劉振宇，李成剛，趙巖，劉鑫，王國棟（東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110004）

?

節(jié)約型雙相不銹鋼組織性能控制與制造技術(shù)

劉振宇，李成剛，趙巖，劉鑫，王國棟
（東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110004）

摘要：節(jié)約型雙相不銹鋼在提高強度、改善韌性、耐蝕性能及焊接性能等方面具有突出優(yōu)點，可望廣泛應(yīng)用于核電、石化、造船、造紙、海水淡化等領(lǐng)域，成為一種性能優(yōu)良又節(jié)約資源的結(jié)構(gòu)材料。但是，由于缺乏對其熱加工特性及合理加工工藝全面深入的了解，還未能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)節(jié)約型雙相不銹鋼。針對節(jié)約型雙相不銹鋼熱塑性更差、熱加工制備更困難等關(guān)鍵問題，分析了合金成分設(shè)計、熱變形行為與熱塑性控制、微觀顯微組織演變、熱加工安全區(qū)預(yù)測及脆性相析出動力學規(guī)律等的研究進展，指出了突破節(jié)約型雙相不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：節(jié)約型雙相不銹鋼；組織性能；熱塑性

劉振宇，教授、博士導(dǎo)師；E-mail:zyliu@mail.edu.cn。遼寧省沈陽市東北大學105信箱。鋼鐵聯(lián)合基金重點項目（U1460204）。

雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel）在使用狀態(tài)下的顯微組織由各占約50%的鐵素體和奧氏體組成，因此兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。與鐵素體不銹鋼相比，其塑、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高。與奧氏體不銹鋼相比，其強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼在核電、海洋工程、食品及化工等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是，由于雙相不銹鋼的熱塑性差，熱加工成形是制約其能否成功生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，特別是寬/薄規(guī)格、無缺陷的熱連軋卷板的生產(chǎn)一直是一項世界性技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，盡管其擁有使用性能和成本價格的雙重優(yōu)勢，全世界總產(chǎn)量卻一直徘徊在20萬t左右。我國的差距更大，產(chǎn)品主要集中在管棒線方面，高等級板材產(chǎn)品主要依靠進口。

當前，雙相不銹鋼正朝著兩個方向快速發(fā)展，其一是開發(fā)并應(yīng)用超級（如0025Cr7NiN等）及特超級雙相不銹鋼（如0032Cr7NiN等），以滿足在嚴苛腐蝕與高負荷環(huán)境中的應(yīng)用要求；其二是大力開發(fā)節(jié)約型雙相不銹鋼（如LDX2101-0021Cr1Ni5MnN等），替代304甚至316L等奧氏體不銹鋼，以達到節(jié)約資源與降低成本的目的。因此，節(jié)約型雙相不銹鋼有望成為“量大面廣”的不銹鋼新品種，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用，這也是不銹鋼產(chǎn)業(yè)未來主要的發(fā)展趨勢之一［1-2］。與常規(guī)雙相不銹鋼相比，節(jié)約型雙相不銹鋼因C、N含量更高且Mo元素含量更低，高溫奧氏體固溶的間隙原子含量升高，而具有更高的硬度，而高溫鐵素體中合金元素含量降低，使高溫硬度降低，因而熱變形過程中兩相的變形協(xié)調(diào)性更差，熱變形過程中更易發(fā)生開裂，嚴重阻礙了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。如何克服其難以熱加工變形的缺點是推廣使用節(jié)約型雙相不銹鋼的關(guān)鍵所在。如果高性能節(jié)約型雙相不銹鋼熱加工技術(shù)能夠取得突破，預(yù)期將帶動全球雙相不銹鋼產(chǎn)量以每年15%以上的速度增長［1］。

常規(guī)雙相不銹鋼的鎳含量為4%～7%（wt），而節(jié)約型雙相不銹鋼的鎳含量則降低至1%（wt）以下。因此，按其可替代10%～20%的304奧氏體不銹鋼預(yù)測，每年可為國家節(jié)約鎳金屬用量3～6萬t，可大大緩解我國鎳資源短缺局面，產(chǎn)生30～60億元人民幣的直接經(jīng)濟效益，且強度指標可比304奧氏體不銹鋼提高40%以上，使我國鋼鐵材料向“資源節(jié)約、成本低廉、持續(xù)發(fā)展”方向邁出一大步。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，節(jié)約型雙相不銹鋼已成為國內(nèi)外鋼鐵材料的研究熱點，特別是在新型高強度、高韌性節(jié)約型雙相不銹鋼實驗室開發(fā)方面開展了大量工作，集中體現(xiàn)為通過“以Mn+N代Ni”的合金化設(shè)計來控制鋼材的層錯能，從而調(diào)控奧氏體穩(wěn)定性，在變形過程中獲得“γ→ε—馬氏體→α′—馬氏體”的TRIP效應(yīng)，綜合提高鋼材的強度、延伸率和韌性。日本的Fujisawa等開發(fā)了抗拉強度為750MPa、延伸率高達60%的節(jié)約型雙相不銹鋼（20Cr-5Mn -0.25N-0.5Ni-0.3Si-0.5Cu-0.01C），其延伸率已達到傳統(tǒng)雙相不銹鋼LDX2101的2倍［3-4］。德國的Raabe等開發(fā)了具有TRIP效應(yīng)的節(jié)約型雙相不銹鋼（Fe-19.9Cr-0.42Ni-0.16N-4.79Mn-0.11C-0.46Cu-0.35Si），其屈服強度達到500 MPa，抗拉強度高達1 020MPa，延伸率達到60%。與LDX2101相比，室溫條件下的強度及塑性得到顯著改善［5］。韓國的Park等研究了N含量對節(jié)約型Fe-20Cr-5Mn-xN雙相不銹鋼TRIP效應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，隨著N含量的增加，雙相不銹鋼的奧氏體含量逐漸增加，形變誘導(dǎo)α′—馬氏體的體積分數(shù)增加，最終導(dǎo)致了較高N含量的節(jié)約型雙相不銹鋼具有優(yōu)異的力學性能［6］。在國內(nèi)，上海大學的研究小組研究了退火溫度（950～1 250℃）及750℃時效時間（1～7 h）對節(jié)約型雙相不銹鋼（Fe-19.1Cr-1.3Ni-1.0Mo-0.173N-6.2Mn-0.027C-0.37Si,wt.%）力學性能與TRIP效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的增加，實驗鋼的組織粗化，但與鐵素體相比，奧氏體更易于長大。隨著時效時間的延長，實驗鋼的抗拉強度增加，延伸率降低，這歸結(jié)于在鐵素體間晶界上析出的Cr23C6對位錯的釘扎作用［7］。

然而，上述工作沒有涉及新鋼種的熱加工性能，也沒有涉及奧氏體相變?yōu)轳R氏體后耐蝕性能與焊接性能的變化等問題，對節(jié)約型雙相不銹鋼的工業(yè)化生產(chǎn)尚缺乏明確的指導(dǎo)作用。因此，圍繞節(jié)約型雙相不銹鋼熱塑性差和熱加工制備困難等關(guān)鍵問題，包括熱變形行為、顯微組織演變規(guī)律（如再結(jié)晶與相變等）、使用性能評價及板帶材制備技術(shù)等，目前仍存在諸多問題有待解決。關(guān)于雙相不銹鋼熱變形過程中顯微組織演變規(guī)律及軟化機制的研究結(jié)論也不盡相同，需要更深入系統(tǒng)的研究以得到明確的結(jié)論。

首先，關(guān)于雙相不銹鋼的熱變形誘導(dǎo)相變的規(guī)律，國際國內(nèi)的研究者得出的結(jié)論并不完全一致。北京科技大學和東北大學的研究者針對典型雙相不銹鋼進行了系統(tǒng)的熱變形研究，并進一步理清了形變誘導(dǎo)相變的相關(guān)機理［8-9］。鋼中的奧氏體和鐵素體在熱變形過程中存在較大的不協(xié)調(diào)性，應(yīng)力和應(yīng)變在兩相間的分配存在嚴重不均。形變儲能在兩相的不均勻性分配可破壞兩相原有的熱力學平衡，勢必誘發(fā)兩相之間的轉(zhuǎn)變。由于奧氏體層錯能較低，很難發(fā)生動態(tài)回復(fù)，所以其組織加工硬化嚴重，而鐵素體能較快發(fā)生動態(tài)回復(fù)實現(xiàn)軟化。在這樣的變形條件下，與奧氏體明顯的加工硬化相比，鐵素體自由能可以近似認為不變，奧氏體自由能卻有較大增加。因此，變形量或變形速率越大，發(fā)生“奧氏體→鐵素體”逆相變的驅(qū)動力也就越大，越有利于“奧氏體→鐵素體”相變的進行。圖1為不同溫度條件下熱變形量對00Cr22Ni5MoN鋼中鐵素體含量的影響規(guī)律［9］。由此可見，雙相不銹鋼的相比例隨熱變形條件的改變而發(fā)生動態(tài)變化。

圖1　不同溫度條件下熱變形量對00Cr22Ni5MoN鋼中鐵素體含量的影響規(guī)律

其次，關(guān)于雙相不銹鋼熱加工過程中顯微組織的軟化機制目前尚不明確。通過熱軋態(tài)棒材的熱模擬壓縮實驗，F(xiàn)arnoush等認為，2205雙相不銹鋼在熱變形過程中的主要軟化機制為組織中的鐵素體發(fā)生回復(fù)和奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。變形溫度越高，應(yīng)變速率越小，變形越集中在鐵素體中，鐵素體的回復(fù)成為主要軟化機制；反之，變形溫度越低，應(yīng)變速率越大，變形更集中在奧氏體中，奧氏體的動態(tài)再結(jié)晶為主要軟化機制［10］。通過變形溫度為1 200℃和應(yīng)變速率為0.7/s的變形，Cizek 和Wynne分析研究了21Cr-10Ni-3Mo雙相不銹鋼在變形過程中鐵素體晶粒間的取向差及鐵素體的軟化機制，發(fā)現(xiàn)在真應(yīng)變達到1.3時鐵素體晶粒間取向差不超過20°，并由此推斷在熱變形過程中，鐵素體不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而只發(fā)生動態(tài)回復(fù)［11］。Fan等認為，鑄態(tài)2205雙相不銹鋼在熱變形過程中的主要軟化機制為鐵素體發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶和奧氏體發(fā)生的回復(fù)，且變形溫度越高，應(yīng)變速率越小，越易促進鐵素體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶［12］?？梢?，關(guān)于雙相不銹鋼在熱變形過程中軟化機制的研究結(jié)論存在分歧。本文作者針對2205和LDX 2101雙相不銹鋼在不同熱變形參數(shù)條件下鐵素體和奧氏體的軟化機制進行了研究，澄清了兩相的軟化機制問題［13］。采用EBSD對變形溫度為1 000℃、應(yīng)變速率為30/s的變形條件下LDX 2101晶界和亞晶界演變進程的分析表明，與真應(yīng)變?yōu)?.1的情況相比，當真應(yīng)變?yōu)?.3時，在原始兩相相界附近的鐵素體和奧氏體中小角度晶界數(shù)量明顯增加，分布于原始相界附近的鐵素體中亞晶粒呈多邊形化而奧氏體中亞晶并未形成，如圖2（a）和（b）所示。當真應(yīng)變?yōu)?.8時，分布于原始相界附近的鐵素體中出現(xiàn)多邊形化亞結(jié)構(gòu)和再結(jié)晶晶粒而奧氏體中僅存在大量的回復(fù)亞結(jié)構(gòu)，如圖2（c）所示?？梢?，隨著真應(yīng)變的增加，變形通過奧氏體/鐵素體相界逐漸傳遞到奧氏體中，奧氏體中僅形成一定數(shù)量的小角度晶界而鐵素體中出現(xiàn)大量多邊形化亞結(jié)構(gòu)和再結(jié)晶晶粒。在低溫、高應(yīng)變速率的熱變形條件下，鐵素體發(fā)生以小角度晶界不斷向大角度晶界轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞯倪B續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，而奧氏體晶粒未發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶。圖3示出的是變形溫度為1 100℃、應(yīng)變速率為0.01/s變形條件下LDX 2101顯微組織結(jié)構(gòu)演變進程。在變形初期，奧氏體承受更多的變形并存在較多小角度晶界，而在鐵素體相內(nèi)并未存在小角度晶界。同時，奧氏體/鐵素體相界變得不規(guī)則，出現(xiàn)類似鋸齒形晶界，這標志著動態(tài)再結(jié)晶開始發(fā)生。當真應(yīng)變達到0.3時，奧氏體和鐵素體相界“凸起”更明顯，在相界處形成動態(tài)再結(jié)晶晶核。當真應(yīng)變達到0.8時，奧氏體的非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶持續(xù)發(fā)生。因此，在高溫、低應(yīng)變速率的熱變形條件下，奧氏體發(fā)生以晶界“凸起”為特征的非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，而鐵素體并未存在動態(tài)再結(jié)晶的跡象。上述機理給我們的啟示是，對熱加工工藝參數(shù)進行精確合理控制可精確調(diào)控雙相不銹鋼顯微組織的軟化行為，從而優(yōu)化熱加工性能。

在雙相不銹鋼的熱加工過程中，除鐵素體和奧氏體兩相比例的變化外，由于添加大量合金元素而極易引起鋼中析出第二相。雙相不銹鋼中合金元素對第二相析出的影響如圖4所示［14］，主要為二次奧氏體（γ′）、碳化物、氮化物和金屬間化合物，它們對雙相不銹鋼的性能具有重要的影響。第二相如σ-相的析出需要合金元素的置換擴散和重新分布。東北大學的高輝等關(guān)于組織形態(tài)對第二相析出動力學影響的研究發(fā)現(xiàn)［15］，鑄態(tài)試樣原始組織中奧氏體為魏氏組織形貌，鐵素體與奧氏體之間接近K-S位向關(guān)系，而正是由于兩相之間的共格性使其界面上很難形成σ-相；熱軋變形使組織中的奧氏體由板條狀形貌變?yōu)檠剀埾蚶L的帶狀組織，增加了兩相相界長度，從而提供了更多σ-相的有效形核位置，并且熱軋變形后的形變儲能也會促進σ-相的形成。熱軋變形破壞了鐵素體/奧氏體兩相界面的共格性，即兩相之間的位向關(guān)系偏離K-S關(guān)系，這也將顯著加速σ-相的析出。

圖2　變形溫度為1 000℃、應(yīng)變速率為30/s變形條件下LDX2101晶界和亞晶界演變進程的EBSD分析

圖3　變形溫度為1 100℃、應(yīng)變速率為0.01/s變形條件下LDX2101奧氏體非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶進程的EBSD分析

圖4　雙相不銹鋼中的主要合金元素析出相

經(jīng)等溫時效處理后，常規(guī)雙相不銹鋼中主要存在有大量Cr23C6型碳化物及少量Cr2N型氮化物等晶界上析出的顆粒狀第二相。與常規(guī)雙相不銹鋼相比，節(jié)約型雙相不銹鋼的氮原子與碳原子之比一般超過8.5，導(dǎo)致Cr23C6型碳化物的析出進程受阻而Cr2N型氮化物析出進程加快。同時，由于節(jié)約型雙相不銹鋼的Mo和Ni等合金元素含量有所降低而N含量升高，金屬間化合物σ-相的形成傾向降低［16］。Calliari等［17］通過等溫時效處理實驗研究了2205型雙相不銹鋼中第二相對沖擊韌性的影響。結(jié)果表明，少量的金屬間化合物x和σ-相將導(dǎo)致沖擊吸收功的急劇下降。Charles等［18］、Lijias等［19］和Zhang等［20］認為，節(jié)約型雙相不銹鋼2101中主要第二相Cr2N的形成也會導(dǎo)致沖擊韌性的降低，如圖5所示。

圖5　雙相不銹鋼中金屬間化合物析出量及時效處理時間對雙相不銹鋼沖擊功的影響

方軼流等針對節(jié)約型雙相不銹鋼2101的第二相析出規(guī)律和沖擊功變化規(guī)律的研究也得到了與之相似的結(jié)論［21］。由此可見，雖然節(jié)約型雙相不銹鋼中金屬間化合物的含量較少，但是作為主要第二相的碳化物及氮化物的析出仍會嚴重破壞其加工性和塑/韌性。

在雙相不銹鋼研究存在的各種問題中，熱軋過程中因鋼材的熱塑性差而引起的軋件開裂問題是最急需解決的，因此雙相不銹鋼熱塑性的研究也一直是國內(nèi)外研究的重中之重，大量研究工作集中在分析影響熱塑性的變化規(guī)律方面，以尋找提高熱塑性的最優(yōu)方法。

在相比例變化規(guī)律及其對熱塑性影響方面的研究，前蘇聯(lián)的科研人員對不同鐵素體和奧氏體兩相比例條件下的熱塑性進行了深入研究，如圖6所示?？梢钥闯?，當鐵素體或奧氏體含量超過20% ～25%時，雙相不銹鋼的熱塑性開始降低；當兩相所占比例均約50%時，熱塑性最差，熱變形將會出現(xiàn)裂紋等缺陷［22］。盡管節(jié)約型雙相不銹鋼熱塑性變化規(guī)律的研究還需要開展系統(tǒng)深入的工作，但可以從圖6中得到啟示：優(yōu)化節(jié)約型雙相不銹鋼在熱變形過程中的相比例，有望成為解決其熱塑性差的關(guān)鍵技術(shù)途徑。

圖6　雙相不銹鋼中鐵素體與奧氏體相比例對熱塑性影響示意圖

關(guān)于熱變形過程中雙相不銹鋼開裂機理的研究，Cabrera等通過高溫壓縮實驗發(fā)現(xiàn)，在較低溫度和較高變形程度條件下變形時，00Cr22Ni5MoN鋼中的微裂紋傾向于在鋸齒狀相界處形核［23］。Iza-Mendia等認為，與奧氏體相比鐵素體具有較低的強度和較差的塑性，裂紋主要在鐵素體內(nèi)部擴展［24］。Calonne等通過熱變形實驗發(fā)現(xiàn)，在較低溫度條件下變形時，某些局部區(qū)域發(fā)生強烈的金屬流動而產(chǎn)生剪切變形帶，從而誘發(fā)裂紋沿剪切帶方向形成［25］。

方軼流等的研究工作表明，在較高變形溫度和較低應(yīng)變速率條件下（即低Z參數(shù)條件下），相界處奧氏體非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生有利于緩解由于兩相變形不協(xié)調(diào)性導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而避免裂紋的形成；在較低變形溫度和較高應(yīng)變速率條件下（即高的Z參數(shù)條件下），平滑的奧氏體和鐵素體相界不能及時緩解相界處的應(yīng)力集中導(dǎo)致在相界處誘發(fā)裂紋形核。圖7為高Z參數(shù)條件下（變形溫度950℃，應(yīng)變速率30/s）變形時，LDX 2101鋼中微裂紋形核及擴展的金相觀察［20］，可以明顯看出，裂紋傾向于在奧氏體/鐵素體相界處形核并在鐵素體內(nèi)沿著相界擴展。

圖7　高Z參數(shù)條件下變形時LDX2101中微裂紋沿相界形核并在鐵素體內(nèi)沿相界擴展的金相觀察

2　節(jié)約型雙相不銹鋼的熱加工制備技術(shù)

由于節(jié)約型雙相不銹鋼熱加工性能更差，急需開展熱加工性的評價工作為設(shè)計合理的熱加工工藝提供理論基礎(chǔ)。構(gòu)建熱加工圖（Hot Processing Map）在評價不同金屬材料的熱加工性及預(yù)測最佳工藝窗口方面得到了廣泛應(yīng)用，但國內(nèi)外對雙相不銹鋼的研究較少。常用的熱加工圖構(gòu)建方法有兩種，一種是早期由Frost和Ashby提出的根據(jù)主導(dǎo)熱變形的特定機制所建立的變形機制圖；一種是由Prasad和Gegel等提出的基于動力學模型而建立的熱加工圖［26-28］。本文作者在建立LDX2101的熱加工本構(gòu)關(guān)系的此基礎(chǔ)上，采用基于塑性功方法構(gòu)建了熱加工圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當塑性功積累到70Nm/m2以上時，預(yù)測結(jié)果與實際情況較前兩種方法更加吻合，結(jié)果如圖8所示［21］。

圖8　實測熱塑性圖與熱加工圖

這一工作促使國內(nèi)外學者開始對雙相不銹鋼微觀不穩(wěn)定機制與宏觀表現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系的復(fù)雜性有了進一步的認識［29］。因此，為正確預(yù)測和評價雙相不銹鋼的熱加工性能，有必要針對具體的成分，深入細致地研究動態(tài)軟化（動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶）及裂紋形成與擴展機理，從而構(gòu)建出準確的熱加工圖，只有這樣才能開發(fā)設(shè)計出合理的熱加工工藝。

通過上述分析可以看到，節(jié)約型雙相不銹鋼并非不能進行熱加工成形，而是由于對其微觀變形機制與宏觀表現(xiàn)之間關(guān)系缺乏正確認識，造成了不能準確預(yù)測其熱加工安全區(qū)，因而也無法制定正確的熱加工工藝制度。

雙相不銹鋼的工業(yè)生產(chǎn)實踐表明，除了奧氏體和鐵素體兩相的變形協(xié)調(diào)性會影響其熱塑性外，在熱變形過程中的溫度變化（如熱軋前的高壓水除鱗帶來的大幅度溫降）也會對其熱塑性帶來較大的影響。由于奧氏體和鐵素體具有不同的熱膨脹系數(shù)，進行較為劇烈的升溫和降溫會在兩相間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致在軟相鐵素體晶粒中產(chǎn)生微裂紋而降低軋件的熱塑性。本文作者進行了2205雙相不銹鋼高壓水除鱗的模擬實驗研究，觀察到了經(jīng)快速冷卻后鐵素體中存在明顯的微裂紋，如圖9所示，初步證實了溫度變化可影響鋼材熱塑性的推論［9］。但到目前為止，關(guān)于熱應(yīng)力對雙相不銹鋼熱塑性影響的研究報道仍很少。因此，有必要針對工業(yè)化熱軋生產(chǎn)過程做出深入細致的分析，開發(fā)出以降低熱應(yīng)力為目標的熱軋及冷卻工藝技術(shù)。

圖9　典型雙相不銹鋼2205經(jīng)1 300℃加熱并急冷后鐵素體中存在明顯的微裂紋

熱軋卷板經(jīng)850～950℃熱軋終軋后，由于經(jīng)過劇烈變形而使σ-相形核析出速度加快。軋后采用常規(guī)冷卻技術(shù)，軋件在σ-相析出溫度區(qū)間停留時間較長，在冷卻過程中因形成σ-相而破壞鋼板的塑韌性，導(dǎo)致熱軋帶鋼在卷取過程中發(fā)生較明顯的邊裂，如圖10所示［30］。如果對軋件在熱軋后實施在線快速冷卻，則可縮短軋件在σ-相析出溫度區(qū)間的停留時間，有效避免大量σ-相在冷卻過程中發(fā)生析出。

圖10　現(xiàn)場生產(chǎn)雙相不銹鋼熱軋板帶因脆性相析出引起的邊裂情況

圖11示出了雙相不銹鋼熱軋后采用常規(guī)冷卻和在線超快速冷卻后鋼中脆性相的析出情況的比較?？梢钥闯觯捎迷诰€超快速冷卻可大大減少鋼中脆性相，從而改善熱軋帶卷的塑、韌性。因此，需要開發(fā)并應(yīng)用在線控制冷卻技術(shù)以減少軋件在析出敏感溫度區(qū)間的停留時間。

圖11　雙相不銹鋼熱軋后采用常規(guī)冷卻和在線超快速冷卻后鋼中脆性相的析出情況比較

3　結(jié)論

節(jié)約型雙相不銹鋼有望成為不銹鋼中“量大面廣”的新品種，具有廣闊的應(yīng)用前景，必將促使我國鋼鐵材料向“資源節(jié)約、成本低廉、持續(xù)發(fā)展”的方向邁出一大步。而開發(fā)新的熱變形與熱處理工藝是實現(xiàn)工業(yè)化制造成本低廉、性能先進、規(guī)格齊全的新型節(jié)約型雙相不銹鋼的核心和關(guān)鍵。

參考文獻

［1］Charles J.Past,present and future of the duplex stainless steels∥［C］International Conference&Expo,Duplex Stainless Steels'07,Grado,Italy,June 17-20,2007.

［2］Outokumpu.Duplex stainless steel[EB/OL],http://outokumpu.com/36719.epibrw.

［3］Fujisawa M,Kato Y,Ujiro T.Mechanical properties and stress corrosion cracking receptivity of metastable Cr–Mn-N duplex stainless steels［J］.CAMP-ISIJ 2009,22:1163-1164.

［4］Fujisawa M,Kato Y,Ujiro T.Influence of nitrogen and nickel on mechanical properties of metastable duplex stainless steels ［J］.CAMP-ISIJ 2008,21:602.

［5］Herrera C,Ponge D,Raabe D.Design of a novel Mn-based 1 GPa duplex stainless TRIP steel with 60%ductility by a reduction of austenite stability［J］.Acta Mater,2011,59:4653-4664.

［6］Choi JY,Ji JH,Hwang SW,et al.Effects of nitrogen content on TRIP of Fe-20Cr-5Mn-xN duplex stainless steel［J］.Mater Sci Eng A,2012,534:673-680.

［7］Ran QX,Xu YL,Li J,et al.Effect of heat treatment on transformation-induced plasticity of economical Cr19 du plex stainless steel［J］.Mater Des,2014,56:959-965.

［8］張沛學,任學平,謝建新,等.σ相對雙相不銹鋼低溫超塑性的影響［J］.鍛壓技術(shù),2003,(2):38-41.

［9］王月香.2205雙相不銹鋼熱變形行為及σ相析出規(guī)律的研究［D］.沈陽:東北大學,博士論文,2010.

[10]Farnoush H,Momeni A,Dehghani K,et al.Hot deformation characteristics of 2205 duplex stainlesssteel based on the behavior of constituent phases［J］.Mater Des,2010,31:220-226.

[11]Cizek P,Wynne BP.A mechanism of ferrite softening in a duplex stainless steel deformed in hottorsion［J］.Mater Sci Eng A, 1997,230:88-94.

[12]Fan GW,Liu J,Han PD,et al.Hot ductility and microstructure in casted 2205 duplex stainless steels［J］.Mater Sci Eng A, 2009,515:108-112.

[13]Fang YL,Liu ZY,Xue WY,et al.Precipitation of secondary phases in lean duplex stainless steel 2101 during isothermal ageing［J］.ISIJInternational,2010,50(2):286-293.

[14]Martins M,Rossitti SM,Ritoni M,et al.Effect of stress relief at 350℃and 550℃on the impact properties of duplex stainless steels［J］.Mater Charact,2007,58:909-916.

[15]Lo KH,Shek CH,Lai JKL.Recent developments in stainless steels［J］.Mater Sci Eng R,2009,65:39-104.

[16]高輝.SAF2205雙相不銹鋼的焊接方法研究［D］.沈陽：東北大學,碩士論文,2006：5-8.

[17]Calliari I,Zanesco M,Ramous E.Influence of isothermal aging on secondary phases precipitation and toughness of a duplex stainless steel SAF 2205［J］.JMate Sci,2006,41:7673-7649.

[18]Charles J.Duplex stainless steel-a review after DSS∥［C］’07 held in Grado,Steel Res Int,2008,79(6):455-465.

[19]Lijias M，Johansson P,Liu HP,et al.Development of a Lean

duplex stainlesssteel［J］,Steel Res Int,2008,79(6):466-473.

[20]ZhangW,Jiang L Z,Hu JC,et al.Effect of ageing on precipitation and impact energy of 2101 economical duplex stainless steel［J］.Mater Charact,2009,60(1):50-55.

[21]方軼流.節(jié)約型雙相不銹鋼2101高溫變形行為及等溫時效行為的研究［D］.沈陽：東北大學,博士論文,2010.

[22]吳玖.雙相不銹鋼［M］,北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

[23]Cabrera JM,Mateo A,Llanes L,et al.Hot deformation of duplex stainless steels［J］.J Mater Processing Technol,2003, 143-144:321-325

[24]Iza-Mendia A,Pinol A,Urcola J J,et al.Microstructural and mechanical behavior of duplex stainless steel under hotworking conditions［J］.MetalMater Trans A,1998,29:2975-2986.

[25]Calnonne V,Berdin C,Saint-Germain B,et al.Damage and dynamic strain aging in a thermal aged cast duplex stainless steel［J］.JNucl Mater,2004,327(2-3):202-210.

[26]Frost HJ,Ashby MF.Deformationmechanism maps,the plasticity and creep of metals andceramics∥［C］London:Pergamon Press,1982:265-276.

[27]Gegel H L,Malas J C,Doraivelu SM,et al.Modeling techniques used in forging process design in:［M］Metals handbook, forming and forging,Metal Park,OH:ASM International,1988: 417-426.

[28]Prasad YVRK,Sastry DH,Deevi SC.Processing maps for hot working of a P/M iron aluminide alloy［J］.Intermetallics,2000, 8:1067-1074.

[29]Chen L,Ma XC,Liu XA,et al.Processingmap for hotworking characteristics of a wrought 2205 duplex stainless steel［J］.Mater Des,2012,32:1292-1297.

[30]宋紅梅,王治宇,江來珠.2205雙相不銹鋼的高溫組織轉(zhuǎn)變及其對熱塑性的影響∥［C］第十四屆全國青年材料科學技術(shù)研討會,沈陽,中國,2013年10月25日-28日.

（編輯袁曉青）

修回日期：2016-03-29

Control on M icrostructures and Properties of
Econom ical Dup lex Stainless Steel and Its M anufacturing Technology

Liu Zhenyu，Li Chenggang，Zhao Yan，Liu Xin，Wang Guodong
（The State Key Lab of Rolling and Automation,Northeastern University, Shenyang 110004,Liaoning,China）

Abstract:The economical duplex stainless steel has outstanding advantages of its own in strength,toughness,corrosion resistance and welding property.So it ismost expected to be widely used in the fields of nuclear power，petrochemical industry,ship-building,paper-making and desalination of sea water,proving to be the material of construction with high performance and characteristics of resources-saving.However,this kind of stainless steel can not be manufactured yet based on the industrial-scale production due to the lack of all-round and in-depth investigations of its hot working property and optimum processing technology.Considering these problems such as its worse hot ductility and being much more difficulty in hot-working it,the alloying compositions of the steel were analyzed and the studies on control of its thermal deformation behaviors and hot ductility,the evolution of itsmicrostructure,the safe zone predicting for hot processing and the law of dynamics on brittle phase precipitation were carried out.And finally the key technology trend for producing this duplex stainless steelwas given.

Key words:economical duplex stainless steels;property ofmicrostructure;hot ductility

中圖分類號：TG142

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）02-0001-08