采用腐蚀试验来检测有害相的存在时，任何正面或侧面及边缘的孔蚀都应被当作产品拒收的依据。尽管在实际设备里边缘可能不接触介质，但试验的目的是检测金属间相，而它们很可能出现在中心线上，当把边缘的腐蚀考虑进去时就能对中心线进行判定。

拟定ASTMA 923之前，腐蚀试验通常是参考“改进G 48试验”，但G 48是一个实验室的研究方法而不是一个材料合格性的验收方法。如果要求做G48试验，但没有确定是哪种G48操作方法，而且没有声明其他的试验条件包括表面预加工、试验温度、试验持续时间、是否包括边缘的腐蚀和合格标准的确定等，那么这种要求是不完全的。A 923是一项合格性试验，目的是用一种有效而相对快速的方法证明轧钢厂的产品不存在有害的金属间相。A 923，C法是以腐蚀速率作为验收的标准。当检测孔蚀时，这似乎使人惊讶，然而采用这个方法是基于以下两个原因：

●通过重量损失来考察合格与否，就排除了确定金属表面的蚀孔这样麻烦并可能带主观色彩的问题。拒收所规定的重量损失足够大，可以容易地进行测量，而在一项24小时的试验里，它又足够小，可以容易地检测出与金属间相存在有关的孔蚀种类。

●如果采用腐蚀速率，只要总的表面积能确定，则几乎任何样品尺寸和形状都能进行试验。

与夏比试验相比，腐蚀试验是保守的，而且对试样的几何形状和位置不敏感，而前者对方向和缺口的位置敏感。腐蚀试验作为焊接工艺评定的一部分是适当的，而且可以作为一种具有成本效益的质量控制试验方法用于焊缝样品的检验，但必须考虑到轧钢厂固溶产品与焊态接头在耐腐蚀性方面的差异，即便是一个通常焊接的焊缝，由于焊接工艺、保护气体和所焊接的双相不锈钢钢种的不同，其临界孔蚀温度也可能比基体金属的低 5～15℃。

⑥生产性焊接和检验

双相不锈钢可能发生的问题对焊工来说 并不是显而易见的，也无法用无损检测法检测出来，焊工必须懂得整个焊缝质量的好坏，取决于是否严格地遵循焊接工艺规程，并通过其在使用中的韧性和耐腐蚀性来衡量。偏离限定的规程不一定能在工厂车间被检测出来，但每一次偏离都对安全、经济的使用是一个威胁。

7  力学性能

双相不锈钢力学性能优异，它们在固溶状态下的室温屈服强度比未添加氮的标准奥氏体不锈钢高两倍多，这样设计师在某些应用中就可减小壁厚。室温到300℃(570°F)范围内几种双相不锈钢的典型屈服强度与 316L奥氏体不锈钢的对比见图10。由于铁索体相有475℃(885°F)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设备(见表2)。

可锻轧双相不锈钢的力学性能是高度各向异性的，即性能随方向而变。这种各向异性是由拉长了的晶粒和热轧或冷轧产生的结晶织构造成的(见图2)。尽管双相不锈钢的固溶组织通常是各向同性的，但它经过轧制或锻造接着进行固溶，组织中存在两相。最终产品两相的形貌揭示出加工的方向性，双相不锈钢垂直轧制方向的强度比沿轧制方向的强度高。裂纹垂直于轧制方向扩展时比沿轧制方向扩展时冲击韧性要高。试样纵向 (L―T)夏比冲击试验测得的韧性高于其他方向的试验结果。一个横向的双相不锈钢试样的冲击功一般相当于一个纵向试样的1／2至2／3。

尽管双相不锈钢强度高，但它们表现出良好的塑性和韧性。与碳钢或铁素体不锈钢相比，双相不锈钢塑性一脆性的转变是渐进的。双相不锈钢即使在低温如-40℃／ F仍保持良好的韧性，但是双相不锈钢的韧性和塑性比奥氏体不锈钢低。奥氏体不锈钢一般没有塑性一脆性转变，在低至深冷温度的条件下仍保持优异的韧性。标准奥氏体不锈钢和双相不锈钢在拉力试验中最小延伸率的比较见表5。

表5 根据ASTM A 240的要求，双相不锈钢与奥氏体不锈钢塑性的比较

尽管双相不锈钢的高屈服强度在较小厚度的设计中是一个优势，但在制造过程中也成为难题。由于它们强度高，塑性变形需要更大的外力。因为双要不锈钢需要较大的弯曲力，所以双相不锈钢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奥氏体不锈钢回弹性的比较见图11。

由于双相不锈钢较高的硬度和加工硬化率，与奥氏体不锈钢相比，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固溶退火程序，因为双相不锈钢的韧性比奥氏体不锈钢更快地被消耗掉，冷加工对2205双相不锈钢力学性能的影响见图12。

8 物理性能

表6给出了一组双相不锈钢室温下的物理性能。表7是升高温度下的性能指标，为便于比较，也包括碳钢和奥氏体不锈钢数据。在所有的情况下，双相不锈钢之间物理性能的差异是很小的，可能反映了试验步骤的差异。双相不锈钢的物理性能介于奥氏体不锈钢和碳钢之间，但更接近于不锈钢的性能。

表6 室温下双相不锈钢与碳钢和奥氏体不锈钢物理性能的比较

（未完待叙）