(1. 西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，拉薩 850000；2. 西藏大學(xué)，拉薩 850000)

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達(dá)到除害興利目的而修建的工程。隨著近年來國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水利工程行業(yè)的持續(xù)增長，各種水利工程新材料、新工藝和施工方法等都不斷被發(fā)掘，并在現(xiàn)代化水利工程中得以應(yīng)用，推動著我國水利工程建設(shè)的良性發(fā)展[1]。對于水利工程用鋼而言，需要經(jīng)受氣象、水文、地質(zhì)以及外加應(yīng)力作用等因素的影響，因此在實際應(yīng)用中，水利工程用鋼常常面臨著不同形式的腐蝕破壞問題，尤其是緊鄰海邊的水利工程，因受海洋大氣環(huán)境等因素影響，經(jīng)常會發(fā)生銹蝕、局部穿孔和開裂等現(xiàn)象[2]，造成材料強(qiáng)度降低、使用壽命縮短，甚至?xí)o人民的生命財產(chǎn)安全造成危害。為了保證沿海水利工程的安全性和使用壽命，亟需開發(fā)出高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)型耐蝕雙相不銹鋼，而相較于法國、德國和日本等國，我國在雙相不銹鋼方面的研究相對較晚[3]。太原鋼鐵集團(tuán)等國內(nèi)鋼企開發(fā)出了500 MPa級2205雙相不銹鋼并在實際工程中得以應(yīng)用，但是其產(chǎn)品仍然存在著強(qiáng)度偏低、在惡劣環(huán)境中耐腐蝕性能不足等問題[4-5]。在此基礎(chǔ)上，本工作從固溶處理角度出發(fā)，考察了固溶溫度對新型超級雙相不銹鋼00Cr25Ni7Mo4N顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，希望有助于高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)型耐蝕雙相不銹鋼的開發(fā)，并加快其在水利工程中的應(yīng)用。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗材料為厚16 mm的熱軋態(tài)超級雙相不銹鋼板00Cr25Ni7Mo4N(以下簡稱雙相不銹鋼)，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of experimental duplex stainless steel (mass fraction) %

從熱軋鋼板上截取15 mm×15 mm×5 mm塊狀試樣，經(jīng)過清水沖洗、酒精超聲清洗和吹干后，在卡博萊特蓋羅GPCMA/174型熱處理爐中進(jìn)行不同溫度的固溶處理，溫度設(shè)定在1 025～1 200 ℃，保溫1 h后水冷至室溫。

采用線切割方法截取熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼試樣，試樣依次經(jīng)砂紙打磨、金剛石研磨膏拋光、清水沖洗、酒精超聲清洗、吹干后備用。

1.2 測試與表征

1.2.1 顯微組織觀察

將拋光和清洗后的試樣置于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫氧化鈉溶液中電解腐蝕30 s，用奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡(OM)觀察，并用附帶Pro-Imaging圖像分析軟件測定不銹鋼中雙相含量[6]。另外，將拋光和清洗后的試樣置于2.5 g高錳酸鉀+8 mL濃硫酸+92 mL去離子水混合溶液中進(jìn)行48 ℃水浴加熱，然后在奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡上觀察晶粒尺寸。

1.2.2 力學(xué)性能測試

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，在MTS-810型液壓伺服萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試；依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，在JB30B型擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊性能測試，測試試樣為V型沖擊試樣(55 mm×10 mm×10 mm)；采用日立S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察不同固溶熱處理態(tài)雙相不銹鋼的組織和斷口形貌；依據(jù)GB/T 230.1—2004《洛氏硬度試驗方法》，在TH320型洛氏硬度計上進(jìn)行硬度測試，載荷150 kg，保載時間10 s。

1.2.3 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試在普林斯頓P4000A電化學(xué)工作站上進(jìn)行，腐蝕介質(zhì)為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液，溫度為室溫。測試采取標(biāo)準(zhǔn)三電極體系：輔助電極為Pt電極、參比電極為飽和甘汞電極、工作電極為被測試樣[7]。其中，極化曲線測試的電位區(qū)間為-0.5～1.5 V， 電位掃描速率為5 mV/s；電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試的頻率范圍為30 kHz～40 MHz、擾動電位幅值為0.01 V。 完成測試后，分別采用Powersuite和Zsimpwin軟件對極化曲線和電化學(xué)阻抗進(jìn)行擬合，并取電流密度為100 μA/cm2對應(yīng)的電位作為點蝕電位。

2 結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

由圖1可見：熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的顯微組織都為典型的鐵素體(α相)+奧氏體(γ相)雙相組織，其中，鐵素體為黑灰色條狀，奧氏體為亮白色帶狀；各試樣中鐵素體和奧氏體的形態(tài)和分布明顯不同，其中，熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 075 ℃的雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體呈現(xiàn)明顯變形特征，且相界還可見少量塊狀析出相，而固溶溫度達(dá)到1 125 ℃及以上時，島狀γ相均勻分布在α相中，未發(fā)現(xiàn)明顯塊狀析出相，且隨著固溶溫度升高，α相含量不斷增大、γ相含量不斷減小。

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 075 ℃時，雙相不銹鋼中存在塊狀析出相，而固溶溫度在1 125 ℃及以上時，相界塊狀析出相消失，因此對固溶溫度為1 125，1 175，1 200 ℃的雙相不銹鋼進(jìn)行α相和γ相含量統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。結(jié)果表明：當(dāng)固溶溫度為1 125 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分?jǐn)?shù)分別為52.9%和47.1%；當(dāng)固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分?jǐn)?shù)分別為50.7%和49.3%；當(dāng)固溶溫度為1 200 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分?jǐn)?shù)分別為46.2%和53.8%?？梢?，隨著固溶溫度升高，雙相不銹鋼中α相含量不斷增大，而γ相含量不斷減小，在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中α相和γ相的含量接近于1∶1。

圖2 固溶溫度與雙相不銹鋼中相含量的變化曲線Fig. 2 Relationship of solution temperature with phase content in duplex stainless steel

采用Thermo-Calc軟件計算雙相不銹鋼中不同析出相的析出溫度和含量，并繪制平衡相圖[8]，結(jié)果見圖3?？梢姡?dāng)固溶溫度高于1 020 ℃時，雙相不銹鋼中只有α相和γ相，且隨著固溶溫度的升高，α相含量不斷增多，而γ相含量不斷減少，這與圖1的顯微組織觀察結(jié)果相吻合。

圖3 雙相不銹鋼的平衡相圖Fig. 3 Equilibrium phase diagram of duplex stainless steel

圖4為熱軋態(tài)和和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的晶粒形貌。對比分析可見：隨著固溶溫度的升高，雙相不銹鋼中晶粒呈現(xiàn)不斷長大特征。在固溶溫度升高至1 175 ℃時，晶粒尺寸分布最為均勻且相對較小，這主要是因為此時雙相不銹鋼的兩相含量接近1∶1，可以互相制約對方晶粒粗化；當(dāng)固溶溫度升高至1 200 ℃時，雙相比例失衡，某一方晶粒長大驅(qū)動力變大[9]，從而造成晶粒粗化和不均。

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.2 力學(xué)性能

由表2可見：熱軋態(tài)雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率分別為875 MPa、575 MPa、35%和55%，沖擊功和洛氏硬度分別為289 J和98.8 HRB；相較于熱軋態(tài)雙相不銹鋼，不同溫度固溶處理后，雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和洛氏硬度有不同程度的減小，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功有不同程度的增加。熱軋態(tài)和較低溫度固溶處理的雙相不銹鋼的強(qiáng)度和硬度較高，這主要是因為此時雙相不銹鋼中的變形組織出現(xiàn)了一定的加工硬化，且相界硬而脆的析出相和較少的鐵素體含量會使得材料的強(qiáng)度和硬度提高[10]。在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都達(dá)到最大值，這主要是因為此時雙相不銹鋼中α相和γ相含量接近于1∶1，兩相之間協(xié)調(diào)性最好[11]，表現(xiàn)出最好的韌塑性。

圖5為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的拉伸斷口形貌。對比分析可見，熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的斷口中都可見尺寸不等、深淺不一的韌窩和撕裂棱，整體都表現(xiàn)為韌性斷裂特征。相對熱軋態(tài)雙相不銹鋼而言，固溶態(tài)雙相不銹鋼斷口中的韌窩尺寸更大、深度更深，具有相對更好的塑性；且固溶溫度為 1 125～1 200 ℃時，雙相不銹鋼斷口中的韌窩相對熱軋態(tài)和固溶溫度1 025～1 075 ℃ 時雙相不銹鋼的更深，表現(xiàn)出相對更好的塑性，這與力學(xué)性能測試結(jié)果相吻合。

表2 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的力學(xué)性能Tab. 2 Mechanical properties of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.3 電化學(xué)性能

2.3.1 極化曲線

圖6為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的極化曲線，表3中列出了相應(yīng)的極化曲線擬合結(jié)果。結(jié)果顯示：熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的極化曲線相似，都有明顯的鈍化區(qū)間，表明材料表面已經(jīng)形成了鈍化膜，具有較好的耐腐蝕性能[12]，且不同狀態(tài)下雙相不銹鋼的點蝕電位都大于1 V，表明雙相不銹鋼具有良好的耐點蝕性能[13]。熱軋態(tài)雙相不銹鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和點蝕電位分別為-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的自腐蝕電位最正(-0.165 5 V )、自腐蝕電流密度最小(1.204 μA/cm2)。自腐蝕電位屬于熱力學(xué)參數(shù)，可以表征材料腐蝕傾向的大小，而自腐蝕電流密度作為動力學(xué)參數(shù)，可直接表征腐蝕速率的大小[14]，從這個角度出發(fā)，固溶溫度為1 175 ℃ 時雙相不銹鋼具有最佳的耐腐蝕性能。

2.3.2 電化學(xué)阻抗譜

圖7為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜，根據(jù)圖8所示等效電路對其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表4中。Rsol表示溶液電阻，R1表示鈍化膜電阻，由于彌散效應(yīng)的存在，用常相位角元件CPE替代純電容，n表示彌散系數(shù)。

圖6 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的極化曲線Fig. 6 Polarization curves of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

圖7 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜Fig. 7 EIS of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

圖8 與圖7中電化學(xué)阻抗譜對應(yīng)的等效電路Fig. 8 Equivalent circuit diagram corresponding to EIS in figure 7

試樣Rsol/(Ω·cm2)R1/(Ω·cm2)CPEY0/(×10-5Ω-1·cm2·Sn)n熱軋態(tài)2.55957.9674.040 40.731 11 025 ℃固溶2.41062.3134.219 70.892 01 075 ℃固溶1.78092.0684.222 70.922 21 125 ℃固溶7.907139.1014.316 50.914 81 175 ℃固溶4.478223.6016.751 10.923 81 200 ℃固溶4.671128.5114.589 90.892 5

由圖7可見：熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜都表現(xiàn)為半圓形容抗弧，且熱軋態(tài)雙相不銹鋼的容抗弧半徑最小、固溶溫度為1 175 ℃時雙相不銹鋼的容抗弧半徑最大，而容抗弧半徑越大則阻抗越大，相應(yīng)地阻礙電弧傳輸?shù)淖饔酶鼜?qiáng)，可以更好地抑制點蝕反應(yīng)的發(fā)生[15]。從表4可知：固溶溫度為1 175 ℃ 時，雙相不銹鋼的鈍化膜電阻最大，表明電荷轉(zhuǎn)移受到的阻礙最大，抵抗腐蝕的能力最強(qiáng)[16]；此外，此時的彌散系數(shù)n最接近1，表明耐點蝕性能最好。因此，固溶溫度1 175 ℃時雙相不銹鋼具有最佳的耐腐蝕性能，這與前述的極化曲線測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1) 熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 200 ℃時雙相不銹鋼的顯微組織都為鐵素體+奧氏體雙相組織；熱軋態(tài)和固溶溫度1 025～1 075 ℃的雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體呈明顯變形特征，相界還可見少量塊狀析出相，而固溶溫度達(dá)到1 125 ℃及以上時，島狀奧氏體均勻分布在鐵素體相中，未發(fā)現(xiàn)明顯塊狀析出相；隨著固溶溫度升高，雙相不銹鋼中鐵素體含量不斷增大，而奧氏體含量不斷減小，在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體含量接近于1∶1。

(2) 相較于熱軋態(tài)雙相不銹鋼，不同溫度固溶處理后，雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和洛氏硬度都有不同程度的減小，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都有不同程度的增大；當(dāng)固溶溫度為 1 175 ℃ 時，雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都達(dá)到最大值。

(3) 熱軋態(tài)雙相不銹鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和點蝕電位分別為-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的自腐蝕電位最正(-0.165 5 V)、自腐蝕電流密度最小(1.204 μA/cm2)。熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜都表現(xiàn)為半圓形容抗弧，且熱軋態(tài)雙相不銹鋼的容抗弧半徑最小，固溶溫度為1 175 ℃ 時雙相不銹鋼的容抗弧半徑和鈍化膜電阻最大，彌散系數(shù)最接近于1，具有最佳的耐腐蝕性能。